基于FPGA的寬頻帶水聲定位信標信號發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計研究

張國龍 王小寧

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

基于FPGA的寬頻帶水聲定位信標信號發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計研究

張國龍 王小寧

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

為了克服水聲定位系統(tǒng)中信標信號與水聲設(shè)備工作頻段重疊,提高水聲定位系統(tǒng)的定位精度與信標信號的檢測速度,論文設(shè)計完成了一種基于FPGA的寬頻帶水聲定位信標信號發(fā)射系統(tǒng)。系統(tǒng)在單片機控制下以FPGA嵌入式系統(tǒng)為運算核心配合D/A電路等模塊發(fā)射特定水聲定位信標信號。將該系統(tǒng)加裝于某型水下目標模擬器中與某型水聲定位基陣在南海某海域進行海上試驗,試驗表明該信標信號發(fā)射系統(tǒng)功能完整,達到了預(yù)先設(shè)計目標,信標信號接收基陣能對接收的定位信標進行準確、實時的檢測識別,通過試驗表明采用該系統(tǒng)后具有較高時延估計精度。

信標信號; FPGA; 水聲定位

Class Number TN91

1 引言

同步水聲定位作為一種應(yīng)用成熟、簡單、有效的系統(tǒng)被普遍采用。同步水聲定位系統(tǒng)是一種要求在被定位目標上加裝一定頻率的合作聲信標,接收陣元通過估計時延或時延差來進行定位的設(shè)備。

近年來,隨著大量水聲設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用,其覆蓋的工作頻段越來越寬,而且由于缺少統(tǒng)一的頻段使用規(guī)范,不可避免地會出現(xiàn)其他水聲設(shè)備與水下合作目標定位系統(tǒng)的工作頻段重疊的問題,對定位測量系統(tǒng)的適用性提出了挑戰(zhàn)。同時,定位測量系統(tǒng)的定位精度和設(shè)備復雜度不僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和定位算法密切相關(guān),而且一定程度上取決于定位信標的設(shè)計優(yōu)劣,良好的定位信標設(shè)計不僅可以降低信標信號傳播過程中的多種干擾,而且有利于定位系統(tǒng)對信標信號的快速、高精度檢測。本文將重點分析和討論利用FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)一種北斗同步寬頻帶水聲定位信標發(fā)射裝置的設(shè)計方法與實際應(yīng)用分析,通過寬頻帶設(shè)計以提高聲信標信號在復雜水聲環(huán)境下工作的適用性,易于檢測和識別。同時,以高精度北斗秒脈沖作為時統(tǒng)信號,可以在提高對時精度的同時避免在軍事用途中使用GPS系統(tǒng)等帶來的各種問題。

2 海洋環(huán)境對定位信標信號影響分析

海洋獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和上下表面對聲波造成很大影響,詳述如下:

1) 水下聲定位信標信號傳輸受水聲信道影響

由于海水介質(zhì)復雜,空間分布不均勻,而且隨機時變,聲信號在海洋傳播時隨機起伏。海洋表面和大氣相接觸,受溫度和氣流的影響常常出現(xiàn)波浪和漣漪之類的起伏,造成對聲信號的反射和漫反射,引起聲信號的隨機起伏的頻率的展寬[1]。海水中的湍流和熱交換會產(chǎn)生溫度的不均勻性,聲信號在通過這些水層時會產(chǎn)生多路徑的干涉效應(yīng)。這些因素使得聲速動態(tài)范圍很大,聲信號接收端呈現(xiàn)出嚴重的幅度失真和相位失真,聲信號畸變很明顯。

2) 聲定位信號受海洋噪聲和環(huán)境影響

海洋環(huán)境中的背景噪聲復雜,潮汐、湍流、海浪、船只等聲音共同構(gòu)成了海洋中的噪音,還有聲信號的回波造成的混響,這些都極大地影響了對聲信號的分辨[2]。

結(jié)合水聲信道的特點,定位信標信號發(fā)射裝置設(shè)計需要從時延精度、實時性、功耗、抗噪聲干擾等多方面進行考慮,主要對水聲定位信標的硬件結(jié)構(gòu)、信標信號編碼方式和調(diào)制方式以及工作參數(shù)進行選擇。通過整體上綜合考慮,達到一個時延精度、實時性、功耗、設(shè)備復雜度之間的平衡,設(shè)計出適合系統(tǒng)的定位信標發(fā)射裝置。

