一種聲吶用多通道相控掃描信號源的設計

柳赫楠

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一種聲吶用多通道相控掃描信號源的設計

柳赫楠

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

隨著聲吶技術的發(fā)展，基陣發(fā)射波形也多種多樣。為了適應這種多樣化的需求，設計了一種可編程的多通道相控掃描信號源。該信號源采用數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(Field- Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)結合的方式，應用DSP計算各個波束的波形數(shù)據(jù)及其各通道的延時，應用FPGA的精確延時形成各個波束。該設計指向精度高，可生成任意信號波形，任意配置波束組合，可下載并存儲預成波形，對波形加窗函數(shù)，可實時對延時進行補償和校準，并能夠多個信號源協(xié)同工作。在實際應用中得到了成功驗證，具有很大的改進潛力和廣闊的應用前景。

多通道；信號源；主動聲吶；波束形成

0 引言

主動聲吶發(fā)射某種形式的聲信號，利用信號的回波來探測和識別目標，并測量和估計目標的方位、距離、速度等參量[1]。隨著聲吶技術的發(fā)展，主動聲吶的發(fā)射波形也多種多樣。為提高主動聲吶的作用距離，較精確地確定目標的方位，常用相控陣發(fā)射技術，即在聲吶信號源中采用了多波束技術，這些都對聲吶信號源的設計提出了更高的要求。

根據(jù)主動聲吶的實際需求，本信號源需要實現(xiàn)的基本功能包括：通過通信接口下載、設置參數(shù)和數(shù)據(jù)；可選擇信號類型，包括正弦波、線性調頻信號、雙曲調頻信號，以及下載的預成的隨機信號等；可設置信號的中心頻率、帶寬、脈寬等參數(shù)；可設置波束的數(shù)目、各波束的波形類型、方向和順序；可選擇信號的加窗函數(shù)；可設置掃描周期；72通道輸出；可設置各個通道的幅度、使能、起止序號；提供同步輸入和同步輸出；可根據(jù)搖擺角度數(shù)據(jù)進行水平波束的補償；可根據(jù)船速數(shù)據(jù)進行多普勒補償；外部可對各個通道進行相位校準；可設置聲速、陣元間距；系統(tǒng)溫度監(jiān)測。由此，本文提出了一種DSP和FPGA相結合的方法實現(xiàn)多通道相控信號源，并詳細介紹了其軟硬件設計。

1 基本原理

多通道相控掃描信號源即是要完成多通道的發(fā)射波束形成。聲吶波束形成的目的，是使多陣元構成的基陣經(jīng)適當處理得到在預定方向的指向性。對于一個發(fā)射系統(tǒng)，具有指向性意味著發(fā)射能量可集中在某一個方向，這樣可以用較小的發(fā)射功率探測更遠距離的目標。

發(fā)射波束形成的基本原理可敘述為，對多元陣陣元發(fā)射信號進行時延或相移補償，使對預定方向的發(fā)射信號形成同相相加。如圖1所示，有間距為的陣元0和陣元1，發(fā)射出射方向為的平面波，若聲速為，信號中心頻率為，則兩個陣元的相對時延，相位差。它們相應的改變即會產(chǎn)生不同的出射角。

當發(fā)射通道數(shù)量比較大時，每個通道相位差基本都不同，生成相應的數(shù)據(jù)就需要大量的計算，所以本文通過計算各通道延時來形成波束，只需要生成一個基礎波形。若按信號的中心頻率的1/2波長布陣，則兩個陣元的相對時延，當為20 kHz、指向精度為0.2°時，約為87.3 ns，即發(fā)射的延時精度要小于87.3 ns。當有豎直布陣時，橫搖補償即是對每個通道的時延進行校準，使波束保持水平方向。

此次信號源應用于一個豎直3排陣元、水平24列陣元的平面陣。豎直方向的陣元形成的波束用于矯正船的搖擺，使波束保持水平方向，由水平方向的陣元完成各個水平角度波束的掃描。

根據(jù)需求，發(fā)射信號的總長度相對掃描周期比較小，可以在掃描前根據(jù)要求計算好所有波束的波形數(shù)據(jù)，包括補償船速的多普勒頻移、波束的加窗。形成波束時，依次根據(jù)各通道的精確延時形成相應的波束，并可以在每個波束前，根據(jù)橫搖角補償各個通道的延時。實現(xiàn)原理如圖2。

2 硬件設計

信號源系統(tǒng)核心由一片浮點DSP和一片F(xiàn)PGA組成。外置大容量RAM和ROM存儲臨時和預置數(shù)據(jù)，利用RS485或以太網(wǎng)與上位機進行通信，DSP負責接收命令并配置系統(tǒng)狀態(tài)、生成和存儲基礎波形數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA根據(jù)配置控制同步和各個數(shù)模通道，完成多通道的波束形成。系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

