相控陣聲學多普勒計程儀應用程序開發(fā)

郭冉 夏明（第七一五研究所，杭州，310023）

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相控陣聲學多普勒計程儀應用程序開發(fā)

郭冉 夏明
（第七一五研究所，杭州，310023）

摘要介紹了VxWorks操作系統(tǒng)下，相控陣聲學多普勒計程儀信號處理應用程序的開發(fā)。湖試中，采用高精度的差分GPS作為比對設(shè)備，驗證了方案的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞相控陣聲學多普勒計程儀；VxWorks操作系統(tǒng)；應用程序開發(fā)

聲學多普勒計程儀是利用聲學多普勒效應獲取載體（通常為水下運載器）三維運動速度的設(shè)備。其具有大深度、高精度等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外水下航行器常用的導航設(shè)備。采用相控技術(shù)的聲學多普勒計程儀，可以從原理上消除聲速帶來的誤差，其四個波束的指向性、波束寬度以及換能器的參數(shù)和靈敏度也可以保持高度一致，而且，在同樣聲性能情況下，采用相控技術(shù)還可以減小聲吶基陣的尺寸和重量。本文介紹了在VxWorks操作系統(tǒng)平臺下對相控陣聲學多普勒計程儀的信號處理應用軟件的開發(fā)。

1　硬件平臺及開發(fā)環(huán)境簡介

本文中應用程序的開發(fā)建立在以PowerPC G4處理器為核心的信號處理硬件平臺之上。PowerPC G4采用Motorola公司的MPC7410 RISC微處理器，其時鐘高達500 MHz，并且具有高性能的矢量運算單元，有利于大批量數(shù)據(jù)的處理，能夠滿足系統(tǒng)實時性的要求[1]。

相控陣聲學多普勒計程儀通過主動發(fā)射聲信號并且對采集到的回波信號進行處理，得到底跟蹤的信息，其硬件架構(gòu)如圖1所示。上位機和信號處理板有三種接口方式可供選擇：網(wǎng)絡(luò)、串口和CAN，本文以網(wǎng)絡(luò)通信為例介紹其開發(fā)過程。

圖1　系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

信號處理板接收來自上位機的開機命令后，通過FPGA產(chǎn)生相應脈寬的編碼信號，通過發(fā)射電路完成發(fā)射。發(fā)射結(jié)束后，回波信號經(jīng)過前置預處理、AD采集、搬移到特定的緩存中。G4處理器將8路AD信號通過波束形成算法形成四個波束，然后經(jīng)過復解調(diào)、降采樣、滑動窗搜底、復相關(guān)算法測頻等一系列步驟得到底跟蹤的深度和速度信息。

本文以VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)為平臺進行信號處理應用軟件的開發(fā)。VxWorks是一款用于實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的軟件，具有實時性強、支持多任務、體積小、可裁剪等特點。其開發(fā)環(huán)境Tornado為風河公司推出的圖形化開發(fā)工具，包括調(diào)試器CrossWind、命令行界面WindShell、資源查看器Browser、模擬器Simulator等。在該環(huán)境中可編譯生成BootRom，創(chuàng)建并配置VxWorks，編輯、編譯、下載和調(diào)試代碼，隨時查看目標機的系統(tǒng)資源[2]。

2　應用程序框架搭建

相控陣聲學多普勒計程儀應用程序主要包括接口程序（在本文中以網(wǎng)絡(luò)通信為例）、控制程序和算法實現(xiàn)程序三部分。接口程序的主要功能是接收來自上位機的命令、將信號處理板的運算結(jié)果上傳到上位機進行顯示以及將采集到的原始回波信號上傳?？刂瞥绦蛑饕强刂瓢l(fā)射信號的脈寬、功率；采集回波信號時選擇合適的時間增益控制曲線；對采集到的回波信號調(diào)用對應的算法實現(xiàn)子函數(shù)并且控制相應的工作周期。算法實現(xiàn)程序主要是對接收到的回波信號進行AD采集、波束形成、復解調(diào)、降采樣濾波、滑動窗搜底和復相關(guān)速度解算。

任務是VxWorks的核心概念，所有任務的運行、交互過程完成了整個VxWorks系統(tǒng)的功能。因此，應用程序框架搭建時，需要考慮系統(tǒng)需求，確立任務的個數(shù)和優(yōu)先級[3]。創(chuàng)建一個新的Tornado工程后系統(tǒng)自動生成一個用戶應用程序初始化函數(shù)，在該函數(shù)中可以進行板卡網(wǎng)口IP綁定、系統(tǒng)時鐘速率設(shè)置等初始化工作，然后程序跳轉(zhuǎn)到用戶程序接口函數(shù)處（用戶程序接口函數(shù)主要是進行任務的創(chuàng)建和激活）。系統(tǒng)創(chuàng)建5個優(yōu)先級不同的任務，其優(yōu)先級設(shè)置和主要功能如表1所示。

表1　系統(tǒng)主要任務

VxWorks中多任務共享一個CPU。操作系統(tǒng)的調(diào)度算法將CPU時間適當分配給各任務，以使多任務協(xié)調(diào)運行。系統(tǒng)采用優(yōu)先級搶占調(diào)度算法，即高級待命狀態(tài)的任務可以搶占正在運行的低級任務，中斷可以搶占任何任務。算法使得高優(yōu)先級任務和中斷處理可以得到及時響應，以保證系統(tǒng)的實時性。

