声纳脉冲侦察模块的硬件设计及实现

　摘　要：介绍了声纳脉冲侦察模块的测向测距原理、硬件设计及其实现。声纳脉冲侦察模块硬件电路以数字信号处理器为核心,通过可编程门阵列实现逻辑控制,再配以适当的片外存储器及其它外围电路,从而构成一个嵌入式系统。通过对设计需求的分析,提出了设计思路,给出了设计的具体方案。本模块已通过各项指标测试,工作稳定、性能优良。

测定水下以及水面目标的位置是声纳系统的重要任务,目标的位置由目标的弦角(或方位角)和距离决定。声纳脉冲侦察模块作为声纳侦察系统的一部分,担负着测向和测距的任务。声纳脉冲侦察模块通过测定三路信号的时延差以及时延差的差来测定目标的方位和距离。
　　随着电子技术的发展,水声设备也加速了更新换代的步伐。水声设备的发展方向应该是现代化、小型化、智能化,一些原来用硬件实现的功能可以由软件来完成,这为功能的更新和发展提供了极大的便利。正是顺应这一趋势,作者结合实际进行了声纳脉冲模块的改造。如图1所示,声纳脉冲侦察模块可以分为两大部分:vwin 部分和数字部分。现只就声纳脉冲侦察模块数字部分的设计进行阐述。下面介绍声纳脉冲侦察模块的测向测距原理、硬件设计及其实现。

图1 声纳脉冲侦察模块系统框图

1 声纳脉冲侦察模块测向测距原理
　　目前,被动测距声纳主要有两种类型:共形阵和拖曳式线列阵,它们都是直线阵。共形阵在舰艇壳体上配置三对(左、右舷侧各三个)子阵。阵元的布放可分为对称阵和非对称阵。对称阵的三个阵元在直线上等间距布放,非对称阵的三个阵元的间距之比是1:2。对于三元阵来说,对称阵和非对称阵的测向、测距原理是相同的。由于阵型的差异,非对称阵和对称阵在测距计算、距离模糊的范围、时延测量误差对测距误差的影响等方面也存在差异。
　　下面以非对称阵为例给出测向测距原理^[1～2]。如图2所示,设三元非对称阵首中阵元的间距为d,目标方位角为θ,目标到各阵元的距离分别为r₁、r₂、r₃,其中,r₂为要测定的目标距离r。

图2 三元非对称阵测向及测距模型

　　在极坐标系中,设目标的坐标为S(r,θ),三个阵元的坐标分别为1:(d,0),2:(0,0),3:(2dπ),声速为c,目标信号到达各个阵元的时延差分别为τ₁₂、τ₂₃、τ₁₃。其中,τ₁₂表示阵元1、2接收信号的时间差,τ₂₃表示阵元2、3接收信号的时间差,阵元1、3接收信号的时间差τ₁₃为τ₁₂和τ₂₃两者之和。稍加分析和推导可得到在远场的目标方位的近似公式为:
　　

2 设计需求分析
2.1 声纳脉冲侦察模块的主要任务
　　声纳脉冲侦察模块需要完成的任务主要为:在搜索状态下实时检测声纳脉冲的到达,并快速测量声纳脉冲的频率和目标的方位;在跟踪状态下,进一步解算出目标的距离以及声纳脉冲的重复周期,给出置信度。
2.2 输入输出接口
　　声纳脉冲模块的输入信息包括:左右舷的艏、舯、艉共六路已放大滤波的阵元信号;存储在EPROM中的阵长、水听器阵基线和舰艇的艏艉线之间的夹角和误差修正表;实时测得的水中声音的传播速度;跟踪命令。输出信息包括:搜索状态和跟踪状态显示信息;解算出的频率、方位、距离等数据;故障自检结果。
2.3 软件对硬件的要求
　　按照侦察模块功能要求,系统软件的工作主要由三个进程构成,如图3所示。系统平时工作在实时检测进程;一旦检测到声纳脉冲,系统就进入数据存储进程,将由模/数转换器输入的数据存入存储器;完成数据存储之后进入数据解算进程,解算之后的结果输出给显控台,然后重新进入检测进程。上述过程将一直循环往复。

