1水聲信號處理簡介及其發(fā)展概況

水聲信號處理是指由于海洋中存在著噪聲和混響干擾,要提高聲吶探測作用距離,就必須提高從干擾背景中檢測信號的能力,這樣在水聲學(xué)中就出現(xiàn)了水聲信號處理。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用統(tǒng)計決策論、信息論等理論以及各種數(shù)字信號處理技術(shù)對發(fā)射和接收信號進行技術(shù)處理,從而達到提高水聲通信質(zhì)量、可靠性及保密性的目的。

聲吶設(shè)備作為現(xiàn)代艦船探測水下目標的重要手段,在軍用和民用等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。水聲信號處理技術(shù)從20世紀80年代進入快速發(fā)展階段,按照更切合實際的畸變水聲信道模型進行匹配處理,并探討將匹配場技術(shù)用于水聲定位,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于目標識別,在時間處理中利用高階矩信息等。信號處理系統(tǒng)逐漸從硬件為主過渡到軟件為主,從分別實現(xiàn)的分系統(tǒng)發(fā)展為由計算機控制的綜合系統(tǒng)。

2數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理是將通信信號以數(shù)字方式進行表示以及處理的理論和技術(shù),一般采用數(shù)字信號處理器(DSP,digitalSignalproceSSor)進行模擬信號處理。DSP是專門用于某些數(shù)字信號處理任務(wù)的微處理器,一般由集成電路芯片構(gòu)成。隨著世界科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,集成電路技術(shù)和數(shù)字信號處理算法得到了極大的發(fā)展,DSP正向著高集成度和高計算性能方向發(fā)展,在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前,水聲領(lǐng)域中聲吶探測設(shè)備正逐漸向大運算量、強實時性及小型化等方向發(fā)展,對高計算性能、高集成度DSP的需求日益提高。基于此,國內(nèi)很多研究者對DSP在水聲領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了深入的研究。

3DSP在我國水聲領(lǐng)域中應(yīng)用的研究進展

實時數(shù)字信號處理是聲吶系統(tǒng)中的重要組成部分,通過對水聲信號的分析處理完成對目標的搜尋和測量。處理過程不僅計算任務(wù)繁重,I/o數(shù)據(jù)率高,而且數(shù)據(jù)流分支較多,給設(shè)計帶來了一定困難。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王昆等[2]介紹了用DSP處理器陣列進行水聲信號實時數(shù)字處理的實現(xiàn)方案,并著重介紹了其中的流水線并行處理。

海軍工程大學(xué)劉千里等[3]根據(jù)波束形成的技術(shù)要求和信號處理任務(wù),設(shè)計并確定了波束形成系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案。整個系統(tǒng)的硬件是以DSP和CPLD為核心,DSP主要用于數(shù)學(xué)運算。該系統(tǒng)具有可擴展、易于構(gòu)成并行系統(tǒng)的特點,方便實現(xiàn)各種波束形成算法。

西安精密機械研究所水下信息處理與控制國家重點實驗室王海陸等[4]闡述了基于ADSPTS101S的聲吶數(shù)字信號處理機的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。首先詳細介紹了所設(shè)計的數(shù)字信號處理機的硬件電路結(jié)構(gòu)及其強大的處理能力,然后敘述了程序設(shè)計流程及主控軟件設(shè)計流程。該數(shù)字信號處理機采用3片ADSPTS101S,其通信采用鏈路口互聯(lián)方式,大大提高了系統(tǒng)的實時性。此外,其工作模式和系統(tǒng)參數(shù)可以通過主控計算機設(shè)置,方便用戶使用。消聲水池試驗結(jié)果表明,該DSP設(shè)備能夠滿足聲吶信號的處理需求。

為了測量聲吶發(fā)射有效電功率,大連大學(xué)李澤光設(shè)計了聲吶發(fā)射有效電功率測量實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DSP來實現(xiàn)計算算法及數(shù)據(jù)運算。實驗結(jié)果表明,該測試系統(tǒng)能夠很好地完成聲吶發(fā)射有效電功率的測量。

傳統(tǒng)的聲吶設(shè)計,采用專用硬件配以專用軟件實現(xiàn)實時信號處理,開發(fā)周期長,可靠性、可維修性較低,利用通用信號處理平臺實現(xiàn)數(shù)字聲吶設(shè)計是今后的一種發(fā)展方向。中國海洋開發(fā)研究中心欒經(jīng)德等提出了一種新型數(shù)字聲吶的仿真設(shè)計方法。研究者利用通用信號處理平臺,按照50%冗余設(shè)計,完成了48路圓柱型基陣主動聲吶的實時仿真設(shè)計。通過該仿真設(shè)計實例,說明數(shù)字聲吶可以方便地采用通用信號處理平臺來實現(xiàn)。

聲吶陣元域仿真可用于聲吶裝備性能測試、模擬訓(xùn)練與作戰(zhàn)效能研究等。針對仿真系統(tǒng)的開放性需求,海軍工程大學(xué)王希敏等搭建了DSP并行處理系統(tǒng)來完成聲吶陣元域信號仿真。研究者采用了時延隱藏方式對DSP間的數(shù)據(jù)通信進行了設(shè)計。研究結(jié)果表明,這些設(shè)計滿足了實時性能和通用性能的要求。

