基于多DSP并行處理的聲探測系統設計

聲探測技術(shù)用聲傳感器陣列接收各種軍事目標運動(dòng)所產(chǎn)生的特征聲信號，運用陣列信號處理、信號識別、信息融合等技術(shù)，確定目標的位置、航跡、類(lèi)型。聲探測技術(shù)具有被動(dòng)探測、不受電磁干擾、能夠全天候工作、成本較低等突出優(yōu)點(diǎn)，特別是在夜間、霧天及能見(jiàn)度不良、通視度較差的情況或者復雜電磁環(huán)境下，是戰場(chǎng)信息感知不可缺少的重要手段之一。

并行DSP處理的目的是采用多個(gè)處理單元(DSP)同時(shí)對任務(wù)處理以減少任務(wù)的執行時(shí)間。多DSP并行處理系統設計的核心是實(shí)現多DSP之間的統籌協(xié)調、任務(wù)分配、數據交換、信號處理及通信控制。

因此，應用高性能DSP作為數據實(shí)時(shí)處理單元，借助多DSP并行處理技術(shù)實(shí)現實(shí)時(shí)性強、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大和高數據吞吐量的大規模并行處理系統，既打破了單處理器性能提升空間的限制，又大大增強了系統的兼容性和在線(xiàn)升級能力，為聲探測系統的研制提供了強大的技術(shù)支持。

TMS320C67x是TI公司C6000上具有最高性能的浮點(diǎn)DSP, 具有第二代的超長(cháng)指令字(VLIW)結構。本文基于國內外日益發(fā)展的聲探測技術(shù)研究成果和先進(jìn)成熟的電子技術(shù)，提出一種以多片TMS320C6711D DSP為信號處理單元,用FPGA實(shí)現各DSP的EMIF接口總線(xiàn)互聯(lián)，從而構成松耦合級、可再編程的多DSP并行處理模式，實(shí)現了一種具有高實(shí)時(shí)性、良好的擴展性和容量可變等特點(diǎn)的多DSP聲探測系統。

1 系統設計

系統由前端聲傳感器基陣和聲探測系統兩大部分構成。

聲傳感器基陣是由若干個(gè)傳聲器組成的陣列，利用傳聲器陣列接收目標輻射噪聲（如直升機飛行時(shí)旋翼擾動(dòng)空氣引起的噪聲和發(fā)動(dòng)機自身輻射的噪聲信號）。

聲探測系統由模擬電路、數字電路和控制電路組成。模擬電路完成對傳聲器陣列送來(lái)的微弱信號的放大、調理、均衡，并將預處理后的信號送至后端電路處理。數字電路實(shí)現對目標聲信號的采集、定向算法、識別算法、增益控制、電路邏輯控制以及外部接口功能?？刂齐娐酚呻娫垂芾砗腿藱C界面組成。圖1為系統構成圖。

2 硬件設計

2.1 模擬電路

根據聲目標信號的特征及探測對信號拾取和處理的要求，傳聲器及相應各通道間應具有較好的低頻響應特性，而且相位一致性必須很好。

為保證各個(gè)模擬信號通道的電路一致性，特別是放大濾波電路部分，在設計中采用了厚膜電路技術(shù)實(shí)現。通過(guò)對放大濾波電路的深入分析，確定影響電路相位的各種因素和關(guān)鍵的阻容元件的允許誤差范圍，將其應用到厚膜電路的設計中，并篩選阻容器件，以控制系統的穩定性。

最終通過(guò)對前端模擬電路的二次集成方法來(lái)確保產(chǎn)品的一致性，更好地保證傳聲器相位一致性，提高探測精度。模擬電路功能組成如圖2所示?！　?/p>

2.2 數字電路

數字信號處理采用基于FPGA的多DSP并行處理模式，增強處理能力和實(shí)時(shí)性。FPGA實(shí)現類(lèi)似AD DSP的LINK PORT功能，形成了分布式松耦合系統；完成數字電路的邏輯控制功能、外部通信接口協(xié)議（RS232、FSK、并行通信等）、DSP之間的波形數據采集存儲、交換以及相互間的通信。

用于實(shí)現高速數字信號處理的DSP，一片作為主DSP，實(shí)現信號的預處理、增益控制、外界通信、數據關(guān)聯(lián)等工作；另一片作為目標識別DSP，完成已定向目標的類(lèi)型識別功能。其余5片，完成主DSP分配的目標頻點(diǎn)的信號處理及定向。每片DSP具有獨立的程序、數據空間。數字電路設計模塊圖如圖3所示。

2.3 控制電路

控制電路主要實(shí)現電源管理、人機界面功能。

電源管理主要完成對模擬和數字電路的電源分配、濾波處理以及控制。

人機界面完成對目標的重要信息的顯示(目標方位、目標類(lèi)型、批次)、參數的設置(編號、傳輸方式、測試)及檢測功能。

控制電路以C8051F020單片機為核心器件。其功能框圖如圖 4所示。

3 軟件設計

聲探測系統軟件完成對數字化聲信號采集、模擬電路放大電路的增益動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調整、系統參數的初始化配置，核心是實(shí)現聲目標信號的高速實(shí)時(shí)處理后的定向、識別功能。軟件分為兩大部分，即目標定向軟件和目標識別軟件。軟件構成如圖5所示。

3.1 目標定向軟件設計

諸如直升機、坦克等目標，其輻射噪聲是一種寬帶信號，能量主要集中在500 Hz以下的低頻段。由于其在結構上具有周期轉動(dòng)機制（螺旋槳、發(fā)動(dòng)機等），聲信號的功率譜具有鮮明特征：主要是由離散譜疊加在連續