图3 系统工作进程图

2.3.1 实时检测计算量
　　在实时检测进程中,外部六路阵元输入信号由模/数转换器进行同步并行采样。根据系统要求,每路采样频率为1MHz。数字信号处理器在进行实时检测时要对数据进行降采样处理,使采样频率降为100kHz。数字信号处理器对其中的四路信号(左右舷的艏艉通道)进行实时自适应线谱增强(ALE)运算,以检测声纳脉冲。根据算法分析,计算单路ALE约需要300个指令周期,四通道共需1200个指令周期,若采样频率为100kHz,则数字信号处理器的运算能力应大于120MIPS。
2.3.2 数据存储量
　　当检测到信号时,数字信号处理器开始将六路数据中的三路(左舷或右舷的艏、舯、艉阵元)存入数据存储器中。存储单元的大小是由解算所需的最大数据量、系统的采样速率、三路信号间的最大延时等因素决定的。假设阵长D＝45m,取声速c＝1500m/s,则在±60°扇面内,艏艉阵元之间信号到达的最大延时为:
　　Dsin60°≈26(ms) (3)
　　若系统的采样速率为1MSPS,系统解算数据至少需要30ms长的样本,则在数据存储过程中至少要存储的数据量(从信号到达时刻算起)为:
　　(26ms+30ms)×3×1MSPS=168Kword (4)
2.3.3 数据解算运算量
　　数据存储完毕后,数字信号处理器开始进行参数的解算。解算内容主要包括:粗测时延、频率估计、相位估计、目标跟踪关联等。数字信号处理器在解算过程中不再响应外部的中断,此时是系统工作的盲区。根据声纳使用要求,这个盲区越小越好,这意味着主处理器的运算速度越大越好。据粗略估计,若要求盲区为100毫秒,则160MHz的处理器是能够完成任务的。
2.4 输入信号动态范围
　　根据环境噪声谱级的分析,系统背景噪声的动态范围不超过42dB,再考虑到信噪比要大于13dB,系统输入的动态范围应大于55dB,则ADC的精度应该不低于10比特。
3 硬件设计方案
　　本系统硬件电路采用模块化的设计方案,如图4所示。按照功能大致可以分为四个大的模块:模/数转换模块、逻辑控制模块、数字信号处理器模块、数据存储模块。下面就各个模块的功能及实现方法进行详细介绍。
3.1 模/数转换模块
　　模/数转换模块的功能是完成信号从模拟形式到数字形式的转换。如图4所示,模/数转换器通过逻辑控制芯片与数字信号处理器相连接。模/数转换器的转换需要的时钟由逻辑控制芯片对数字信号处理器的时钟输出信号进行分频得到。

图4 系统硬件框图

　　由前面的分析可知,模/数转换器的转换速率需要在1MSPS以上,转换精度不能低于10比特。这里选用TI 公司的THS1206,其主要特性为:精度为12比特;总的采样速率为6MSPS;可四路同步采样。其它特性可参见参考文献[3]。
3.2 逻辑控制模块
　　逻辑控制模块的功能包括模/数转换器的设置;模/数转换器数据的输入接口;9比特声速数据的输入接口;1比特的控制线输入接口;1比特的故障自检信号接口;静态RAM与主处理器的接口。在逻辑控制芯片上实现了一块双口数据RAM,用以实现解算数据的存储。本系统中的逻辑控制芯片选用Altera公司的FLEX10K系列器件中的EPF10K10AI144-3,其主要特性如下:逻辑门数为10,000,最高工作速率为125MHz。其它特性可参见参考文献[4]。
3.3 数字信号处理器模块
　　数字信号处理器是本系统的核心,由它完成各种控制、检测和解算等。数字信号处理器在实时检测过程中实现对信号的检测。当检测到声纳脉冲时,系统转入数据存储进程,这时数字信号处理器负责进行数据存储的控制;当数据存储结束时,系统进行数据的解算,数字信号处理器从片外RAM中读取数据,完成解算,并负责将结果输出。本系统选用TI公司生产的TMS320VC5416-160芯片,其主要特性如下:指令周期峰值运算速度达160MIPS;128K×16的片内RAM;16bit定点DSP;8M程序/64K数据存储空间。其它特性可参见参考文献[5]。
3.4 数据存储模块
　　数据存储模块由静态RAM构成,完成数据的存储。根据数据存储容量,选用Cypress公司生产的CY7C1041BV33-Z15芯片,其最快存储速度为15ns。其它特性可参见参考文献[6]。
　　另外,其它部分还包括:逻辑控制芯片初始化所需的EEPROM;存放数字信号处理器工作程序的EEPROM;电源管理模块,用以实现电源的管理;一片EPROM,其中存有阵长、水听器基线与舰艇艏艉线之间的夹角和误差修正信息。
4 系统的工作流程
　　首先是数字信号处理器引导自己的程序,对其内部进行各种设置、对各种寄存器进行初始化及内部自检,同时逻辑控制芯片引导程序进行初始化。初始化以后进行板级自检,由TMS320VC5416完成。自检的内容包括:片外的静态RAM(CY7C1041)、片外的EPROM(2716)、模/数转换器(THS1206)等是否工作正常。完成自检后,将自检的结果通过逻辑控制芯片输出。板级自检之后的工作是读入声速参数及从EPROM(2716)中读进所需的参数。上述工作完成之后,系统就进入如图3所示的工作进程中。
5 实验结果
　　在实验室里,用电信号目标模拟器测试声纳脉冲侦察模块的性能,输出结果显示在显控台。表1和表2分别给出了方位和距离测量实验的结果。实验结果的测量条件为:6级海况,信噪比为20dB,声速为1500m/s,目标距离为15km,起始方位为30°,每秒递增0.2°,脉宽为200ms,脉冲重复周期为4s。显控台上频率的显示只精确到0.1kHz,而实际测频误差小于1%,所以对4kHz、8kHz、12kHz的信号进行频率测量时,显示的测量值分别为4.0kHz、8.0kHz、12.0kHz,误差为0%。

