宮 平，生雪莉，王 巖，王圣煒，郭龍翔，張 曉

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全重點實驗室（哈爾濱工程大學），工業(yè)和信息化部，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著海戰(zhàn)中魚雷的出現，且裝藥量大，直接攻擊艦船水線以下部位，導致其比導彈更容易將艦船擊沉或造成毀滅性打擊，因此科學家們開始著手研發(fā)反魚雷裝備[1]。但是隨水下信號處理算法的改進，魚雷與反魚雷裝置二者的性能都有顯著的提升。我國對聲模擬器的研究起步于20世紀80年代，經過幾十年的發(fā)展，已經研制出了多種艦船聲特征模擬器。隨著反魚雷技術的日益成熟，智能魚雷已無法對目標進行準確定位跟蹤[2-3]。為增強我國智能魚雷的檢測與識別能力，通過模擬主動偵察過程中目標回波在不同探測角度下強度與尺度的差異，為智能聲探測系統(tǒng)以及分布式水下協同探測系統(tǒng)提供多個視角下的目標特征智能融合的聲模擬輸入；通過模擬被動偵察過程中目標輻射的寬帶譜和低頻線譜，為智能聲探測系統(tǒng)以及分布式水下協同探測系統(tǒng)提供與目標噸位、航速、尺度相匹配的頻域特性的聲模擬輸入，為增強以信息化作戰(zhàn)為主體的未來海戰(zhàn)場的攻防能力提供智能、實時的聲模擬裝置，從而提高安靜型潛艇和水下武器的探測能力和識別能力。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

艦船模擬器通過三路水聽器對三路信號進行采集，通過信號處理進行參數估計，并根據功能要求進行回波重構，模擬3個亮點的反射信號。系統(tǒng)總體設計如圖1所示，骨架由輕質均勻材質節(jié)桿拼接而成，發(fā)射換能器與接收傳感器之間設有隔聲裝置，防止模擬器的輸出回波對自身的輸入信號造成干擾。發(fā)射換能器發(fā)射模擬的艦船輻射噪聲，對敵方的被動聲吶目標系統(tǒng)進行誘騙。接收換能器可將接收到的信號，發(fā)送給信號處理板。

圖1 艦船聲特征模擬器系統(tǒng)總體設計框架Fig.1 Overall design framework of ship acoustic characteristic simulator system

1.2 處理器選擇

本系統(tǒng)采用的信號處理器，為德州儀器（TI）研制的TMS320C6678，其集成了8個高性能的定/浮點運算的CPU內核，每個內核的最高頻率高達1.25 GHz，定點性能高達40 GMAC，浮點性能高達20 GFLOP[4-5]，每個內核的內部架構如圖2所示。

為實現完整、準確模擬信號回波的要求，聲特征模擬器采取ALE濾波器提高信號信噪比配合多次Notch濾波器迭代的算法測量信號參數，且所模擬的艦船信息為空間體目標信號，三通道信號同時處理。算法復雜，處理時間長，對于普通處理器無法滿足虛靶量要求。因此，選取多核DSP-TMS320C6678，不僅具有8個處理核芯，且每個內核均具有超強的處理運算能力。在實驗室水池試驗中，可在100 ms內實現三通道LFM信號的回波模擬。

1.3 信號處理板設計

采集后的三路信號經過信號處理板的濾波放大電路，將信號加強后輸入給信號處理板的AD轉換模塊，AD模塊生成的數字信號進入FPGA中。FPGA通過SRIO協議100次/s向DSP發(fā)送三通道數據，DSP的處理節(jié)拍由FPGA控制。DSP每個節(jié)拍內產生的回波數據經由FPGA發(fā)往DA轉換模塊，生成的模擬信號經由功率放大器放大后，由換能器發(fā)出，聲特征模擬器的信號處理板結構如圖3所示。