譜上組成的，存在穩定的基頻和較強的線(xiàn)譜，且線(xiàn)譜間具有明顯的諧波關(guān)系。

目標定向軟件完成了對單個(gè)或多個(gè)聲目標的遠距離聲學(xué)被動(dòng)定向。軟件利用目標的寬譜和多諧波特性，采用了多頻段、多頻點(diǎn)模式的窄帶子空間類(lèi)高分辨陣列信號處理方法，并結合時(shí)域累積置信度方法和數據處理后的關(guān)聯(lián)和跟蹤濾波，較好地實(shí)現了對相互靠近的多個(gè)聲目標的有效跟蹤。

目標定向軟件由1個(gè)主DSP和5個(gè)從DSP完成。主從DSP之間通過(guò)FPGA構建數據交換通道，完成并行處理。

3.1.1 主DSP軟件設計

主DSP實(shí)現了目標頻點(diǎn)檢測和定向跟蹤。目標頻點(diǎn)檢測是在目標信號的寬譜和多諧波特征基礎上的目標頻點(diǎn)提取。在頻點(diǎn)檢測中，設計了合適的檢驗統計量與準則，并且通過(guò)大量外場(chǎng)實(shí)驗驗證，獲得了理想的恒虛警似然比門(mén)限。

定向跟蹤完成了對目標頻點(diǎn)的管理，實(shí)現了對各個(gè)從DSP的頻點(diǎn)目標定向結果的關(guān)聯(lián)與融合處理及偽目標的消除，同時(shí)采用角度和角速度的二維信息跟蹤方法，實(shí)現對復雜噪聲條件下目標的穩定跟蹤。主DSP軟件流程如圖6所示。

3.1.2 從DSP軟件設計

從DSP的目標定向特征是根據獲取的頻點(diǎn)信息，針對性地對目標信號在指定頻點(diǎn)上進(jìn)行檢測，采用MUSIC方法逐個(gè)解算各頻率對應的定向結果。將各諧波信號與對應的定向結果以及頻率能量信息建立文件記錄，并傳送給主DSP 進(jìn)行綜合處理，獲得目標定向結果。目標定向軟件的軟件流程如圖 7所示。

3.2 目標識別軟件設計

目標識別軟件是采用數學(xué)和智能方法對各種傳感器信號進(jìn)行統計、分析、學(xué)習和融合，提取和選擇目標特征，與目標樣本庫進(jìn)行比較和匹配，確定復雜環(huán)境下的目標類(lèi)型。軟件采用了包括特征參數提取及其篩選、分類(lèi)器訓練和識別等方法。

波束形成是一種空域濾波器，能無(wú)失真地接收感興趣方位或區域內的目標噪聲信號，同時(shí)抑制其他方位獲取區域內的干擾及噪聲，能顯著(zhù)提高目標信號的信噪比，改善探測方向的靈敏度?？紤]到本設計針對的目標噪聲特性和后續處理要求，波束形成器設計為寬帶的，頻帶范圍覆蓋3～5個(gè)倍頻程，在全空間形成多個(gè)相互疊加的固定波束，通過(guò)目標方位估計結果選擇對應波束輸出進(jìn)行直升機特征參數提取。

針對系統對實(shí)時(shí)性要求較高且硬件資源優(yōu)化的要求，功率譜估計采用改進(jìn)的平均周期圖法估算其功率譜，獲得目標輻射噪聲大類(lèi)區分。功率譜估計方法包括參數法和非參數法。

目標特征提取是通過(guò)對各種諸如直升機、坦克等聲目標信號的多次分析，從時(shí)、頻二維抽取典型特征量，如幅度、周期等，作為對信號判斷與識別的依據，結合各種參數的數學(xué)統計特征和模式可分性進(jìn)行反復的算法仿真，優(yōu)選出一些最有效、最有代表性的特征參數。主要方法有時(shí)頻分析、小波變換、短時(shí)傅立葉變換等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )分類(lèi)算法由輸入層節點(diǎn)、輸出層節點(diǎn)、隱層節點(diǎn)組成。對于輸入信號，要先向前傳播到隱節點(diǎn)，經(jīng)過(guò)作用函數后，再把隱節點(diǎn)的輸出信息傳播到輸出節點(diǎn)，最后給出輸出結果。算法的學(xué)習過(guò)程由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播過(guò)程中，輸入信息從輸入層經(jīng)隱單元層逐層處理，并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉入反向傳播，將誤差信號沿原來(lái)的連接通路返回，通過(guò)修改各層神經(jīng)元的權值，使得誤差信號最小。與傳統計算機技術(shù)相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )計算機具有處理速度快、容錯性好、抗干擾性好、自組織性好(能自動(dòng)找出規律)等優(yōu)點(diǎn)。

諧波集檢測方法的特征是：對提取的所有線(xiàn)譜頻率向量，逐個(gè)選擇目標主頻范圍內的頻率及其諧波集合, 尋找能量最強的一組作為主諧波集合。在剩余的頻率向量和諧波向量中，對照目標類(lèi)型模板，尋找能量最強的一組為次諧波集合，最終實(shí)現聲目標的主次諧波集檢測。目標識別軟件流程如圖 8所示。

4 系統驗證

聲探測系統設計完成后，經(jīng)過(guò)大量的試驗測試可知，各類(lèi)指標滿(mǎn)足要求，具有較強的實(shí)用性。
聲探測系統利用多DSP并行處理方式，解決大容量數據的實(shí)時(shí)處理和目標輻射噪聲的寬帶處理問(wèn)題。利用一種創(chuàng )新的方法，綜合運用多手段、多技術(shù)和寬帶處理方法，實(shí)現了對低空和超低空聲目標的微弱輻射噪聲信號提取、遠距離預警探測和目標識別。

參考文獻

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