DSP在水声领域中应用的研究进展

1水声信号处理简介及其发展概况

水声信号处理是指由于海洋中存在着噪声和混响干扰,要提高声呐探测作用距离,就必须提高从干扰背景中检测信号的能力,这样在水声学中就出现了水声信号处理。现在广泛应用统计决策论、信息论等理论以及各种数字信号处理技术对发射和接收信号进行技术处理,从而达到提高水声通信质量、可靠性及保密性的目的。

声呐设备作为现代舰船探测水下目标的重要手段,在军用和民用等许多领域有着广泛的应用。水声信号处理技术从20世纪80年代进入快速发展阶段,按照更切合实际的畸变水声信道模型进行匹配处理,并探讨将匹配场技术用于水声定位,将神经网络理论用于目标识别,在时间处理中利用高阶矩信息等。信号处理系统逐渐从硬件为主过渡到软件为主,从分别实现的分系统发展为由计算机控制的综合系统。

2数字信号处理

数字信号处理是将通信信号以数字方式进行表示以及处理的理论和技术,一般采用数字信号处理器(DSP,digitalSignalproceSSor)进行模拟信号处理。DSP是专门用于某些数字信号处理任务的微处理器,一般由集成电路芯片构成。随着世界科学技术的快速发展,集成电路技术和数字信号处理算法得到了极大的发展,DSP正向着高集成度和高计算性能方向发展,在很多领域都得到了广泛应用。当前,水声领域中声呐探测设备正逐渐向大运算量、强实时性及小型化等方向发展,对高计算性能、高集成度DSP的需求日益提高。基于此,国内很多研究者对DSP在水声领域中的应用进行了深入的研究。

3DSP在我国水声领域中应用的研究进展

实时数字信号处理是声呐系统中的重要组成部分,通过对水声信号的分析处理完成对目标的搜寻和测量。处理过程不仅计算任务繁重,I/o数据率高,而且数据流分支较多,给设计带来了一定困难。中国科学技术大学王昆等[2]介绍了用DSP处理器阵列进行水声信号实时数字处理的实现方案,并着重介绍了其中的流水线并行处理。

海军工程大学刘千里等[3]根据波束形成的技术要求和信号处理任务,设计并确定了波束形成系统的硬件设计方案。整个系统的硬件是以DSP和CPLD为核心,DSP主要用于数学运算。该系统具有可扩展、易于构成并行系统的特点,方便实现各种波束形成算法。

西安精密机械研究所水下信息处理与控制国家重点实验室王海陆等[4]阐述了基于ADSPTS101S的声呐数字信号处理机的设计原理和实现方法。首先详细介绍了所设计的数字信号处理机的硬件电路结构及其强大的处理能力,然后叙述了程序设计流程及主控软件设计流程。该数字信号处理机采用3片ADSPTS101S,其通信采用链路口互联方式,大大提高了系统的实时性。此外,其工作模式和系统参数可以通过主控计算机设置,方便用户使用。消声水池试验结果表明,该DSP设备能够满足声呐信号的处理需求。

为了测量声呐发射有效电功率,大连大学李泽光设计了声呐发射有效电功率测量实验系统。该系统采用DSP来实现计算算法及数据运算。实验结果表明,该测试系统能够很好地完成声呐发射有效电功率的测量。

传统的声呐设计,采用专用硬件配以专用软件实现实时信号处理,开发周期长,可靠性、可维修性较低,利用通用信号处理平台实现数字声呐设计是今后的一种发展方向。中国海洋开发研究中心栾经德等提出了一种新型数字声呐的仿真设计方法。研究者利用通用信号处理平台,按照50%冗余设计,完成了48路圆柱型基阵主动声呐的实时仿真设计。通过该仿真设计实例,说明数字声呐可以方便地采用通用信号处理平台来实现。

声呐阵元域仿真可用于声呐装备性能测试、模拟训练与作战效能研究等。针对仿真系统的开放性需求,海军工程大学王希敏等搭建了DSP并行处理系统来完成声呐阵元域信号仿真。研究者采用了时延隐藏方式对DSP间的数据通信进行了设计。研究结果表明,这些设计满足了实时性能和通用性能的要求。