針對水聲對抗中單收多發(fā)尺度目標模擬器模擬回波與真實潛艇回波存在著較大差異,昆明船舶設(shè)備研究試驗中心趙俊杰介紹了一種基于DSP的多點實時收發(fā)尺度目標模擬器的實現(xiàn)方法,采用多點收發(fā)方式,多通道信號并行實時檢測處理,改善了上述存在差異的程度。

針對單一圖像識別系統(tǒng)和單一聲吶識別系統(tǒng)對事物特征值數(shù)據(jù)量采集的不足造成識別誤差這一缺陷,南京理工大學(xué)王茂森等從仿生學(xué)中蝙蝠眼睛依舊存在的角度考慮設(shè)計了一種基于FPGA+DSP的聲吶圖像傳感融合系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA發(fā)射聲吶信號與采集回波,并將預(yù)處理的回波數(shù)據(jù)傳給DSP做進一步處理:采用CCD攝像頭仿蝙蝠的眼睛采集圖像數(shù)據(jù),最后將采集到的聲吶數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)在DSP中進行進一步的算法處理,最終輸出人耳能夠識別的信號,借助于人腦參與分析識別,并對前方探測物做出規(guī)避動作。

針對多核并行機制下,共享資源爭奪激烈,硬件能力提升難以切實轉(zhuǎn)變成程序效率提高的難題,杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所聲吶技術(shù)國家重點實驗室汲夏等通過協(xié)調(diào)存儲器訪存和核間同步等關(guān)鍵問題,研究了一種基于C6678多核DSP的聲吶信號多級并行處理方法,包括核間流水線設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸與中央處理器并行設(shè)計和指令流線設(shè)計。以聲吶二維相控方位濾波為例,介紹各級設(shè)計的實現(xiàn)方法,逐個測試并行性能,并編制實時處理軟件。測試結(jié)果表明,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)存儲器訪問和中央處理器運算并行,極大地提高程序執(zhí)行效率。通過采用該方法開發(fā)的實時處理系統(tǒng),具有集成度高和實時性強的優(yōu)點,獲得了高航速下海中浮球和配重條石清晰的實時成像效果,具有工程應(yīng)用價值。

海上實驗專用聲學(xué)浮標是指布放于海上,具有水聲通信、測量、定位等一種或多種功能的浮標體,由于其在水聲測量方面的簡便性,在海上實驗中得到了廣泛的應(yīng)用。91388部隊丁翠環(huán)等利用現(xiàn)代電子技術(shù),對實驗聲學(xué)浮標的DSP、FPGA進行重新編程和配置,使其在現(xiàn)場功能可變,使聲學(xué)浮標由單一功能到可以兼顧多種功能,可以減少浮標數(shù)量,放置、使用方便,從總體的角度對浮標的多功能設(shè)計技術(shù)進行了全面的論述。

在信息技術(shù)日益成熟的今天,無人平臺在軍事和民用領(lǐng)域都扮演著越來越重要的角色。水下無人航行器探測已經(jīng)成為水聲領(lǐng)域重要的前沿研究方向,高速運算處理能力更是整個系統(tǒng)的核心。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所任宇飛等以多核DSP作為處理核心,提出了一個水下無人平臺探測聲吶架構(gòu)。他們首先對多核DSP性能做了基本介紹,并以幾種基本運算和經(jīng)典波束形成算法作為例子進行了說明,通過性能測試證明了這一架構(gòu)適用于水下無人平臺的實時信號處理。這一多核DSP架構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用在水聲領(lǐng)域中具有一定實用價值。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站石靖鵬等在TI公司OMAP-L137雙核平臺的基礎(chǔ)上,對嵌入式聲學(xué)多普勒測流系統(tǒng)進行了設(shè)計和實現(xiàn),并通過實驗對系統(tǒng)測流精度和性能進行了驗證。他們先通過中頻正交采樣構(gòu)建回波復(fù)包絡(luò)信號,再采用復(fù)相關(guān)算法檢測信號的頻移進行流速測量,并對算法進行了研究和原理分析。OMAP中的DSP核主要負責(zé)回波處理,系統(tǒng)設(shè)計包括系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信、信號處理等。結(jié)合仿真測試,并通過某湖水下實驗對設(shè)備進行了精度和性能驗證,獲得了良好的測流效果,并且系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性,達到了預(yù)期的設(shè)計指標,對于嵌入式平臺水聲設(shè)備的研制有一定的參考價值。

4結(jié)論及展望

綜上所述,DSP在水聲領(lǐng)域內(nèi)探雷、導(dǎo)航、航道測量、制導(dǎo)、引信、水下定位以及海底地質(zhì)測量等方面大有可為。高計算性能、高集成度DSP芯片的研究、開發(fā)及應(yīng)用,將在水聲信號處理方面對我國的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。