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聲學浮標多功能的設(shè)計與實現(xiàn)
浮標有無線電數(shù)據(jù)傳輸通道和水聲測量通道，主要利用無線電傳輸實測數(shù)據(jù)及控制命令，以下是小編搜集整理一篇相關(guān)論文范文，歡迎閱讀參考。
1引言
海上試驗專用聲學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，在海上試驗中得到了廣泛的應(yīng)用。研究浮標多功能設(shè)計技術(shù)，在不增加體積的條件下，使其能實現(xiàn)更多的功能，規(guī)范浮標的設(shè)計技術(shù)和方法，對提高浮標的可靠性，節(jié)省存放空間、降低經(jīng)費，意義深遠。近幾年，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路、DSP、FPGA設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，可以利用軟件動態(tài)改變部件內(nèi)部配置進行電路重構(gòu)以實現(xiàn)系統(tǒng)的各種不同用途[1],這些技術(shù)的應(yīng)用使海上試驗聲學浮標的多功能設(shè)計成為可能。
2聲學浮標的結(jié)構(gòu)組成及信號分析
2.1浮標的總體結(jié)構(gòu)
試驗聲學浮標采用積木式結(jié)構(gòu)，由天線段、支撐桿、浮體、水下電子艙和水聽器及電纜等構(gòu)成。其中水下電子艙內(nèi)設(shè)有控制單元、水聲信號處理單元、無線通信鏈模塊和DGPS接收機、可充電電池、存儲單元等電子設(shè)備。天線段部分架設(shè)DGPS天線、無線通信天線和航標燈。浮標結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
2.2浮標的基本功能
浮標的基本功能：
1)自身DGPS定位功能;2)具有與測量基站無線通信的能力;3)具有對水下目標水聲測量、通信的一種或多種專門的能力。
2.3聲學浮標的信號
浮標有無線電數(shù)據(jù)傳輸通道和水聲測量通道，主要利用無線電傳輸實測數(shù)據(jù)及控制命令，用聲傳感器實測和傳遞水下數(shù)據(jù)。水聲信號有輸入輸出兩個部分，因測量頻率不同還有多個頻段，有多路輸入輸出的要求�？赡苡卸鄠�模擬輸入，如矢量水聽器有VX、VY兩路輸入，雙水聽器時有P1、P2兩路聲壓輸入。也可能有數(shù)字信號輸入，如壓力傳感器、方位儀數(shù)據(jù)等，數(shù)字輸入可以合成一路傳輸。模擬輸出一般為一路，但可能有輔助測量信號，這樣就可能為兩路模擬信號。
2.4浮標的水聲信號流程
一般浮標水聽器接收的聲信號首先經(jīng)前放接收機預處理。前放與水聽器硫化在一起，有一定的放大增益。接收機包括濾波和放大功能，濾波器頻率范圍為幾百赫茲到幾十千赫茲，放大增益較大。然后到達ADC、DSP處理電路，由16bit高精度ADC和兩片TMS320VC5402構(gòu)成水聲信號處理器子系統(tǒng)。信號處理子系統(tǒng)的主要任務(wù)為：
1)檢測信號并測量到達時刻，爭取實現(xiàn)盡可能低的檢測閾，以便有盡可能遠的作用距離。
2)可以跟蹤多目標。信號經(jīng)處理后形成結(jié)果保存在中心處理單元并由無線電數(shù)據(jù)發(fā)送回基站。
3)多路水聲輸入輸出信號的處理。
發(fā)送的信號由水聲DSP產(chǎn)生經(jīng)DAC、發(fā)射機、功放電路到發(fā)射換能器發(fā)射。其中功放電路功率較大，需占用一定的空間。模擬信號可能是多路的，必須有不同的放大通道及ADC、DAC電路。一般聲學浮標信號流程框圖如圖2所示。
3浮標多功能設(shè)計
目前大多數(shù)浮標都是專用浮標，一種浮標只有一種特定的功能。沒有多功能浮標的原因在于浮標功能多浮標體積勢必做得很大，影響使用，而且多功能在技術(shù)上融合難度大，沒有專用浮標專門設(shè)計簡單，配屬的單位也不同，這樣導致已有擬建的浮標系統(tǒng)很多，形成資源的浪費。在不增加浮標的體積下，實現(xiàn)浮標多種用途的途徑就是浮標的多功能設(shè)計。
3.1浮標多功能設(shè)計定義
浮標多功能設(shè)計是指不改變浮標的總體結(jié)構(gòu)和硬件主要配置，通過改變外設(shè)配置、內(nèi)部電路部件選擇、DSP及軟件配置而使浮標實現(xiàn)水聲不同頻段水聲通信、應(yīng)答、不同類型目標信號測量跟蹤等功能，其不同的功能主要是通過改變水聲信號處理單元的配置而實現(xiàn)。浮標多功能的實現(xiàn)流程如圖3所示。
3.2整體電氣結(jié)構(gòu)配置
為確保多功能配置的方便性，必須采用模塊化、通用化設(shè)計，做到總線接口標準，特定模塊、通用模塊分開。內(nèi)部電氣整體結(jié)構(gòu)采用104總線寶塔型結(jié)構(gòu)。各功能模塊完成特定的功能，主要由如下模板組成：