针对水声对抗中单收多发尺度目标模拟器模拟回波与真实潜艇回波存在着较大差异,昆明船舶设备研究试验中心赵俊杰介绍了一种基于DSP的多点实时收发尺度目标模拟器的实现方法,采用多点收发方式,多通道信号并行实时检测处理,改善了上述存在差异的程度。

针对单一图像识别系统和单一声呐识别系统对事物特征值数据量采集的不足造成识别误差这一缺陷,南京理工大学王茂森等从仿生学中蝙蝠眼睛依旧存在的角度考虑设计了一种基于FPGA+DSP的声呐图像传感融合系统。该系统采用FPGA发射声呐信号与采集回波,并将预处理的回波数据传给DSP做进一步处理:采用CCD摄像头仿蝙蝠的眼睛采集图像数据,最后将采集到的声呐数据与图像数据在DSP中进行进一步的算法处理,最终输出人耳能够识别的信号,借助于人脑参与分析识别,并对前方探测物做出规避动作。

针对多核并行机制下,共享资源争夺激烈,硬件能力提升难以切实转变成程序效率提高的难题,杭州应用声学研究所声呐技术国家重点实验室汲夏等通过协调存储器访存和核间同步等关键问题,研究了一种基于C6678多核DSP的声呐信号多级并行处理方法,包括核间流水线设计、数据传输与中央处理器并行设计和指令流线设计。以声呐二维相控方位滤波为例,介绍各级设计的实现方法,逐个测试并行性能,并编制实时处理软件。测试结果表明,该方法能够实现存储器访问和中央处理器运算并行,极大地提高程序执行效率。通过采用该方法开发的实时处理系统,具有集成度高和实时性强的优点,获得了高航速下海中浮球和配重条石清晰的实时成像效果,具有工程应用价值。

海上实验专用声学浮标是指布放于海上,具有水声通信、测量、定位等一种或多种功能的浮标体,由于其在水声测量方面的简便性,在海上实验中得到了广泛的应用。91388部队丁翠环等利用现代电子技术,对实验声学浮标的DSP、FPGA进行重新编程和配置,使其在现场功能可变,使声学浮标由单一功能到可以兼顾多种功能,可以减少浮标数量,放置、使用方便,从总体的角度对浮标的多功能设计技术进行了全面的论述。

在信息技术日益成熟的今天,无人平台在军事和民用领域都扮演着越来越重要的角色。水下无人航行器探测已经成为水声领域重要的前沿研究方向,高速运算处理能力更是整个系统的核心。中国科学院声学研究所任宇飞等以多核DSP作为处理核心,提出了一个水下无人平台探测声呐架构。他们首先对多核DSP性能做了基本介绍,并以几种基本运算和经典波束形成算法作为例子进行了说明,通过性能测试证明了这一架构适用于水下无人平台的实时信号处理。这一多核DSP架构的设计和应用在水声领域中具有一定实用价值。

中国科学院声学研究所东海研究站石靖鹏等在TI公司OMAP-L137双核平台的基础上,对嵌入式声学多普勒测流系统进行了设计和实现,并通过实验对系统测流精度和性能进行了验证。他们先通过中频正交采样构建回波复包络信号,再采用复相关算法检测信号的频移进行流速测量,并对算法进行了研究和原理分析。OMAP中的DSP核主要负责回波处理,系统设计包括系统控制、数据通信、信号处理等。结合仿真测试,并通过某湖水下实验对设备进行了精度和性能验证,获得了良好的测流效果,并且系统具有很好的稳定性,达到了预期的设计指标,对于嵌入式平台水声设备的研制有一定的参考价值。

4结论及展望

综上所述,DSP在水声领域内探雷、导航、航道测量、制导、引信、水下定位以及海底地质测量等方面大有可为。高计算性能、高集成度DSP芯片的研究、开发及应用,将在水声信号处理方面对我国的技术发展产生积极的影响。