ADSP-BF548在相关测速声呐系统上的应用

相关测速声呐是一种适用于水面航行的船舶或者水下航行的潜器的设备,主要用于获取载体速度信息、流速和海深,与惯导联合可用于载体的导航定位。相关测速声呐基于"波形不变性"原理,通过理论时空相关函数和数据时空相关函数的最小二乘拟合获取载体速度。构建了一套新的基于ADSP-BF548平台的软件控制系统。新系统实现了网络、串口、CAN等通信方式;完成了基于Fat Fs R0.08b文件系统的数据存储功能;动态电源管理可以减小系统功耗,在电池供电时能延长有效工作时间。从系统通信、数据存储、电源管理、系统工作等方面对新平台软件系统的特点进行了介绍。     

相关测速声呐模型参数矩阵化求解方法

相关测速声呐的基本原理是“波形不变性”。该原理指出：发射具有一定时间间隔的信号，接收回波相关性最大的两个基元之间的间距与载体移动速度成正比。相关测速算法首先通过回波数据构建数据相关矩阵，然后利用速度估计算法将理论相关模型和回波数据构建的相关矩阵进行拟合得到最优参数信息，进而解算出载体速度信息。文章以简化最优参数求解流程为目标，提出了基于矩阵推导的参数拟合运算方法。该方法通过将底混响时空相关函数模型中的目标参量进行分离，进而将函数转变为矩阵形式，随后通过矩阵QR分解等手段，根据局部最小二乘法推导目标参数的求解公式，并直接求解出目标参数的解析解。仿真和湖上试验数据验证了该方法可以作为一种速度解算方法的可行性，并且具有运算复杂度低的优点。     

不同底质海底窄带混响信号空间相关半径研究

海底混响是主动声呐的主要干扰之一,分析海底混响信号的空间相关特性是抗海底混响技术研究的基础。本文依据混响信号的空间相关特性,从理论上解释海底混响信号空间相关半径的定义,利用实验数据研究了在不同海底底质情况下混响信号空间相关半径变化规律以及不同底质混响信号强度的变化。研究表明不均匀海底底质情况下,散射体颗粒增大,混响信号空间相关半径减小且底质较硬时混响信号较强。     

利用多普勒信息判断单线阵低速目标左右舷的方法研究

采用常规单线拖曳阵列作为双基地主动声呐的接收平台时,会存在左右舷模糊。常规左右舷判决方法需要声呐探测平台进行转弯等复杂机动,目标定位与跟踪的实时性和连续性难以保证。文章对利用回波多普勒效应实时判断低速目标左右舷的方法进行了研究,给出了目标低速运动的条件,并分析了多普勒响应可分辨特性与声呐平台位置、运动状态的关系。通过仿真实验验证了该方法的可行性与有效性。海试数据处理结果表明,声源船仅具漂流速度时即可通过回波多普勒信息有效判别静止浮台目标的左右舷。该方法可以作为双基地主动声呐探测与定位系统中的辅助手段。     

适应于声相关海流剖面仪的单脉冲发射信号设计

声相关海流剖面仪(ACCP)利用“波形不变性原理”进行测速,能够测得相对海底的绝对速度。相对于多脉冲发射体制,文章采用脉宽足够长的单脉冲进行发射,既增加了发射能量,提高了海底探测的深度,又保证了系统带宽的要求。单脉冲脉内采用相位编码,减少了测速噪声的影响,通过一个满足相关寻优准则的编码搜寻程序进行伪随机编码,编码长度与声相关延迟时间相一致,所产生编码的自相关函数具有双相关峰特性,这与双脉冲发射的测速体制相对应,解决了双脉冲发射体制测速中脉冲宽度和脉冲间隔时间之间的矛盾。     

探测尾流自导鱼雷主动声呐的波形设计

为了实现对不同速度尾流自导鱼雷的稳定探测,建立尾流自导鱼雷典型弹道模型,对运动平台主动声呐混响和鱼雷目标回波的多普勒特性进行分析。研究结果表明对于探测尾流自导鱼雷的主动声呐来说,当鱼雷速度小于2倍平台速度时目标多普勒较小且不稳定,仅依靠多普勒滤波难以完全避开混响干扰并实现稳定探测。提出使用宽带多普勒敏感信号与CW信号的组合形式来探测尾流自导鱼雷。仿真给出了组合信号的距离、速度分辨力和混响抑制能力,证明了其性能良好。     