3 基于FPGA的寬頻帶水聲定位信標信號發(fā)射系統(tǒng)整體設(shè)計

同步水聲定位系統(tǒng)為了確知目標發(fā)射聲合作信標信號的時間,一般需要在測量平臺上安裝高精度同步對時設(shè)備,工作前對目標聲源時鐘與定位系統(tǒng)時鐘進行同步對時,以保證聲源按同步時刻定時發(fā)射信號,這種對時方式給系統(tǒng)帶來額外的硬件設(shè)計負擔,而且使用繁瑣,精度不高。利用北斗定位系統(tǒng)秒脈沖產(chǎn)生同步控制信號為定位測量系統(tǒng)和目標聲源對時的方法,可以在減少硬件設(shè)計負擔的前提下,簡單可靠地實現(xiàn)同步對時功能,而且能夠保證整個測量過程中信標信號發(fā)射的零時刻與定位系統(tǒng)中測距計數(shù)器的起始時刻始終一致,從而提高對時精度和測距精度。

本文論述的基于FPGA的寬頻帶水聲定位信標信號發(fā)射裝置硬件結(jié)構(gòu)是以FPGA嵌入式系統(tǒng)為核心添加各種外圍功能模塊進行設(shè)計,硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 信標發(fā)射裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

功能電路主要由同步電路、通信電路、單片機控制電路、FPGA嵌入式系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換電路、功放電路、匹配電路、電源轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路以及發(fā)射換能器等模塊電路構(gòu)成。它主要用于產(chǎn)生被測目標軌跡測量所需要的測距、測向信號;同時利用北斗定位系統(tǒng)秒脈沖產(chǎn)生同步控制信號,保證在測量開始前與測量船上的接收系統(tǒng)進行同步鐘對時,保證信標信號發(fā)射的零時刻與接收系統(tǒng)中測距器計數(shù)的起始時刻相一致,提高測距精度。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵功能部件設(shè)計

4.1 FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)是可編程邏輯器件的典型代表,FPGA器件具有集成度高、功耗低、體積小、可靠性好、邏輯資源豐富等優(yōu)點,具有通過用戶編程實現(xiàn)專門應(yīng)用的功能,而且研究人員開發(fā)了大量經(jīng)過驗證的IP(Intellectual Property)供設(shè)計者使用,可以大大縮短系統(tǒng)的研制周期,減少資金投入[3]?；贔PGA的諸多優(yōu)點,本系統(tǒng)選用FPGA設(shè)計系統(tǒng)邏輯電路。

為實現(xiàn)多功能可配置的寬頻帶水聲定位信標信號發(fā)射系統(tǒng),系統(tǒng)需要有控制核心單元,用以完成與上位機通信功能及對同步信號發(fā)生單元的配置功能?？刂茊卧钠骷泻芏?但從系統(tǒng)的開發(fā)周期,設(shè)計的難易程度以及功耗等因素,系統(tǒng)要求控制單元要能完成多種工作的控制單元。若用FPGA完成,任務(wù)量大,不是最佳選擇,用單片機可完成功能設(shè)計要求。考慮到本系統(tǒng)可能由電池供電使用,所以功耗問題是系統(tǒng)硬件設(shè)計時首要考慮的問題,因此本系統(tǒng)選用超低功耗單片機作為系統(tǒng)的控制單元進行設(shè)計,具體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 FPGA嵌入式系統(tǒng)框圖(虛線框內(nèi))

4.2 同步、時鐘模塊設(shè)計

同步聲信標是基于同步鐘測距方法來實現(xiàn)的,同步對時的好壞直接影響到定位的精度。本系統(tǒng)為保證定位測距的高精度,同步、時鐘模塊采用低溫漂恒溫晶振,與基準同步時鐘進行同步的計數(shù)邏輯可由FPGA嵌入式系統(tǒng)來完成,同時為了降低系統(tǒng)設(shè)計的復雜度,減小體積,增強系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性,選擇有線同步方式,系統(tǒng)在入水之前通過電纜與北斗定位系統(tǒng)進行同步對時,入水后根據(jù)同步信號進行信號發(fā)射[4]。另外,由于北斗定位系統(tǒng)和本系統(tǒng)是兩個不同的系統(tǒng),系統(tǒng)電路中信號的電壓、電流幅值可能相差很大,在同步對時時,若將兩個系統(tǒng)直接互連,有可能將互相干擾,情況惡劣可能導致系統(tǒng)不能正常工作或者燒毀。為了防止這種情況發(fā)生,兩者之間加裝光電耦合隔離器件,這樣就能使得雙方正常工作而不相互影響。

4.3 DAC、功放、阻抗匹配模塊設(shè)計

定位信標信號作為模擬信號,FPGA嵌入式系統(tǒng)輸出的信號則為數(shù)字信號,因此D/A模塊要實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換功能。由于DAC電路輸出的信號功率無法達到水聲換能器發(fā)射功率,因此要用功率放大電路來使得水聲換能器正常工作。同時,匹配電路則使得定位信標模塊輸出更好的頻率特性,提高發(fā)射效率。因此,DAC、功放、匹配電路模塊在本系統(tǒng)中是必不可少的一部分。

