CN214225415U - 一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，涉及水声信号探测、阵列信号处理、声纳潜标系统等技术领域，本实用新型包括十二个安装于圆环阵下方的水听器，所述水听器连接于前放板，前放板插接于调理板上，调理板连接于信号处理板，信号处理板连接有电源，信号处理板由两块ADC模块和ZYNQ芯片组成，解决了锂电池电能浪费、数据存储空间的浪费；传统的声场处理系统存储的数据形式比较单一；不具有实时处理多波束波束形成能力；计算集权向量时循环运算较多，运算时间长，实时性较差，也不能使用较复杂的波束形成算法；方位估计误差较大，且稳健性较差的问题。

Description

一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统

技术领域

本实用新型涉及水声信号探测、阵列信号处理、声纳潜标系统等技术领域，具体为一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统。

背景技术

传统技术的基本情况：

1.传统的声场处理系统主要是依靠预先定时、设定任务的方式来进行工作。这种工作方式没有通信接口，会导致潜标系统在某段时间进行无效工作，所采集、存储的数据也都是无效的，导致整个潜标系统在无效工作，造成锂电池电能浪费、数据存储空间的浪费。

2.传统的声场处理系统存储的数据形式比较单一，仅能预设存储水声原始信号，或者简单的波束形成数据，不能实时更改存储内容。

3.传统的声场处理系统采用FPGA+MCU方案，由于MCU信号处理能力较弱，不具有实时处理多波束波束形成能力。

4.传统的声场处理系统才波束行程中计算集权向量时循环运算较多，运算时间长，实时性较差，也不能使用较复杂的波束形成算法。

5.传统的声场处理系统只是简单的利用常规波束形成进行方位估计，方位估计误差较大，且稳健性较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，以解决上述背景技术中提出的潜标系统在无效工作，造成锂电池电能浪费、数据存储空间的浪费；传统的声场处理系统存储的数据形式比较单一，仅能预设存储水声原始信号，或者简单的波束形成数据，不能实时更改存储内容；不具有实时处理多波束波束形成能力；计算集权向量时循环运算较多，运算时间长，实时性较差，也不能使用较复杂的波束形成算法；方位估计误差较大，且稳健性较差的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，包括十二个安装于圆环阵下方的水听器，所述水听器连接于前放板，所述前放板插接于调理板上，所述调理板连接于信号处理板，信号处理板连接有电源，所述信号处理板由两块ADC模块和ZYNQ芯片组成。

优选的，所述ZYNQ芯片由PL端和PS端构成。

优选的，所述PL端设置有串行通信接口。

优选的，所述前放板由12路模拟功率放大器和一个电源转换模块组成。

优选的，所述调理板由十二路低通滤波和程控增益的12路模拟功率放大器组成。

优选的，所述PS端连接有储存模块SD卡。

优选的，所述PS端连接有DDR模块。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型，通过潜标系统利用串口通信接收上位机指令，可实时更改AD芯片工作状态，实时对软件进行开始采集与停止采集操作，在需要检测目标的时候软件开始采集信号、发送处理数据，有效的降低了电量消耗。

2.本实用新型，通过利用串口通信发送指令实时更改存储的数据类型，存储的种类包括但不限于AD原始数据，FFT频谱数据，罗经数据，窄带波束形成数据，宽带波束形成数据。

3.本实用新型，通过使用XILNX公司的ZYNQ芯片，ZYNQ芯片包含PL(FPGA) 和PS(ARM)两个部分，PL端具有丰富的对外接口，PS端是个双核的A9_ARM，具有强大的数据处理能力，能实时计算多波束波束形成等功能。

4.本实用新型，通过在软件中优化波束形成算法，将运算量较大，比较耗时的加权向量提前存储，在波束形成过程中实时调用，降低了运算时间，可以跑一些比较复杂的算法。

5.本实用新型，通过调用CAPON、对角加载加权向量等方法，在保证远距离检测的稳健性同时将信号检测能力提高。通过使用比幅法测向技术，有效降低了检测的方位误差，提高了测向精度。