表1 方位测量实验结果(均方误差)

频率	右舷	左舷
4.0(kHz)	0.40°	0.26°
8.0(kHz)	0.28°	0.25°
12.0(kHz)	0.27°	0.27°

表2 距离测量实验结果(均方误差)

频率	右舷	左舷
4.0(kHz)	3.88%	3.03%
8.0(kHz)	5.02%	2.21%
12.0(kHz)	3.5%	4.6%

　　脉冲侦察模块是以TMS320VC5416为核心数据处理单元,以FLEX10K10A作为逻辑控制单元的硬件处理系统,具有可靠性高、结构简单灵活、适应性强、运算能力强的特点。该声纳脉冲侦察设计方案经过实验室的各项性能指标测试,达到了某型声纳技术条件规定的各项要求,工作稳定、性能优良。

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针对光电侦察信息网络接入的需求，提出一种实现简单、可靠性高的解决方案。该方案应用W7100A网络微处理器实现光电侦察信息大容量高速数据通信接口。介绍了系统整体结构，阐述了网络接口的硬件设计、软件配置

2016-01-04 17:16:40

微米声纳产品手册_英文版

微米声纳产品手册，完整版，需要的可以下载。

2016-09-07 17:57:47

基于基追踪算法的宽带LFM信号信道化侦察_张剑云

2017-01-08 11:13:29

LFM信号限幅失真对侧扫声纳声图的影响_刘寅

2017-03-19 11:27:34

改进的形态学运算在声纳图像生成中的应用_李莉

2017-03-19 11:30:43

基于DSP和FPGA的多频声纳采集系统设计_刘寅

2017-03-19 11:45:23

DSP并行处理在剖面声纳系统设计方案

2017-11-02 15:16:41

基于声纳扫描成像技术的管桩声纳扫描检测系统设计

了主要功能模块的电路原理图和控制器的软件实现方法，最后进行了室内模拟管桩和工程现场管桩的测试实验。实验表明，研制的声纳扫描检测系统能实时测量显示管桩的轮廓，准确定位并量化管桩的缺陷，具有便携、低功耗、稳定等

2017-11-06 14:35:38

基于FPGA的多波束成像声纳整机硬件电路设计方案解析

引言多波束成像声纳利用了数字成像技术，在海底探测范围内形成距离一方位二维声图像，具有很高的系统稳定性和很强的信号处理能力。但是由于数字成像系统数据运算量大、需要实时成像等特点，对处理器性能要求

2017-11-09 10:26:39

易于工程实现的脉冲信号实时测频算法

脉冲信号是现代雷达主要采用的信号形式，脉冲信号频率测量是雷达侦察中不可或缺的环节，对雷达对抗起着重要的作用。数字化处理是雷达对抗系统发展的趋势之一，常用的数字测频方法包括过零点检测法、相位差分法