對于DAC器件來說,采樣率是重要的指標之一,由于本系統(tǒng)所產(chǎn)生的信號頻率在10kHz以下,選用采樣率60kHz以上就能夠滿足采樣定理。DAC器件由串行接口電路、功耗和速度控制器、參考電壓控制器、通道鎖存器、通道鎖存器、緩存、倍放大器組成。整個系統(tǒng)主要包括DA控制模塊、信號發(fā)射模塊、算術(shù)運算與控制單元三個部分。DA控制模塊主要負責DAC芯片的控制時序運算與控制單元,作為各個功能模塊的接口是整個系統(tǒng)的核心[10]。FPGA通過運算控制模塊實現(xiàn)對DAC的邏輯控制和數(shù)據(jù)輸出,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 DAC模塊結(jié)構(gòu)框圖

4.4 功放模塊設(shè)計

功放模塊主要任務(wù)是使換能器在不失真的情況下盡可能地獲得最大輸出功率。由于ADC模塊輸出信號幅度峰-峰值較小,考慮到后面的功放要達到要求的功率,就必須加大輸出電壓(峰-峰值),這樣就需要一個信號調(diào)理電路將信號幅值增大,同相放大電路滿足使用需求,其電路原理圖如圖4所示。

圖4 同相放大電路原理圖

放大系數(shù)滿足公式:

(1)

其中:Vin為輸入信號,Vout為輸出信號。

4.5 阻抗匹配模塊設(shè)計

壓電陶瓷水聲換能器是常用的水下聲發(fā)射裝置。這是一種容性負載,它的阻抗或?qū)Ъ{函數(shù)同頻率很難用數(shù)學表達式來精確表述。所以根據(jù)換能器的這些特性,可以把換能器簡單地表示成為一個由電阻、電容、電感組成的阻抗網(wǎng)絡(luò),只有其等效為純電阻且阻抗與功放的輸出阻抗相匹配的時候,才能保證功率輸出地效率為最高[5]。匹配電路的設(shè)計就是為了實現(xiàn)此功能,使用變壓器來與發(fā)射換能器的性能進行匹配,使用電感匹配換能器的等效電容,變壓器實現(xiàn)阻抗匹配。具體設(shè)計時,首先測定發(fā)射換能器的工作參數(shù),包括中心頻率f0及其所對應(yīng)的等效電阻R0和等效電容C0,然后計算變壓器初,次級線圈及匹配電感L。計算公式如下所示:

變壓比:

(2)

變壓器初級匝數(shù):

(3)

變壓器次級匝數(shù):

N2=N1/n

(4)

匹配電感:

L=1/((2πf0)2C0)

(5)

其中,f0為發(fā)射換能器的中心頻率,R0和C0分別為發(fā)射換能器的并聯(lián)等效電阻和等效電容,參數(shù)r為功率放大電路的等效輸出電阻,BS為變壓器的磁芯截面積,Vcc為電源的有效電壓。

5 信標系統(tǒng)發(fā)射信號設(shè)計

5.1 信標信號工作方式的選擇

定位信標信號發(fā)射方式主要有兩種:脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。本系統(tǒng)采用使用較廣泛的脈沖發(fā)射方式,脈沖發(fā)射時發(fā)射不連續(xù),即每間隔一段時間,定位信號就發(fā)射一次。這種工作方式的優(yōu)點是可以讓水聲發(fā)射單元以“間歇式”方式來工作,在一個發(fā)射周期內(nèi)只有一段時間工作,發(fā)射信標信號,從而達到省電與降低功耗的要求[6]。

另外信標信號持續(xù)時間,即發(fā)射信號的脈沖寬度,對于整個信標系統(tǒng)有較大的影響。信標信號在水中持續(xù)時間長,即寬度較寬,定位信號所攜帶的能量多也就傳輸?shù)谋容^遠。但是,對于接收系統(tǒng)來說,距離分辨力也降低了。定位信標信號如果太窄了,將會使定位信標信號的帶寬很大。接收換能器的帶寬往往都是有限的,有一定的通頻帶。當信號的頻譜范圍超越這個頻帶的時候,就會造成信號的接收不完整、信號的失真,進而影響系統(tǒng)的工作性能[9]。

通過以上所有因素的考慮,本裝置為了達到要求的性能加大信標系統(tǒng)的通頻帶,同時信標信號脈沖寬度會選定在幾毫秒到幾百毫秒內(nèi)。

5.2 定位信號的參數(shù)選擇

信標信號類型的選擇原則是應(yīng)當使得定位信標信號波形模糊度函數(shù)與混響信道函數(shù)不重合,而與傳輸信道散射函數(shù)盡量逼近,提高接收端濾波器的檢測性能。

在水下定位系統(tǒng)中,其作用距離是設(shè)計者關(guān)心的指標。根據(jù)這一標準,尋找最佳頻率和定位信標信號之間的關(guān)系來找到其合適的信號工作頻率[7]。