基于运动平台的海底混响建模与仿真

混响是主动声呐目标检测的主要干扰,混响的建模与仿真对研究水下信号处理具有重要的意义。以海底混响为研究对象,综合考虑发射信号的波形、海底散射体散射特性以及运动平台带来的多普勒频移等影响因素,提出了一种基于运动平台的海底混响仿真方法。该方法同时结合了散射原理与网络模型,具有明确的物理意义,且其仿真实现方法简单高效。最后,通过分析混响仿真信号的瞬时值、包络的概率分布、频谱特性以及时间相关性,验证了该方法对海底混响仿真的有效性。     

深水多波束测深系统海底回波信号快速仿真方法

针对传统深水多波束测深系统海底回波信号仿真方法计算量大和不适用于存在载体姿态的问题,提出一种深水多波束测深系统海底回波信号快速仿真方法。基于扩展散射体海底回波信号仿真模型,考虑载体姿态,通过预先计算海底散射点强度分布确定主要作用区域的散射点,并将这些散射点的强度作为回波信号幅值加权来得到回波信号。利用这一方法,在保持较小计算量的同时,可以得到包括载体姿态特征的仿真数据。此外,利用这种方法还可以进行相位不一致性等误差因素的仿真。     

浅海水平线阵接收海底混响序列仿真

混响序列仿真作为海上实验的替代手段,可为声呐设计及抗混响技术研究提供数据支撑。借助简正波理论研究海底散射声场,将海底散射场视为海洋传输网络形成的传递函数,在此基础上将海底散射微元按方位角均匀划分,依据阵元间的相位关系给出了水平线阵接收海底混响序列的仿真方法。以负梯度浅海环境为例进行了混响仿真,并对仿真序列的频谱特征、统计特征、空间相关特征进行了验证,结果表明该方法获得的混响序列特性与理论预测相符,可以为抗混响技术研究提供参考。     

基于相关函数包络峰细化的高精度超声测距法

建立了超声测距时延估计模型,由于窄带超声回波参考信号与接收信号的相关函数在极值点附近具有慢衰减高频振荡特性,所以有必要将搜索直接相关函数的极值点转化为搜索相关函数包络的极值点.针对相关峰常规插值方法在多倍插值的情况下存在计算复杂、时延估计精度不高等缺点,结合超声回波信号的窄带带通特性和相关峰细化(Fine Interpolation of Correlation Peak)原理,提出了直接提取相关函数包络及包络峰细化方法,并分析了其计算复杂度.仿真与实验研究表明,该方法能大大提高相关函数包络峰值分辨率,适用于类超声回波信号的带通信号精细时延估计问题.     

相关测速声纳工作原理及海试验证

“波形不变性”原理是相关测速声纳的基本工作原理,利用射线声学方法对此原理进行了论述。分析了相关测速声纳的两种设计思路:时间相关和空间相关。提出了采用空间相关的思路设计相关测速声纳样机的具体方法,包括阵型设计、信号设计和软件工作流程,并分别在西太平洋和中国南海进行了两次试验。将海试数据结果与声多普勒流速剖面仪和差分GPS从速度大小和方向上进行了比较,证明了相关测速的可行性,验证了流混响和底混响的相关理论模型、声纳阵设计以及信号处理方法的正确性。     

条带测深仪的信号特征及其动态范围压缩

条带测深仪又称多波束地形测绘声呐。９０年代以来，由于海洋测绘事业的需要，我国已向国外引进并开始自行研制这类声呐。本文首先介绍了它的基本工作原理。第２节分析进入接收机的海底反向散射信号的特征，说明了这一信号有很大的幅值动态范围的原因。第３节讨论了两种不同性质动态范围压缩方法，并给出了实现的硬件框图，软件流程图和部分试验结果。     