圖3中，DSP為系統(tǒng)主控芯片，選用TI公司的TMS320VC6747浮點DSP[2]，主頻可達300 MHz，片上RAM達128 kB，浮點性能優(yōu)秀、外部接口豐富、功耗低。它負責對外控制接口和板內控制，以及波束形成參數(shù)的計算、原始信號的實時生成。它的EMIFB接口連接DRAM存儲器，通過EMIFA接口連接FPGA的交互空間和FLASH存儲器，并通過UART和EMAC接口連接到RS485和百兆以太網(wǎng)。根據(jù)算法，該DSP的處理能力可以達到200 kHz，甚至更高的采樣率。

FPGA負責與發(fā)射端的接口，對DSP傳來的原始波形數(shù)據(jù)和參數(shù)，利用精確時延同步形成波束。精確時延頻率為80 MHz(時延精度可到12.5 ns)，內部數(shù)據(jù)緩存根據(jù)200 kHz的信號采樣率，需要至少可以容納72個通道最大延時時的數(shù)據(jù)量。芯片選用Xilinx公司的XC5VLX50-FFG676[3]，該芯片資源充足、容易進行開發(fā)擴展。FPGA實現(xiàn)框圖如圖4所示。

除了讀寫時序，與DSP之間的通信控制主要包括：數(shù)據(jù)請求中斷INT，波形數(shù)據(jù)打包傳送，當可用波形數(shù)據(jù)達到一定低值時則對DSP發(fā)送該請求；控制響應CTL，由DSP輸入，有效后則開始波束形成準備，并可以響應同步觸發(fā)波束形成；以及使能信號EN和軟復位信號RST，可關斷和重置FPGA。

配置控制根據(jù)DSP的設置確定其他模塊的工作方式，如同步方式、通道選通、波束起止等。另外，配置控制要定期通過溫度傳感器接口更新其中的溫度寄存器，以備DSP訪問系統(tǒng)溫度狀態(tài)。

同步控制可配置同步源的方向(內部、外部)，同步源的類型(掃描同步、波束同步)，是否輸出，以此來同步波束形成的時序。

波束形成模塊在同步觸發(fā)后，根據(jù)波束起止參數(shù)標定波形數(shù)據(jù)的頭尾，并根據(jù)各個通道時延緩存數(shù)據(jù)的不同，讀取相應的波形數(shù)據(jù)到各個通道數(shù)據(jù)緩存。

3 軟件設計

用戶通過RS485或以太網(wǎng)口下載掃描的所有參數(shù)給DSP，DSP判斷是否更新相應配置，沒有更新的按照上次或默認參數(shù)配置。根據(jù)配置，DSP依順序計算各個波束的基本波形數(shù)據(jù)，或者讀取存好的預成的波形數(shù)據(jù)至暫存器，計算每個波束中各個通道的時延參數(shù)，更新FPGA控制參數(shù)寄存器，包括同步源的配置、掃描的配置、通道的配置、第一波束的延時配置和數(shù)據(jù)數(shù)量。掃描同步信號到來后，傳送給FPGA第一幀波形數(shù)據(jù)，之后每個數(shù)據(jù)請求中斷依次傳送一幀數(shù)據(jù)，并在下一波束數(shù)據(jù)傳送之前，更新各通道的延時和波束設置，如此直到本次掃描結束。系統(tǒng)工作時序圖如圖5。

圖5中，數(shù)據(jù)傳輸為DSP傳送一幀數(shù)據(jù)給FPGA，除掃描同步前的第一幀直接由DSP傳送外，其他皆由FPGA中斷DSP發(fā)起傳輸，直到當前掃描各波束數(shù)據(jù)傳輸結束。當脈寬數(shù)據(jù)量不大于一幀時，則沒有后續(xù)FPGA觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸。

參數(shù)更新窗口為兩幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隙時間，其間可以根據(jù)更新的橫搖數(shù)據(jù)，在下一波束形成前，對各通道延時進行補償校準。

參數(shù)更新及數(shù)據(jù)計算窗口時間內，可以根據(jù)新接收到的或者掃描期間的命令更新配置參數(shù)，并計算波形數(shù)據(jù)留待波束形成時傳送給FPGA。當收到預成波形數(shù)據(jù)及其相關配置時，DSP把數(shù)據(jù)寫入外部存儲器的FLASH中，并進行編號。此時，F(xiàn)PGA不響應也不發(fā)起同步信號。

掃描同步、波束同步可以由FPGA根據(jù)設置產(chǎn)生，或者由外部同步來觸發(fā)。

系統(tǒng)軟件分成DSP和FPGA兩部分。

如前所述，DSP負責接收命令并配置系統(tǒng)狀態(tài)、生成和存儲基礎波形數(shù)據(jù)、計算各波束各通道延時參數(shù)等。軟件流程框圖如圖6所示。DSP收到控制命令后，返回溫度及信號源狀態(tài)信息，在當前掃描結束后處理命令并計算相關參數(shù)。此時若沒有命令更新，則按照上次或默認的參數(shù)進行計算和配置。初始化并計算所有的波形數(shù)據(jù)，進而配置FPGA 參數(shù)和頭數(shù)據(jù)(包括波束數(shù)據(jù)長度、各通道延時參數(shù)、各通道使能等)，然后啟動FPGA開始掃描波束。在波束形成期間，根據(jù)FPGA的請求發(fā)送數(shù)據(jù)，并在下一波束前，根據(jù)命令參數(shù)校正頭數(shù)據(jù)中的通道延時，讀取溫度寄存器。

