一种实时水下运动目标轨迹测试系统的设计

　　1 引言

　　在水下运动目标的运动轨迹测试中, 通常采用被动声定位方法实现。即利用声学传感器阵列和电子装置接收运动目标的辐射噪声或水声设备发射的信号,以测定目标的方位。作者提出了一种基于DSP和单片机的水下目标运动轨迹测试方案。该系统分为合作信号产生系统和定位接收系统两大部分。合作信号产生系统安装在水下目标尾部, 作为参考声源发射信号; 定位接收系统安装在固定水域或实验船上, 采用正交十字形水听器阵接收水下目标发射的合作信号, 通过计算声信号到达不同声传感器阵元的时间延迟来估计目标位置[1]。测量的数据再送往PC机, 经过坐标转换, 在屏幕上实时显示出水下目标的运动轨迹。

　　2 系统硬件实现

　　在该系统中, 以DSP, CPLD和单片机为核心器件,完成了系统数字电路部分的硬件设计。合作信号产生系统和定位接收系统的数字电路框图如图1和图2所示。合作信号产生系统根据实际需要, 利用MATLAB仿真生成所需要的波形数据, 预存到数据存储器中。在单片机和CPLD电路控制下, 将数据读出后送入AD7545进行D/A转换; 转换后的模拟信号由功率输出电路进行放大和功率匹配, 最后通过换能器发射[2]。

　　单片机同时还产生一个同步控制信号。为了同步测距,在测试开始前, 需把两部分系统的时钟进行校准, 即合作信号产生系统能在时钟控制下定时、准确地发射合作信号; 而接收系统能在时钟控制下定时、准确地产生一个中断信号, 表明测距计时开始。通过电缆把两部分系统连接在一起, 上电后, 在校准程序控制下, 待两部分的时钟同步并稳定后, 再将其分开, 各自独立工作。两部分系统的时钟是用单片机内部定时器实现的, 因而单片机的外部晶振要有较高的频率稳定度, 以保证定时器计时的准确性。

　　由正交十字形水听器阵接收来的4路弱信号经过滤波、放大等前置预处理后, 由DSP控制AD7864完成采样转换。AD7864是一种高速、低功耗的12位A/D转换器, 它可对4路信号同时采样, 以保留4路模拟信号之间的相位信息。在此硬件系统中, 采用转换后读取数据的方式。DSP在CPLD的配合下, 读取各个通道的数据并同时对数据进行目标参数的解算, 包括目标的俯仰角、方位角。涉及的运算有FFT、时延估计、参数解算等。从单片机接收到的同步信号控制下, 复制出与同步测距信号的周期、脉宽完全相同的信号, 并输出一个控制信号。该控制信号经过CPLD电路处理后, 作为触发信号启动主单片机中的测距计数程序。取经前置预处理后的一路模拟信号, 送入检波电路检波后输出一个触发信号, 关闭主单片机中的测距计数程序, 得到水下目标的距离参数; 同时, 主单片机还要接收DSP处理系统发送过来的方位角、俯仰角, 由主单片机按照一定的发射协议, 将解算出的目标距离、方位角和俯仰角参数通过电平转换芯片MAX232与PC机进行串口通信。