DSP在水声定位信标中的应用

　　近年来水声定位技术的应用日趋广泛。对于水下合作目标的定位,无论是长基线、短基线还是超短基线,都可以与安装在被测目标上的水声信标配合使用。工作过程中,信标接收定位系统发射的呼叫信号,在检测到自己被呼叫后发射相应的应答信号,定位系统根据接收到的应答信号对目标的位置进行估计。信标与定位系统的关系如图1所示。

　　在应答工作方式下,信标的性能对决定定位精度起着重要的作用。基于信号处理器(DSP)开发的水声信标,得利于DSP在信号处理、实时计算和功能控制上的优势,可以很好的减小呼叫-应答过程中产生的误差有助于提高定位精度,并能灵活方便的实现系统设计。下面结合我们目前研制的水声定位信标,对DSP在其中的主要应用情况进行介绍。虽然本文讨论的信标是配合一个超短基线定位系统研制的,但是内容具有很强的通用性。

　　1 信号处理器(DSP)板简介

　　DSP板是信标系统控制处理的核心,它通过其软硬件实现了控制接收机增益;采集、检测、处理呼叫信号;获取水深信息;发射应答信号;支持检测模式等功能。

　　DSP板的硬件采用TI公司的TMS320VC33芯片作为主控制器,外围电路包括:复位电路, 128Kx32bit的SRAM, 128Kx8bit的FLASH, 4路最高采样率为500kHz的12bitA/D, 4路建立时间为6~10的12bit低速D/A, 2路最高更新率为125MSPS的12bit高速D/A, 8bit数字I/O口, 1个RS232串口等。DSP板的硬件结构及其与其他部分的接口如图2所示。

　　DSP板上运行的软件是按照模块化设计方法用TMS320C3X汇编语言编写的处理程序。

　　2 关键功能设计与实现

　　2.1 自动增益控制(AGC)

　　信标工作时,由于呼叫信号收、发两端换能器姿态的相对变化,传播损失,水声信道变化等因素,接收机的输入信号会有很大的动态(约80dB)。为了使信标不因此发生误答或漏检,在设计中采用由DSP软件实现的AGC对动态范围进行压缩,处理过程如图3所示。

　　DSP处理程序先将采样后的信号通过数字滤波器去除带外干扰,再对其进行包络检波得到信号的幅值。为了防止各种干扰可能引起的误判,程序设定了脉宽和幅度两个限制准则,只有当输入信号有一定连续点超过幅度门限时才认为信号为真,开始增益调节。这两种准则的门限值均可以灵活设定以适应不同的使用条件。程序还采用了查表与计算结合的方法:根据输入信号幅值与期望幅值之比查出对应的增益值,再根据增益计算出控压值。最后控压将通过低速D/A输出至接收机。为了适应信号的瞬时变化,DSP处理程序在一个脉冲内进行多次AGC调节,随着控压变化量的逐渐减小,接收机输出逐步逼近期望值。图4所示的是在水池实验中对一个脉宽为15ms的矩形脉冲信号进行AGC调节时接收信号在数字滤波器的输出,可以看到信号由限幅被稳定地调节到期望值。实验中将每次AGC调节所需的采样点数设置得较多是为了便于观察,实际上对于平坦的包络输出只需累积几个点就可以调节了,这样AGC的收敛速度会大大加快。