2017-11-17 17:12:57

2396

基于FPGA多波束成像的声纳系统设计

给出了一种基于FPGA的多波束成像声纳整机的硬件电路设计方案，介绍了该方案中各分系统的具体电路实现，以Xilinx公司的FPGA芯片作为核心器件，根据干端PC下发的控制指令实现对180个基元的发射

2017-11-18 09:38:01

3400

成像声纳中多波束形成的FPGA工程实现

本文提出了一种计算方法简单、计算量小、所需存储量小的近场聚焦多波束形成的高速FPGA实现方法，用于成像声纳中高精度、高覆盖、高波束数的多波束形成。本方法基于180阵元均匀半圆阵，通过阵元等效弦的转动

2017-11-18 18:45:28

1752

以FPGA为基础的脉冲量采集模块设计详解

元件搭建的单稳态电路来实现．这种电路结构简单易于实现．但其输出信号的精度和稳定度低，易受环境因素影响。因此，有必要设计一种高精度、高稳定性的采集模块来适应技术发展的需求。

2018-07-18 10:30:00

6147

基于GPS秒脉冲的频率源设计与实现

的硬件平台，通过CJPS模块锁定高精度的CJPS秒脉冲，实现高性能的输出频率可调的同步数字锁相频率源的设计。实验测试表明，该系统产生的频率满足同步广播系统对频率源的设计要求。

2017-12-07 11:10:46

基于CAN总线的脉冲电表远程抄表采集模块研究[图]

脉冲电表是目前电力系统用户侧较为常见的一种电子电量表计。对于远程电子抄表系统，要实现对脉冲表输出脉冲的可靠、精确计量。本文研究探讨了对于脉冲表可靠脉冲捕捉、脉冲计量，特别研究了脉冲电表信号输出线路

2018-01-19 05:21:01

551

三块芯片解决实现窄脉冲小信号运放电路

文中设计并实现了一个窄脉冲小信号运放电路。在文章的开始首先介绍了运放的使用背景以及这次设计的目的，然后介绍了设计思路和具体的电路实现，最后对该运放进行测试。测试表明该运放能够对上升沿为50ns

2018-01-26 12:06:00

5010

使用硬件模块实现8051 MCU与I2C™串行EEPROM的接口

本文档内容介绍了基于使用硬件模块实现8051 MCU与I2C串行EEPROM的接口，供参考

2018-03-29 15:03:12

增量编码器脉冲采集解码模块说明书

在脉冲的加减计数过程中不丢失脉冲。该模块还具有独特的闩适应高速动态采样功能，实现最高100次／秒的脉冲测速定时与计数功能。模块根据用户设置的参数将脉冲计数值和测速瞬时值，闩动换算成各种工程数据，如累计值、位移值、旋转角度、实时速

2018-04-24 11:37:20

24通道数据采集模块设计及FPGA实现技术分析

在声纳系统中，需要对从外界输入的声信号数字化后才能进行处理和分析。其中数据采集模块负责模拟信号的采集及传输，它在系统中起着至关重要的作用，而数字化的精度对后期数据处理的精度有着重要影响。本文采用24位∑-△A／D数据转换器构建24通道高精度数据采集模块，满足声纳系统对数据采集模块的精度要求及采集通道的数量要求。

2018-05-11 11:55:00

2118

WiFi模块在智能硬件中的具体应用

继智能手机之后，涌入我们工作、生活中的智能化产品越来越多，传统设备智能化之后，硬件具备连接的能力，实现互联网服务的加载，用户只要通过智能手机中的WiFi、蓝牙就可以实现对设备的控制。本篇SKYLAB君就以基于串口WiFi模块的无线打印机应用为例，详细介绍WiFi模块在智能硬件中的具体应用。

2018-06-13 14:56:00

5377

利用双层CAN总线实现数字式声纳系统的通信设计

随着数字式声纳系统的发展，声纳基阵越来越大，系统功能日趋复杂，一部现代声纳要对几十路甚至几百路的数据进行采集，大容量数据的远距离传输成为声纳设计的重要课题。以往采用的以太网传输方式为超时重发机制

2020-04-11 08:03:00

1611

采用被动探测体制的识别技术实现分布式智能无线信息侦察传感系统设计

战场信息侦察是夺取信息资源的基础和前提，现代战争的信息侦察是全方位的立体侦察，空中、地面、水下都成为抢占信息空间的阵地。利用大量的传感器分布在敌后战场来了解战场环境的变化和探测敌方的动向已成为一种