3　應用程序開發(fā)

3.1接口程序開發(fā)

上位機和信號處理板有三種接口方式可供選擇：網(wǎng)絡(luò)、串口和CAN總線，本文以網(wǎng)絡(luò)通信為例介紹其開發(fā)過程。系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式進行工作命令傳達、計算結(jié)果與原始數(shù)據(jù)上傳等數(shù)據(jù)交互。程序在信號處理板上進行網(wǎng)絡(luò)客戶端的開發(fā)。首先調(diào)用socket建立流式套接字，然后調(diào)用connect函數(shù)向服務器端發(fā)起連接請求，建立連接后即可在此套接字上進行數(shù)據(jù)交互。

3.2控制程序開發(fā)

小深度時，采用PING-PONG交替緩存式進行數(shù)據(jù)搬移，而大深度時相控陣聲學多普勒計程儀針對提取到的底回波信號解算速度。水深不同，回波信號的信噪比和到達時間不同，因此需要根據(jù)深度信息設(shè)置合理的發(fā)射脈寬、信號采集長度、發(fā)射功率和時間增益控制曲線。底跟蹤時，通?？梢詮男【嚯x檔向大距離檔分檔依次搜索。但是在大深度情況下，搜索的效率就會降低。因此，本系統(tǒng)設(shè)置淺水工作和深水工作兩種模式：在沒有深度校準值時，默認為淺水工作模式，直接從小功率、短脈寬、小時間增益的最低檔位開始進行底跟蹤搜索；深水工作模式時，可通過顯示控制平臺手動輸入深度校準值，從輸入的校準深度的檔位開始進行底跟蹤搜索。搜索完成后，采用門限法對其有效性進行判斷，如果無效就調(diào)整到下一檔位重新搜索，有效則停留在當前檔。程序的邏輯框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制流程邏輯框圖

3.3算法實現(xiàn)程序開發(fā)

大深度時，原始信號數(shù)據(jù)量很大，采用PING、PONG交替緩存式的數(shù)據(jù)搬移模式無法滿足系統(tǒng)對實時性的要求。因此在采集回波數(shù)據(jù)的時間間隔內(nèi)分批對數(shù)據(jù)進行波束形成、復解調(diào)和降采樣濾波處理，分批處理完成后再將一次發(fā)射對應的回波信號進行拼接。對拼接完整的回波信號進行滑動窗搜底，并截取相應的底回波信號進行復自相關(guān)算法測頻，從而得到該次發(fā)射對應的底跟蹤速度。具體的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3　測頻算法流程框圖

應用程序編譯調(diào)試完成后，可以將創(chuàng)建完成的VxWorks映像文件固化到信號處理模塊內(nèi)的Flash中。設(shè)備上電后，系統(tǒng)完成初始化，應用程序從Flash加載到SDRAM中，設(shè)備就進入到正常工作狀態(tài)。

4　試驗結(jié)果分析

2014年6月在千島湖進行了相控陣聲學多普勒計程儀的精度考核試驗。試驗中采用高精度的差分GPS作為比對設(shè)備，將相控陣聲學多普勒計程儀（DVL）、GPS和羅經(jīng)同時接入工控機，進行實時底跟蹤流速顯示和數(shù)據(jù)存儲，并且確保三者能夠同步記錄數(shù)據(jù)以便于對數(shù)據(jù)進行處理。設(shè)備的實時顯示界面如圖4所示。

圖4　DVL工作顯示界面

試驗結(jié)束后將存儲的DVL數(shù)據(jù)與羅經(jīng)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)進行處理。圖5給出了DVL底跟蹤深度值隨樣本點的變化曲線，根據(jù)工作周期設(shè)置，一個樣本點代表1 s，由于載體處于航行狀態(tài)，該深度的時間歷程圖代表的也就是不同地理位置處的湖底深度曲線。

圖5　底跟蹤深度曲線

圖6給出了GPS和DVL的東向和北向速度的比對曲線，其中，每一樣本點代表的時間間隔為1 s，可以看出DVL測得的速度和高精度差分GPS的數(shù)據(jù)非常吻合。其軌跡比對圖如圖7所示，可以看出兩者得到的載體運動軌跡基本一致。

圖6　GPS-DVL速度比對

圖7　GPS-DVL軌跡比對

5　結(jié)論

本文介紹了基于VxWorks實時操作系統(tǒng)下相控陣聲學多普勒計程儀的應用軟件開發(fā)過程，并進行了相控陣聲學多普勒計程儀精度考核試驗。試驗中采用高精度的差分GPS作為比對設(shè)備，將差分GPS測量得到的軌跡和對地速度和相控陣聲學多普勒計程儀測得的數(shù)據(jù)分別進行了比對，其速度分量和測得的軌跡均保持高度一致。

參考文獻:

[1] 曹永紅. 相控陣聲學多普勒計程儀的信號處理模塊設(shè)計[J]. 聲學與電子工程,2009,(1): 44-46.

[2] 陳智育,溫彥軍. VxWorks程序開發(fā)實踐[M]. 北京:人民郵電出版社,2004: 107-227.

[3] 張楊,于銀濤. VxWorks內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動與BSP開發(fā)詳解[M]. 北京:人民郵電出版社,2011: 103-119.