一種基于分層級(jí)連DSP陣列技術(shù)的電子浮標(biāo)設(shè)計(jì)

　　和其他水下目標(biāo)探測裝備（如艇殼聲納、拖線陣聲納等）相比，電子浮標(biāo)由于沒有本艦噪聲的影響，對水下目標(biāo)的探測靈敏度高；此外它可通過飛機(jī)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(biāo)組成網(wǎng)絡(luò)，就可對大范圍海域進(jìn)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(biāo)已成 世界海洋國家不惜巨資進(jìn)行開發(fā)的水下目標(biāo)監(jiān)測裝備。

　　本文介紹了一種基于分層級(jí)連DSP陣列技術(shù)的電子浮標(biāo)設(shè)計(jì)方案，該方案通過微弱信號(hào)檢測技術(shù)來提取水下目標(biāo)的聲信號(hào)；通過差分GPS技術(shù)來給浮標(biāo)進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)定位；通過DSP技術(shù)進(jìn)行大基陣數(shù)據(jù)處理；通過無線通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可較好地在大范圍海域?qū)λ履繕?biāo)進(jìn)行檢測、識(shí)別、定位和跟蹤。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

　　為了使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、通用性和可移植性強(qiáng)，采用模塊化、分層級(jí)連化思想進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件硬件設(shè)計(jì)；為了使系統(tǒng)滿足應(yīng)用靈活和應(yīng)用范圍擴(kuò)展性的要求，在總線設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范；為了適應(yīng)海洋惡劣的操作環(huán)境，在結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)中充分借鑒便攜式和插件式設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮使系統(tǒng)滿足體積小、重量輕和功耗低等實(shí)際需要。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本文設(shè)計(jì)的電子浮標(biāo)系統(tǒng)是以DSP芯片為中心的全數(shù)字、模塊化結(jié)構(gòu)，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(gè)系統(tǒng)的工作模型如圖1所示。濕端是由電子浮標(biāo)和之相連的水聽器陣組成，主要完成對目標(biāo)聲信號(hào)的檢測和先期處理；干端即監(jiān)測中心，一般安裝在浮標(biāo)附近的移動(dòng)或固定平臺(tái)上，主要完成對濕端傳來的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)監(jiān)視跟蹤等功能，它由高性能工控機(jī)、無線通訊器和數(shù)字錄音機(jī)等組成。干擾可通過無線指令對濕端浮標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)（工作狀態(tài)/待機(jī)狀態(tài)）切換、水聽器陣收放操作以及各種算法相關(guān)參數(shù)設(shè)置等控制。本文主要介紹濕端電子浮標(biāo)信號(hào)處理方面的設(shè)計(jì)方法，有關(guān)浮標(biāo)的浮力結(jié)構(gòu)、配重等方面的設(shè)計(jì)以及干端部分的設(shè)計(jì)方法從略，請參見文獻(xiàn)[1]。

　　2.1 電子浮標(biāo)的組成和工作原理

　　電子浮標(biāo)的主要功能是檢測水下目標(biāo)的微弱聲信號(hào)，通過并行數(shù)字信號(hào)處理器對信號(hào)延時(shí)進(jìn)行估計(jì)，以此對目標(biāo)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(dāng)電子標(biāo)接收到干端啟動(dòng)指令后，就實(shí)時(shí)通過水聽器陣提取聲信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過前置低噪放大、濾波和A/D變換后，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)相關(guān)處理而獲得精確的信號(hào)延時(shí)估計(jì)值，進(jìn)而對目標(biāo)進(jìn)行定位解算；電子浮標(biāo)通過GPS接收機(jī)給水聽器陣同步定時(shí)；目標(biāo)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(jìn)行存儲(chǔ)和目標(biāo)監(jiān)視、跟蹤及識(shí)別。

　　2.1.1 前置預(yù)處理模塊

　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)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(gè)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(nèi)產(chǎn)生固定的波束角度。由于水下目標(biāo)的聲信號(hào)往往很弱（0級(jí)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(qiáng)，水聽器輸入端的信噪比很低，為了進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在前置預(yù)處理模塊中必須對信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理。前置預(yù)處理模塊的組成框圖如圖3所示。采用分級(jí)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(biāo)信號(hào)；采用AGC放大是為了將信號(hào)的動(dòng)態(tài)限制在-5V～+5V范圍內(nèi)，從而滿足進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(shù)字信號(hào)進(jìn)入水聲信號(hào)處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。