圖2 TMS320C6678各內核內部架構圖Fig.2 Internal architecture of each core of TMS320C6678

圖3 信號處理板設計Fig.3 Design of signal processing board

2 聲特征模擬器算法在多核DSP上的應用

2.1 聲特征模擬器的被動工作模式

在被動工作模式下，聲模擬器通過模擬艦船噪聲來模擬假的艦船目標。艦船輻射噪聲模擬是通過連續(xù)譜和線譜的輸出來模擬目標輻射源噪聲，本系統(tǒng)中，利用多節(jié)點的組合，不僅可以模擬點目標，還可以模擬具有空間尺度的體目標源。

艦船輻射噪聲的頻譜由連續(xù)譜和線譜組成。其中，連續(xù)譜噪聲由機械噪聲、螺旋槳噪聲以及水動力噪聲產生。連續(xù)譜的頻段很寬，在低頻段，由于螺旋槳的空化效應，噪聲的譜級隨頻率上升，但并不是十分明顯；在高頻段，在高于峰值頻率的頻段中，頻譜呈下降趨勢。峰值對應的頻率一般存在于200 ～400 Hz頻段內，由船型決定。線譜主要由機械噪聲與螺旋槳噪聲引起。其中，機械噪聲引起的線譜及其諧波分量在強度與頻率上很穩(wěn)定，不會因為船的運動狀態(tài)改變而改變。而螺旋槳噪聲引起的線譜，其強度與頻率會因船的運動狀態(tài)改變而產生變化。當螺旋槳未發(fā)生空化時，其產生的線譜強度很強，但隨著航速的增加，空化效應增強，寬帶噪聲增強，會淹沒某些線譜[6-7]。將仿真得到的連續(xù)譜與線譜相加，得到真實的艦船輻射噪聲，其功率譜如圖4所示。

圖4 艦船輻射噪聲功率譜Fig.4 Power spectrum of ship radiated noise

被動工作模式下的聲模擬器采用2個內核協同工作的方式進行，其中0核負責控制系統(tǒng)運行，另一個內核7核負責產生實時的輻射噪聲信號。噪聲模擬之前，PC機通過網口對DSP進行控制即將指令寫入到DSP的共享內存中，DSP通過上位機傳來的指令、參數要求進行相應的噪聲模擬，多核協作模式如圖5所示。

0核：聲模擬器的總控制核。負責與PC機進行網口的收發(fā)控制，包括接收PC機的控制命令以及向PC機發(fā)送信號數據；負責與FPGA之間進行SRIO口的數據收發(fā)，如果是播放錄取的輻射噪聲，要將得到AD數據進行整理，將生成的DA數據發(fā)送給FPGA；負責通知7核產生噪聲信號數據。

7核：當收到0核的輻射噪聲生成指令后，在指定的內存位置讀取噪聲參數信息，生成輻射噪聲信號，將其寫入固定的內存位置。此處，7核不需要向0核發(fā)送噪聲數據寫完成指令，0核會在固定時間對信號進行讀取。

圖5 被動模式下的多核協作模式Fig.5 Multi-core cooperation mode in passive mode

2.2 聲特征模擬器的主動工作模式

聲模擬器的主動工作模式通過多路水聽器、濾波放大電路、AD轉換模塊接收對目標的尋的信號進行檢測，根據PC機傳來的設置參數，生成不同的回波信號，通過DA轉換模塊、功放、換能器發(fā)射出去，以反映艦船的運動態(tài)勢。

1）在上位機上對DSP進行設置，包括所實現功能以及模擬所需參數。DSP收到中斷后，對數據包進行判斷，包括功能位是否存在，所設參數是否在規(guī)定范圍內等。如果判斷出參數信息合理，則開始對信號數據進行分析。

2）DSP等待FPGA的門鈴中斷的到來，有中斷觸發(fā)時，說明FPGA已經將信號數據寫進DSP內存中。AD轉換模塊精度為32 Bit，因此需要將數據換算處理為某一范圍內的合理數據才可使用。