(6)

(7)

圖5 水下聲信號工作頻率與作用距離的關(guān)系

由圖5可以得到信號工作頻率與作用距離之間的關(guān)系定,信標信號工作頻率的增加將會使其作用距離明顯降低。在本系統(tǒng)中根據(jù)所用的發(fā)射換能器頻帶工作范圍,定位信標信號的工作頻率可以在5kHz～15kHz頻率范圍內(nèi)進行選擇,其傳播距離在之間5km～15km。

6 驗證與分析

為了進一步驗證本系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性、有效性和準確性,將該系統(tǒng)搭載于某型水下目標模擬器中用以校驗、調(diào)試水聲定位測量基陣測量系統(tǒng)功能指標,其中某型水下目標模擬器作為上位機控制本系統(tǒng)進行工作,具體實物圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)各功能部件實物圖

在南海某海域由工作母船A將某型水聲定位測量陣吊放于水下10m位置處,同時本系統(tǒng)搭載于某型水下目標模擬器中,用工作母船B將水下目標模擬器吊放入水,且與水聲定位測量陣處于同一深度,海上試驗布放態(tài)勢圖如圖8所示。工作母船A、B上各安裝有北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星時統(tǒng)設(shè)備,在實時測量工作母船A、B之間距離L1的同時對兩套設(shè)備進行北斗時統(tǒng)。試驗過程中由水下目標模擬器作為上位機控制本系統(tǒng)發(fā)射特定信標信號,水聲定位測量陣作為接收端接收信標信號。同時,某型水聲定位測量陣利用信標信號經(jīng)過特定水聲定位算法計算兩設(shè)備之間距離L2。工作母船A、B利用船載北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位兩船之間的距離L1。海上試驗通過統(tǒng)計母船A、B之間距離L1與兩設(shè)備之間距離L2之間差值作為試驗結(jié)果,得到某型水聲定位測量陣測量誤差如表1所示。

圖7 海上試驗布放態(tài)勢圖

序號L1L2L1-L21100102-221551514321020554265267-2535034646504496876416311088358269

其中,L1為工作母船A、B之間距離,L2為某型水聲定位測量陣與某型水下目標模擬器之間距離(以換能器為基準),L1-L2為某型水聲定位測量陣測量誤差。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)安裝于某型水下目標模擬器用以標校某型水聲定位測量陣,其功能滿足標校水聲定位測量陣的條件,且具有低功耗、體積小、擴展性和兼容性強等特點。同時,本系統(tǒng)采用我國自行研制運營的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為定位同步設(shè)備,克服了以往對國外定位系統(tǒng)的依賴性。利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)高精度定位授時功能,提高了本系統(tǒng)的測量精度和保密性,為本系統(tǒng)應(yīng)用于軍事用途提供條件。

在復雜水聲條件的海洋環(huán)境下,本系統(tǒng)發(fā)射的信標信號均能保持較高的信噪比,特別是在南海深水海洋環(huán)境下,可以有效抵御海洋水聲信道與海洋噪聲對系統(tǒng)的影響,提高信標接收基陣對信標信號識別能力。

由表1抽取8組試驗數(shù)據(jù)進行分析表明利用本系統(tǒng)可以進行水下目標定位,并且通過與北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位工作母船A、B距離比較,得到在800m范圍內(nèi)定位誤差可以保證在±10m范圍,隨著工作母船A、B距離逐漸縮小定位誤差也隨之減小。

由圖7實物圖可以看出本系統(tǒng)采用模塊化、通用化設(shè)計,各個功能模塊采用板卡式獨立拔插安裝且采用標準接口,這樣將有利用本系統(tǒng)在不同工作平臺上隨意移植安裝。

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Design of Broadband Beacon Signal Transmitter of Acoustic Positioning System Based on FPGA

ZHANG Guolong WANG Xiaoning

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

This thesis presents the design and manufacture of the FPGA-based broadband beacon signal transmitter of acoustic positioning system. It can overcome overlap of working frequency band, which radically increases the location accuracy of acoutic positioning system and detection speed of the signal transmitter. This system sends broadband beacon signal transmitter under the control of single chip microcomputer, whose core is FPGA-based embedded system. It will be equipped in a certain type of underwater targetsimulator and a certain type of underwater acoustic array to trial in the waters of the south China. The tests show that the entire system has full functiona, achieves the design goal in advance. The underwater acoustic array can accurately and quickly recognize beacon signal transmitter. The test shows this system time delay can be estimated precisely.

beacon signal, FPGA, acoustic positioning

2016年8月12日,

2016年9月23日

張國龍,男,工程師,研究方向:水下目標模擬技術(shù)。王小寧,男,工程師,研究方向:水聲信號處理。

TN91

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.032