附图说明

图1为本实用新型12元低频圆环阵信号处理原理图；

图2为本实用新型信号处理板电路系统框图；

图3为本实用新型低频高阶声场处理系统电路ARM端的工作原理框图。

图中：1、水听器；2、前放板；3、调理板；4、信号处理板；5、ADC模块；6、ZYNQ芯片；7、串行通信接口；8、SD卡；9、DDR模块；10、电源； 61、PL芯片；62、PS芯片。

具体实施方式

为了解决潜标系统在无效工作，造成锂电池电能浪费、数据存储空间的浪费；传统的声场处理系统存储的数据形式比较单一，仅能预设存储水声原始信号，或者简单的波束形成数据，不能实时更改存储内容；不具有实时处理多波束波束形成能力；计算集权向量时循环运算较多，运算时间长，实时性较差，也不能使用较复杂的波束形成算法；方位估计误差较大，且稳健性较差的问题本实用新型实施例提供了一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1-2，本实施例提供了一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，包括十二个安装于圆环阵下方的水听器1，水听器1连接于前放板2，前放板2插接于调理板3上，调理板3连接于信号处理板4，信号处理板4连接有10，信号处理板4由两块ADC模块5和ZYNQ芯片6组成，ZYNQ芯片6 由PL端61和PS端62构成，PL端61设置有串行通信接口7，PS端62连接有储存模块SD卡8和DDR模块9。

采集处理芯片选用的ZYNQ 7020芯片，在其内部可以做采集处理、波束形成预处理、调理控制、千兆网通信等功能；ZYNQ芯片6内部分为PS(ARM) 和PL(FPGA)这两部分，其内部集成了双核A9-ARM和一个7系列的FPGA， ARM端具有丰富的接口，工作主频可以达到800MHZ，内部也具有FPU(浮点处理单元)可以做一些简单的数字信号处理功能，ARM主要是完成多任务管理，包括高阶声场传感器阵列的工作模式、数字信号处理任务管理、存储配置、通信控制等；FPGA端主要是完成对12元传感器信息的采集、RS422通信、程控增益控制等功能。

前放板2由12路模拟功率放大器和一个电源转换模块组成，调理板3由十二路低通滤波和程控增益的12路模拟功率放大器组成。

低频高阶声场处理系统电路FPGA端的工作原理是当值班电路接收到水声指令信息后，对指令信息进行解析，然后输出电源使能信号，控制低频高阶声场处理系统电路电源10按照默认顺序开启，当处理器FPGA启动以后，会将正常工作的心跳信号通过串行总线发送给值班电路的处理器模块，值班电路处理器MSP430接收到心跳信号后，再将声场处理系统中的配置参数(采样率、信号处理方式、存储地址等)发送给FPGA，FPGA对这些命令进行解析后，开启配置ADC、SD卡8等外设接口，来实现低频高阶声场处理系统电路的正常工作，当值班电路接收到关闭声场处理系统工作命令后，值班电路的MSP430 会首先发送给FPGA，FPGA首先会关闭所有外设接口，例如停止ADC数据采集、停止数据存储等，当外设全部关闭完成后，FPGA会给值班电路MSP430发送关闭外设成功的应答信号，值班电路在接收到应答信号以后，再控制电源模块的使能管脚，停止声场处理系统的电源输出。

采集模块设计：采集模块的主要功能是对调理输出的模拟信号进行模-数转换，主要是通过ADC模块5来实现。ADC选用的是ADI公司的AD7768这块芯片，其具有8通道采集、24位分辨率，其最高采样率为256kSPS,动态范围 108dB,总谐波失真(THD)为-120dB,输入端峰峰值为且支持低功耗采样模式，在16kps采样率下，每通道功耗约10mV，其典型应用领域之一就是在声纳潜标领域，因此只需要两片AD7768即可满足本项目使用。