FPGA軟件根據(jù)DSP傳來的原始波形數(shù)據(jù)和參數(shù)，利用精確的時鐘時延，同步形成波束。流程圖如圖7所示。掃描啟動后，F(xiàn)PGA初始化，在波束同步到來時開始形成波束。每形成一幀的數(shù)據(jù)量，便給DSP發(fā)送中斷信號，請求接收下一幀數(shù)據(jù)，直到完成當前波束的數(shù)據(jù)傳輸。在每個波束數(shù)據(jù)傳輸完成后，更新溫度寄存器并接收DSP下一波束的參數(shù)和頭數(shù)據(jù)，開始下一波束數(shù)據(jù)的傳輸和波束形成。如此直到當次掃描完成。

4 擴展應用

通道的擴展。當一個信號源通道數(shù)量不能滿足布陣要求時，可以用多個信號源共同產(chǎn)生波束。此時，只需要標定一個共同的掃描同步源，其波束同步源可作為校準，并分別指定各個信號源的通道序號，傳送相同信號參數(shù)給各信號源，即可實現(xiàn)信號源通道的擴展。

信號發(fā)生器。如前所述，通過通信接口下載已經(jīng)預成好的原始波形數(shù)據(jù)到信號源的FLASH中，當需要形成該預成信號的波束時，DSP從外部存儲器中按順序實時讀取每幀數(shù)據(jù)轉給FPGA。多普勒補償在這里不可使用。

信號源的協(xié)作。當需要區(qū)分不同的發(fā)射陣并分時發(fā)射時(如左右舷)，可應用一個控制單元，控制各陣的控制命令，并設置信號源的掃描同步為外部同步，各陣基準信號源的波束同步為輸出并返回給控制單元，控制單元觸發(fā)掃描同步協(xié)調各陣發(fā)射。

信號源帶寬的提高及布陣距離的減小。當信號源的中心頻率提高后，相應的布陣距離也會變小，各通道形成信號需要更高的轉換率，形成波束需要更小的延時精度，可通過設置信號生成的采樣率和DA的轉換率來實現(xiàn)。由DSP按照一個相對較低的采樣率生成原始波形數(shù)據(jù)，再由FPGA在形成波束之前對其按倍數(shù)進行升采樣，最后把數(shù)據(jù)存入DA的輸出緩存中。

現(xiàn)場交互方式?？砂袲SP芯片更改為OMAP -L137，兩款芯片的管腳及DSP程序兼容，可利用其中的ARM核作為控制，運行Linux系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場輸入輸出。

5 結語

本設計經(jīng)過實際的應用，不僅滿足了主動聲吶系統(tǒng)的全部要求，提供了靈活的測試、調試方法來檢驗相關系統(tǒng)功能，而且提供了更加靈活的應用和擴展方式，以及足夠的改進空間。具有很強的適應性、很大借鑒意義和廣闊的應用前景。

[1] 田坦, 劉國枝, 孫大軍. 聲吶技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社. 2000.

TIAN Tan, LIU Guozhi, SON Dajun. Sonar technology [M]. Harbin: Harbin University Press. 2000.

[2] Texas Instruments Inc. TMS320C6745, TMS320C6747 Fixed- and floating-point digital signal processor[R]. USA: Texas Instruments Inc, 2014. http://www.ti. com.cn/tihome/ cn/docs/ homepage.tsp

[3] Xilinx Inc. Virtex-5 Family Overview[R]. USA: Xilinx Inc., 2015. http://china.xilinx.com

Design of multi-channel phase scanned signal source for sonar system

LIU He-nan

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

With the development of sonar technology, transmitting array signal become more diverse. In order to meet the diversified demands, a programmable multi-channel phase scanned signal source is designed, which is based on using a combination of DSP and FPGA. The DSP calculates the waveform data of each beam and the delay of each channel. The FPGA forms each beam based on accurate delays. This design has more precise directivity, can generate arbitrary signal waveforms and arbitrary beam compositions, can download and store pre-waveform, can generate waveform data multiplied by window function, and can compensate and calibrate delay in real-time. Group signal sources can be combined to achieve collaborative work. The results of practical application demonstrate that the design of signal source has great improvement potential and broad application prospect.

multi-channel; signal source; active sonar; beam form

TB533

A

1000-3630(2016)-03-0276-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.018

2015-09-20;

2015-12-25

柳赫楠(1981－), 男, 吉林松原人, 碩士, 工程師, 研究方向為水聲工程。

柳赫楠, E-mail: lds_hn@163.com