一種基于分層級連DSP陣列技術的電子浮標設計

　　和其他水下目標探測裝備（如艇殼聲納、拖線陣聲納等）相比，電子浮標由于沒有本艦噪聲的影響，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，已成為偵察、反潛領域的重要裝備。而將多個浮標組成網(wǎng)絡，就可對大范圍海域進行監(jiān)視。目前，作為數(shù)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行開發(fā)的水下目標監(jiān)測裝備。

　　本文介紹了一種基于分層級連DSP陣列技術的電子浮標設計方案，該方案通過微弱信號檢測技術來提取水下目標的聲信號；通過差分GPS技術來給浮標進行高精度實時定位；通過DSP技術進行大基陣數(shù)據(jù)處理；通過無線通訊技術進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可較好地在大范圍海域對水下目標進行檢測、識別、定位和跟蹤。

　　1 系統(tǒng)設計思想

　　為了使系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、通用性和可移植性強，采用模塊化、分層級連化思想進行系統(tǒng)的結構和軟件硬件設計；為了使系統(tǒng)滿足應用靈活和應用范圍擴展性的要求，在總線設計、軟硬件設計、結構設計等方面嚴格依據(jù)標準化規(guī)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，同時考慮使系統(tǒng)滿足體積小、重量輕和功耗低等實際需要。

　　2 系統(tǒng)設計方案

　　本文設計的電子浮標系統(tǒng)是以DSP芯片為中心的全數(shù)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無線數(shù)據(jù)鏈路完成。整個系統(tǒng)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(jiān)測中心，一般安裝在浮標附近的移動或固定平臺上，主要完成對濕端傳來的目標數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)對目標監(jiān)視跟蹤等功能，它由高性能工控機、無線通訊器和數(shù)字錄音機等組成。干擾可通過無線指令對濕端浮標進行狀態(tài)（工作狀態(tài)/待機狀態(tài)）切換、水聽器陣收放操作以及各種算法相關參數(shù)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，通過并行數(shù)字信號處理器對信號延時進行估計，以此對目標進行定位。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指令后，就實時通過水聽器陣提取聲信號。該信號經(jīng)過前置低噪放大、濾波和A/D變換后，進行數(shù)字信號相關處理而獲得精確的信號延時估計值，進而對目標進行定位解算；電子浮標通過GPS接收機給水聽器陣同步定時；目標原始數(shù)字信息和解算后的位置信息經(jīng)過編碼處理通過無線數(shù)傳模塊傳輸?shù)礁啥吮O(jiān)濁中心進行存儲和目標監(jiān)視、跟蹤及識別。

　　2.1.1 前置預處理模塊

　　為了能夠實現(xiàn)目標定位功能，水聽器陣選用合成系統(tǒng)限公司的T122偵察水聽器陣，該陣由2×6個高靈敏度的水聽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，水聽器輸入端的信噪比很低，為了進行A/D轉換，在前置預處理模塊中必須對信號進行放大和濾波處理。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(shù)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態(tài)限制在-5V～+5V范圍內，從而滿足進行A/D轉換的需要。這里AGC自身的動態(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(shù)字信號進入水聲信號處理模塊進行進一步處理。