波束形成模块设计：波束形成模块的主要功能时对ADC采集的原始信号进行12路8192点FFT，对反复听结果进行频谱分析，判断信号频率，对有信号的线谱进行36路波束形成，加权向量不需要实时计算得到，事先生成并存储进FLASH中，这样降低了板卡运算时间，提高了信号处理的实时性。

乒乓缓存设计：在波束形成模块里加入乒乓缓存设计，乒乓缓存由两个相同的对象构成缓冲区，两者交替的被读和被写，读写的对象交替进行。使用一个Buf负责维护两个对象及记录其状态，两个缓存状态只需要一个bit 位表示。

快速傅里叶变换(FFT)设计：FFT是离散傅里叶变换(DFT)高效、快速方法的简称，是将时域信号转变成频域信号的常用的基本方法。本课题中对每一路信号分别做8192点FFT。

比幅法测向模块设计：比幅法测向方法是通过将波束能量曲线拟合成二次曲线，求出信号来波方向的精确值，提高了目标测向的精度。由于在一定范围内等效波束主瓣曲线和二次曲线非常相似,所以在允许的误差程度内, 可以通过把波束输出最大值以及与其相邻两个值拟合为二次曲线，并确定二次曲线的最大值所对应方向来估计宽带信号的入射角度。

串口通信模块设计：串口通信模块用于与外界通信，使用RS422协议通过接收不同指令实现基阵的信号采集功能的开闭、目标信息的上传等功能。目标信息主要有目标信号频率、目标信号功率、背景噪声功率、目标方位等。

以太网模块设计：以太网主要是便于潜标系统的调试和程序软件升级，可以在波束形成算法验证过程中通过以太网完成将PC机端的模拟数据通过以太网传输到DDR3中，然后通过处理器读取DDR3中数据进行波束形成相关算法处理，然后再将处理后结果通过以太网传输到PC机中进行结果显示，此外也可以通过以太网接口实现对处理器中功能的远程更新。

数字磁罗盘模块设计：数字磁罗盘模块采用710研究所的MCL302型数字磁罗盘，通过无磁螺柱固定在信号处理板上，数字磁罗盘与信号处理板通过 RS422协议进行通信，并由信号处理板进行供电。数字磁罗盘由上位机校准和更改设置。数字磁罗盘输出声纳潜标的方位脚信息，校准波束形成方位估计得到的基于基阵0波束的目标方位信息。得到基于真北的目标方位角信息。

存储模块设计：存储模块的主要功能是完成对原始阵元域数据、波束形成处理数据、罗经传感器数据的存储。目前存储模块主要是有硬盘存储、SD 卡8存储、FLASH存储这几种主要模式，从体积、功耗、需求等角度进行综合考虑，本课题最终选用了闪迪公司的512GB的SD卡8作为存储模块。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，其特征在于：包括十二个安装于圆环阵下方的水听器（1），所述水听器（1）连接于前放板（2），所述前放板（2）插接于调理板（3）上，所述调理板（3）连接于信号处理板（4），信号处理板（4）连接有（10），所述信号处理板（4）由两块ADC模块（5）和ZYNQ芯片（6）组成。

2.根据权利要求1所述的一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，其特征在于：所述ZYNQ芯片（6）由PL端（61）和PS端（62）构成。

3.根据权利要求2所述的一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，其特征在于：所述PL端（61）设置有串行通信接口（7）。

4.根据权利要求1所述的一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，其特征在于：所述前放板（2）由12路模拟功率放大器和一个电源转换模块组成。

5.根据权利要求1所述的一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，其特征在于：所述调理板（3）由十二路低通滤波和程控增益的12路模拟功率放大器组成。

6.根据权利要求2所述的一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，其特征在于：所述PS端（62）连接有储存模块SD卡（8）。

7.根据权利要求2所述的一种用于目标方位探测的低频高阶声场处理系统，其特征在于：所述PS端（62）连接有DDR模块（9）。

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