聲納脈沖偵察模塊的硬件設計及實現

摘　要：介紹了聲納脈沖偵察模塊的測向測距原理、硬件設計及其實現。聲納脈沖偵察模塊硬件電路以數字信號處理器為核心,通過可編程門陣列實現邏輯控制,再配以適當的片外存儲器及其它外圍電路,從而構成一個嵌入式系統。通過對設計需求的分析,提出了設計思路,給出了設計的具體方案。本模塊已通過各項指標測試,工作穩定、性能優良。

關鍵詞：聲納脈沖偵察 測向測距 數字信號處理器 可編程門陣列

測定水下以及水面目標的位置是聲納系統的重要任務,目標的位置由目標的弦角(或方位角)和距離決定。聲納脈沖偵察模塊作為聲納偵察系統的一部分,擔負著測向和測距的任務。聲納脈沖偵察模塊通過測定三路信號的時延差以及時延差的差來測定目標的方位和距離。

隨著電子技術的發展,水聲設備也加速了更新換代的步伐。水聲設備的發展方向應該是現代化、小型化、智能化,一些原來用硬件實現的功能可以由軟件來完成,這為功能的更新和發展提供了極大的便利。正是順應這一趨勢,作者結合實際進行了聲納脈沖模塊的改造。如圖1所示,聲納脈沖偵察模塊可以分為兩大部分:模擬部分和數字部分?，F只就聲納脈沖偵察模塊數字部分的設計進行闡述。下面介紹聲納脈沖偵察模塊的測向測距原理、硬件設計及其實現。

圖1 聲納脈沖偵察模塊系統框圖

1 聲納脈沖偵察模塊測向測距原理

目前,被動測距聲納主要有兩種類型:共形陣和拖曳式線列陣,它們都是直線陣。共形陣在艦艇殼體上配置三對(左、右舷側各三個)子陣。陣元的布放可分為對稱陣和非對稱陣。對稱陣的三個陣元在直線上等間距布放,非對稱陣的三個陣元的間距之比是1:2。對于三元陣來說,對稱陣和非對稱陣的測向、測距原理是相同的。由于陣型的差異,非對稱陣和對稱陣在測距計算、距離模糊的范圍、時延測量誤差對測距誤差的影響等方面也存在差異。
 
下面以非對稱陣為例給出測向測距原理[1～2]。如圖2所示,設三元非對稱陣首中陣元的間距為d,目標方位角為θ,目標到各陣元的距離分別為r1、r2、r3,其中,r2為要測定的目標距離r。

圖2 三元非對稱陣測向及測距模型

在極坐標系中,設目標的坐標為S(r,θ),三個陣元的坐標分別為1:(d,0),2:(0,0),3:(2dπ),聲速為c,目標信號到達各個陣元的時延差分別為τ12、τ23、τ13。其中,τ12表示陣元1、2接收信號的時間差,τ23表示陣元2、3接收信號的時間差,陣元1、3接收信號的時間差τ13為τ12和τ23兩者之和。稍加分析和推導可得到在遠場的目標方位的近似公式為:

2 設計需求分析

2.1 聲納脈沖偵察模塊的主要任務

聲納脈沖偵察模塊需要完成的任務主要為:在搜索狀態下實時檢測聲納脈沖的到達,并快速測量聲納脈沖的頻率和目標的方位;在跟蹤狀態下,進一步解算出目標的距離以及聲納脈沖的重復周期,給出置信度。

2.2 輸入輸出接口

聲納脈沖模塊的輸入信息包括:左右舷的艏、舯、艉共六路已放大濾波的陣元信號;存儲在EPROM中的陣長、水聽器陣基線和艦艇的艏艉線之間的夾角和誤差修正表;實時測得的水中聲音的傳播速度;跟蹤命令。輸出信息包括:搜索狀態和跟蹤狀態顯示信息;解算出的頻率、方位、距離等數據;故障自檢結果。

2.3 軟件對硬件的要求

按照偵察模塊功能要求,系統軟件的工作主要由三個進程構成,如圖3所示。系統平時工作在實時檢測進程;一旦檢測到聲納脈沖,系統就進入數據存儲進程,將由模/數轉換器輸入的數據存入存儲器;完成數據存儲之后進入數據解算進程,解算之后的結果輸出給顯控臺,然后重新進入檢測進程。上述過程將一直循環往復。

圖3 系統工作進程圖

2.3.1 實時檢測計算量
 
在實時檢測進程中,外部六路陣元輸入信號由模/數轉換器進行同步并行采樣。根據系統要求,每路采樣頻率為1MHz。數字信號處理器在進行實時檢測時要對數據進行降采樣處理,使采樣頻率降為100kHz。數字信號處理器對其中的四路信號(左右舷的艏艉通道)進行實時自適應線譜增強(ALE)運算,以檢測聲納脈沖。根據算法分析,計算單路ALE約需要300個指令周期,四通道共需1200個指令周期,若采樣頻率為100kHz,則數字信號處理器的運算能力應大于120MIPS。

2.3.2 數據存儲量

當檢測到信號時,數字信號處理器開始將六路數據中的三路(左舷或右舷的艏、舯、艉陣元)存入數據存儲器中。存儲單元的大小是由解算所需的最大數據量、系統的采樣速率、三路信號間的最大延時等因素決定的。假設陣長D＝45m,取聲速c＝1500m/s,則在