基于DSP的電子浮標設計方案

電子浮標由于沒(méi)有本艦噪聲的影響，對水下目標的探測靈敏度高;此外它可通過(guò)飛機布放和回收，具有搜索面積大、偵察效率高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為偵察、反潛領(lǐng)域的重要裝備。而將多個(gè)浮標組成網(wǎng)絡(luò )，就可對大范圍海域進(jìn)行監視。目前，作為數字化海洋的重要組成部分，電子浮標已成 世界海洋國家不惜巨資進(jìn)行開(kāi)發(fā)的水下目標監測裝備。

　　本文介紹了一種基于分層級連DSP陣列技術(shù)的電子浮標設計方案，該方案通過(guò)微弱信號檢測技術(shù)來(lái)提取水下目標的聲信號;通過(guò)差分GPS技術(shù)來(lái)給浮標進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)定位;通過(guò)DSP技術(shù)進(jìn)行大基陣數據處理;通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)進(jìn)行數據傳輸。該系統可較好地在大范圍海域對水下目標進(jìn)行檢測、識別、定位和跟蹤。

　　1 系統設計思想

　　為了使系統實(shí)現簡(jiǎn)單、通用性和可移植性強，采用模塊化、分層級連化思想進(jìn)行系統的結構和軟件硬件設計;為了使系統滿(mǎn)足應用靈活和應用范圍擴展性的要求，在總線(xiàn)設計、軟硬件設計、結構設計等方面嚴格依據標準化規范;為了適應海洋惡劣的操作環(huán)境，在結構和硬件設計中充分借鑒便攜式和插件式設計方法，同時(shí)考慮使系統滿(mǎn)足體積小、重量輕和功耗低等實(shí)際需要。

　　2 系統設計方案

　　本文設計的電子浮標系統是以DSP芯片為中心的全數字、模塊化結構，它主要由干端和濕端兩大部分組成，兩部分之間的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據鏈路完成。整個(gè)系統的工作模型如圖1所示。濕端是由電子浮標和之相連的水聽(tīng)器陣組成，主要完成對目標聲信號的檢測和先期處理;干端即監測中心，一般安裝在浮標附近的移動(dòng)或固定平臺上，主要完成對濕端傳來(lái)的目標數據進(jìn)行存儲，實(shí)現對目標監視跟蹤等功能，它由高性能工控機、無(wú)線(xiàn)通訊器和數字錄音機等組成。干擾可通過(guò)無(wú)線(xiàn)指令對濕端浮標進(jìn)行狀態(tài)(工作狀態(tài)/待機狀態(tài))切換、水聽(tīng)器陣收放操作以及各種算法相關(guān)參數設置等控制。本文主要介紹濕端電子浮標信號處理方面的設計方法，有關(guān)浮標的浮力結構、配重等方面的設計以及干端部分的設計方法從略，請參見(jiàn)文獻[1]。

　　2.1 電子浮標的組成和工作原理

　　電子浮標的主要功能是檢測水下目標的微弱聲信號，通過(guò)并行數字信號處理器對信號延時(shí)進(jìn)行估計，以此對目標進(jìn)行定位。其組成模塊示意圖如圖2所示。它的基本工作原理是當電子標接收到干端啟動(dòng)指令后，就實(shí)時(shí)通過(guò)水聽(tīng)器陣提取聲信號。該信號經(jīng)過(guò)前置低噪放大、濾波和A/D變換后，進(jìn)行數字信號相關(guān)處理而獲得精確的信號延時(shí)估計值，進(jìn)而對目標進(jìn)行定位解算;電子浮標通過(guò)GPS接收機給水聽(tīng)器陣同步定時(shí);目標原始數字信息和解算后的位置信息經(jīng)過(guò)編碼處理通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊傳輸到干端監濁中心進(jìn)行存儲和目標監視、跟蹤及識別。

　　2.1.1 前置預處理模塊

　　為了能夠實(shí)現目標定位功能，水聽(tīng)器陣選用合成系統限公司的T122偵察水聽(tīng)器陣，該陣由2×6個(gè)高靈敏度的水聽(tīng)器基元配置成垂直陣和水平陣形成，可在寬頻帶內產(chǎn)生固定的波束角度。由于水下目標的聲信號往往很弱(0級海況下，在水聽(tīng)器接收端的電壓約為幾微伏)，而海洋的環(huán)境噪聲很強，水聽(tīng)器輸入端的信噪比很低，為了進(jìn)行A/D轉換，在前置預處理模塊中必須對信號進(jìn)行放大和濾波處理。前置預處理模塊的組成框圖如圖3所示。采用分級濾波和可變倍數放大是為了逐步消除海洋噪聲干擾并提取40Hz～15kHz的目標信號;采用AGC放大是為了將信號的動(dòng)態(tài)限制在-5V～+5V范圍內，從而滿(mǎn)足進(jìn)行A/D轉換的需要。這里AGC自身的動(dòng)態(tài)范圍為40dB;A/D采用并行32通道16bit插件，最高采樣率為40kHz，其輸出的數字信號進(jìn)入水聲信號處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

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