GPS接收及無線通信板，電源板，主控及數(shù)據(jù)處理板，水聲處理板，前置及放大器板等組成，見圖2.GPS接收及無線通信板，電源板，主控及數(shù)據(jù)處理板為基本電路板，水聲輸入處理板，水聲輸出處理板，前置及放大器板為系統(tǒng)可選部件，按需求安裝或通過主控軟件選擇配置。浮標功能由不同的水聲處理軟件及不同的硬件配置實現(xiàn)。
其中DGPS、定位、授時同步、無線擴頻通信、電源控制、中心控制單元、數(shù)據(jù)儲存部件為系統(tǒng)基本模塊，主要完成浮標自身定位、系統(tǒng)時間同步、無線電數(shù)傳、電源控制、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)配置控制等功能。水聲DSP、ADC、DAC、接收機、發(fā)射機為內(nèi)部可選擇配置部件，完成水聲測量和發(fā)送、信號預處理、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、水聲信號處理、測量頻段選擇、測量方式選擇、信號檢測方法控制等功能，其中水聲DSP由現(xiàn)場配置，接收及發(fā)射部分可在浮標體內(nèi)部選擇。功放和接收水聽器或發(fā)射換能器為浮標外部可選擇部件，根據(jù)試驗要求通過電纜連接于浮標外部，完成水聲信號的功率放大、接收和發(fā)送。
4聲學浮標多功能的技術(shù)實現(xiàn)
4.1浮標多功能的共同部件設(shè)計
共同部件指無需再配置部分，為浮標的基本組成之一，此部分以中心處理單元為核心，除實現(xiàn)定位、數(shù)傳、時間同步、處理、存儲等功能外，還實現(xiàn)對水聲測量的配置、部件選擇控制、電源分配控制等功能，即確定浮標水聲測量模式。主要由DSP中心處理器、CF儲存卡、DGPS定位守時、通信部件、門控電路組成。水聲測量功能實現(xiàn)軟件(主要為聲學DSP、FPGA配置軟件)全部放在CF卡上，系統(tǒng)接收控制指令把某特定功能軟件調(diào)出配置在聲學處理板上以實現(xiàn)水聲測量功能。設(shè)計無需再述。中心處理單元軟件主要工作流程如圖4所示。
4.2浮標聲信號處理部分設(shè)計
聲信號處理板是浮標多功能設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵，主要由聲學信號處理DSP、數(shù)據(jù)接口FPGA電路、DAC、ADC、水聲信號調(diào)理放大電路、水聲發(fā)射及接收電路組成。對于水聲測量，DAC、ADC的時間同步周期為100kHz已足夠，放大電路可采用寬帶電路，覆蓋低頻到高頻帶。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
該部分設(shè)計的關(guān)鍵在于水聲DSP處理軟件和SRAMFPGA的配置軟件，用存在控制中心CF卡上的水聲處理軟件對水聲信號處理DSP進行重編程，由相應(yīng)的FPGA配置軟件對數(shù)據(jù)接口SRAMFPGA進行重配置，即可改變系統(tǒng)的水聲處理功能，使該部分獲得專用的水聲測量的能力。該部分需要完成如下兩部分功能：對輸入輸出通道的配置控制，對相應(yīng)水聲數(shù)據(jù)進行處理。系統(tǒng)的配置的流程如圖6所示。
水聲DSP數(shù)據(jù)處理軟件為專用軟件，不同的水聲功能配套有不同的處理軟件，其處理的信號形式到最終的結(jié)果都是不同的，但最后的數(shù)據(jù)流都向主控中心發(fā)送。圖7是某測量系統(tǒng)聲學DSP的信號處理部分流程。SRAMFPGA的重新配置也不復雜，主要對其CONF-DON、nSTATUS、nCONFIG引腳的讀寫控制，數(shù)據(jù)通過DATA0引腳寫入，時序通過DCLK電路引入即可。該部分主要完成輸入輸出的連接的選擇。
4.3聲學外部可選擇部件及連接插頭的設(shè)計
外部可選擇部件包括電纜、前(功)放、水聽器(換能器)等，一般的換能器連接較為簡單，特殊的如被動測量矢量換能器、大功率發(fā)射換能器等可以把相關(guān)外測電路、功放電路和水聽器做在一起，或增加輔助電子艙，把壓力傳感器、功放電路、方位儀放在一起。以實現(xiàn)其外部的特殊功能，減少浮標的內(nèi)部體積。故必須對浮標的電纜外接頭的引腳進行規(guī)范，定義1~8腳為聲模擬信號輸入腳，9~12為數(shù)字、模擬電源腳，13~14數(shù)字信號角，15~19為聲模擬信號輸出腳等。
5結(jié)語
文章論述了海上試驗聲學浮標由單一功能轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ艿脑O(shè)計方法。利用現(xiàn)代電子技術(shù)，對試驗聲學浮標的DSP進行重編程、FPGA進行重配置，使浮標功能在現(xiàn)場可改變，使浮標由單一水聲測量功能發(fā)展成為可以兼顧多種水聲測量功能，解決了浮標數(shù)量過多，放置、使用不便的問題。(圖表略)
參考文獻
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