3）由于尋的信號中心頻率未知，將得到的信號經過線譜增強器（ALE）以增強其信噪比，對處理好的數據進行能量檢測，并與所設門限對比，若大于門限值，則認為檢測到目標的尋的信號，若小于門限值，則認為所處理數據為環(huán)境噪聲，未檢測到尋的信號[8]。若檢測到尋的信號，對信號進行準確的參數估計，包括幅度、頻率、調頻斜率等。其中，頻率經由過零頻率估計器粗測，Notch濾波器細測得到。幅度、調頻斜率斜率都可由Notch濾波器選擇不同的中心頻帶，多次濾波迭代得到。

主動工作模式需要實時地計算出信號的幅度、頻率、調頻斜率。而其中的調頻斜率在本系統(tǒng)中用多次Notch濾波器迭代求出，計算量大且耗時長，因此，此任務分配給3個核并行執(zhí)行，以保證系統(tǒng)的實時性與準確性。主動模式需要不間斷檢測信號能量，且當檢測到信號時，須準確對信號進行參數估計，并模擬回波。在多核DSP TMS320C6678上單核實現一路信號的參數估計（信號幅度、頻率、調頻斜率）時，用時間函數測量1 000點樣本信號的算法時間為7 ms。因此，如果將信號檢測與信號參數估計放在同一核內執(zhí)行，即檢測到信號后立刻估計信號參數，且當信號脈寬小于7 ms時會發(fā)生檢測錯誤。為解決這一沖突，將信號的能量檢測與信號的參數估計分開，在不同的內核上運行。1核、2核、3核對信號進行持續(xù)檢測，發(fā)現信號后交由其他核進行處理，具體的多核協作模式如圖6所示。

圖6 TMS320C6678的多核協作模式Fig.6 Multi-core cooperation mode of TMS320C6678

0核：聲模擬器的總控制核。負責與PC機進行網口的收發(fā)控制，包括接收PC機的控制命令以及向PC機發(fā)送信號數據；負責與FPGA之間進行SRIO口的數據收發(fā)，包括將得到AD數據進行整理，將生成的DA數據發(fā)送給FPGA；負責通知1核、2核以及3核數據到達，處理數據。

1核、2核、3核：當收到0核的數據到達指令時，在指定內存位置取出數據，分別對三路信號進行實時的能量檢測，即1核負責處理1通道的數字信號，2核負責處理2通道信號，3核負責處理3通道信號。當檢測到信號的能量大于設定門限值時，分別通知4核、5核或6核進行參數估計。當發(fā)現信號下降沿時，計算信號脈寬，告知7核。

4核、5核、6核：當收到1核、2核或3核的估計信號參數的命令時，在指定內存位置取出數據，分別對三路信號進行參數估計，包括估計信號的幅度、頻率、調頻斜率等，并將所得參數寫入DSP的共享內存中，同時通知7核。

7核：當收到4核、5核或6核的回波生成指令后，在指定的內存位置讀取信號參數信息，生成回波信號，將回波信號數據寫入固定的內存位置。此處，7核不需要向0核發(fā)送寫完成指令，0核會在固定時間對信號進行讀取。

3 結 語

在實驗室信道水池，對存儲轉發(fā)式回波模擬功能進行驗證。選取2個工作頻帶為15～25 kHz的換能器，2個JYH1000型號的功放，水聽器為8104標準水聽器。試驗場地選取信道水池，標準水聽器與模擬尋的信號的換能器間的距離為1 m，與聲模擬器的發(fā)射換能器間距離為5 m，且模擬器的發(fā)射換能器與水聽器之間有相應的消聲裝置。

換能器所模擬的尋的信號為25 kHz的正弦信號，占空比為0.1，信號脈寬為0.1 s。示波器監(jiān)測到的水聽器接收信號如圖7所示，可見模擬器所發(fā)射的回波信號脈寬也為0.1 s。由于隔聲裝置的存在，模擬器的回波信號在模擬器的接收水聽器處強度很小。模擬器回波信號參數與尋的信號參數一致。當入射的尋的信號到達100 ms后，模擬器的發(fā)射換能器將回波信號發(fā)出，虛靶量滿足要求。

圖7 聲特征模擬器主動模式下的回波模擬水池實驗Fig.7 Pool experiment for echo simulation in active mode of acoustic characteristic simulator