2018-11-21 09:17:00

2182

电子侦察面临的问题及人工智能在电子侦察中的应用说明

电子侦察：电子侦察是军事情报侦察的重要手段之一，其主要任务是对敌方雷达、通信等电磁辐射源进行截获，分析和识别，从而获取敌方辐射源技术参数，通信内容，所在位置，威胁等级等高价值电子情报

2019-11-08 10:00:17

基于DDS技术的声纳信号模拟器的工作原理

提出一种基于DDS技术的数字化通用声纳信号模拟器的实现方案。通过控制DDS器件输出信号的幅度和相位来模拟成像声纳基阵的输出，可以对任意距离和方位上目标回波进行精确的模拟，并可以模拟运动目标的回波信号。

2019-11-26 14:52:47

965

如何使用FPGA实现静止补偿的PWM脉冲发生器设计

产生 PWM波形，其工作不受 DSP影响。同时介绍了脉冲发生器的基本原理、硬件构成和实现方法。该脉冲发生器已应用在工业和试验运行的± 50 0 kvar STATCOM中，实际运行经验表明，该脉冲发生器精度高、可靠，可解决非对称和无功控制不平滑问题，而且所研制的脉冲发生器也适用于其他类型

2020-01-07 11:15:43

侦察无人机技术和发展趋势

21世纪的无人侦察机将成为侦察卫星和有人侦察机的重要补充和增强手段。它与侦察卫星相比，具有成本低、侦察地域控制灵活、地面目标分辨率高等特点；与有人侦察机相比，具有可昼夜持续侦察的能力，不必考虑飞行员

2020-05-17 10:39:22

11634

脉冲电机速度和什么有关系

　电流的大小决定了扭矩的大小，选用脉冲控制实现电机的定位需要对应的电流输出模块，通过两路脉冲的相位差来实现电机的速度控制，脉冲电机速度具有极高的灵活性。　

2021-10-09 16:03:57

6995

蓝牙模块硬件设计参考

一简介该文基于某款蓝牙模块的硬件设计经验总结，仅作硬件设计参考之用。二天线设计 2.1PIFA 天线设计 2.1.1尺寸要求该天线是...

2021-11-06 19:51:01

超声波测距仪/声纳测距系统的电路分享

这是通用的超声波测距仪或声纳测距系统。市场上有可用的套件版本，但价格当然比您构建自己的声纳测距系统贵 3 倍。

2022-06-23 16:46:32

1867

使用声纳信标进行准确的2D定位

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2022-11-07 10:07:41

使用Arduino和Android制作的声纳操作项目

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2022-11-29 10:19:13

Micro:bit声纳远程运动传感器

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2022-12-27 10:25:00

具有多项专利技术的ELL声纳式外测液位计

年由英国海军的刘易斯·尼克森所发明。是利用水中声波对水下目标进行探测、定位，是水声学中应用最可靠、最广泛、最重要的一种技术。 ELL声纳式外测液位计就是基于声纳回波测距技术实现罐內液位罐外测量的，从而达到了“完全非接触式”外测液位。因此我们的外测技术是非常可靠的。声纳测距原理是

2023-02-08 16:06:15

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资产侦察灯塔系统ARL搭建及使用

ARL(Asset Reconnaissance Lighthouse)资产侦察灯塔系统旨在快速侦察与目标关联的互联网资产，构建基础资产信息库。协助甲方安全团队或者渗透测试人员有效侦察和检索资产，以攻击者视角持续探测资产风险，协助用户时刻洞察资产动态，掌握安全防护薄弱点，快速收敛攻击面。

2023-02-10 15:48:51

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脉冲发生器开源硬件

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2023-06-08 10:17:29

详论硬件模块开发的流程和优点

模块开发就是将系统根据功能不同划分成各种模块，以模块为单位的程序设计，实现新的系统。那么硬件模块开发就是将硬件功能划分成各个功能模块，硬件模块之间建立和组合，达到硬件产品需求设计和开发的目的。目前

2023-01-10 17:53:02

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声纳测绘仪开源构建

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2023-07-05 10:38:48

基于脉冲整形的车速信号检测的硬件设计

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2023-10-23 11:29:40

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声纳脉冲侦察模块的硬件设计及实现

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