分层浅海海洋环境噪声场的射线预报方法

海洋环境噪声场是一个随地域、时间变化的复杂的场，现场快速预报对于环境匹配的声纳系统有重要意义。文章中利用射线声学模型计算了等声速分布、负梯度声速分布、正梯度声速、及任意声速分布条件下分层浅海海洋环境噪声场的指向性、噪声强度和相关函数随深度变化的规律。研究表明：分层浅海海洋环境噪声场与海底特性及声速分布有很大关系；利用射线预报方法可以快速预报分层浅海海洋环境噪声场。     

一种用于多载波水声通信系统的频域均衡算法

自适应均衡器是水声通信克服信道多径衰退、消除码间干扰(ISI)的主要手段。为了在不减少数据传输速率的情况下,有效提高系统的抗多径能力,提出了一种用于水声多载波通信系统的多通道频域自适应均衡算法。利用频域LMS算法,按照最小化频域均方误差的准则调节均衡器,从而获得最优的频域权系数。该算法一方面解决了在频域求得估计误差的问题,另一方面,和采用信道编码的方式相比,在不降低数据传输速率的情况下,有效提高了系统的性能,通过仿真试验和湖试对其性能进行了验证。     

声纳阵元域信号并行仿真系统设计

采用由多片DSP和工控机为核心组成的DSP并行处理系统,进行声纳阵元域信号仿真。为满足实时性与通用性的应用需求,探讨基于并行DSP系统的仿真系统的软硬件结合设计方法。根据仿真算法,设计仿真系统任务流水线并行模式;基于软件工程方法和设计模式,设计便于流水线阶段映射的DSP进程框架和适当粒度的任务封装;采用时延隐藏方式设计DSP间的数据通信。使用表明,这些设计既满足了实时性能的要求,又解决了并行多任务实时系统通常难以进行适应性维护和功能重配置的问题。     

基于空间平滑的多波束测深声呐相干分布源方位估计

在多波束测深声呐的工作环境中,若海底反向散射信号不满足点源假设,方位估计精度将严重下降,而基于分布源模型的方位估计算法可以适应这种环境。目前,大多数分布源算法要求分布源之间不相干,有人提出采用Toeplitz方法估计相干分布源,但该方法精度不高并且忽略了角度扩展参数。为解决多波束测深声呐相干分布源的方位估计问题,提出了基于空间平滑的广义MUSIC方法,公式推导证明了算法的有效性,通过计算机仿真给出算法方位估计的精度以及不同信噪比条件下的性能,最后采用多波束测深系统的实验数据对算法进行了验证。     

基于通用信号处理平台的数字声呐仿真研究

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。分析了数字声呐设计的基本原则,研究了一种利用通用信号处理平台实现传统数字声呐的仿真设计方法。分析了通用信号处理平台的总体设计、硬软件组成及功能特点,利用该平台,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。     

声纳基阵信号模拟器实时软件的开发

声纳基阵信号模拟器是一种实用的、可近似仿真实际监测目标及使用环境的阵元级信号发生器。声纳基阵信号模拟器的使用将有效缩短数字式声纳的研制周期，大大减少湖试和海试的次数。文章中以通用信号阵列处理系统为运行环境，详细介绍了一种声纳基阵信号模拟器实时多任务系统的软件设计与开发过程，分析了该软件系统中所有基本任务的功能以及多任务之间的通信关系，并且最后给出了该实时多任务软件在通用信号处理机上的实现拓扑图。实践证明，该套软件功能完备，且具有很好的实时性和稳定性，非常适用于现代声纳工程领域。     

Motion estimation in wide band synthetic aperture sonar based on the raw echo data using the method of displaced phase center antenna

Phase errors in synthetic aperture sonar (SAS) imaging must be reduced to less than one eighth of a wavelength so as to avoid image destruction. Most of the phase errors occur as a result of platform motion errors, for example, sway yaw and surge that are the most important error sources. The phase error of a wide band synthetic aperture sonar is modeled and solutions to sway yaw and surge motion estimation based on the raw sonar echo data with a Displaced Phase Center Antenna (DPCA) method are proposed and their implementations are detailed in this paper. It is shown that the sway estimates can be obtained from the correlation lag and phase difference between the returns at coincident phase centers. An estimate of yaw is also possible if such a technique is applied to more than one overlapping phase center positions. Surge estimates can be obtained by identifying pairs of phase centers with a maximum correlation coefficient. The method works only if the platform velocity is low enough such that a number of phase centers from adjacent pings overlap.