一种基于分层级连DSP阵列技术的电子浮标设计

摘要：提出了一种基于DSP技术、GPS技术和无线通讯技术的电子浮标设计方案。介绍了浮标的组成和工作原理，重点分析了DSP处理器的应用和信号级连处理算法。
关键词：DSP GPS 电子浮标 无线通讯

和其他水下目标探测装备（如艇壳声纳、拖线阵声纳等）相比，电子浮标由于没有本舰噪声的影响，对水下目标的探测灵敏度高；此外它可通过飞机布放和回收，具有搜索面积大、侦察效率高、使用方便等优点，已成为侦察、反潜领域的重要装备。而将多个浮标组成网络，就可对大范围海域进行监视。目前，作为数字化海洋的重要组成部分，电子浮标已成 世界海洋国家不惜巨资进行开发的水下目标监测装备。

本文介绍了一种基于分层级连DSP阵列技术的电子浮标设计方案，该方案通过微弱信号检测技术来提取水下目标的声信号；通过差分GPS技术来给浮标进行高精度实时定位；通过DSP技术进行大基阵数据处理；通过无线通讯技术进行数据传输。该系统可较好地在大范围海域对水下目标进行检测、识别、定位和跟踪。

1 系统设计思想

为了使系统实现简单、通用性和可移植性强，采用模块化、分层级连化思想进行系统的结构和软件硬件设计；为了使系统满足应用灵活和应用范围扩展性的要求，在总线设计、软硬件设计、结构设计等方面严格依据标准化规范；为了适应海洋恶劣的操作环境，在结构和硬件设计中充分借鉴便携式和插件式设计方法，同时考虑使系统满足体积小、重量轻和功耗低等实际需要。

2 系统设计方案

本文设计的电子浮标系统是以DSP芯片为中心的全数字、模块化结构，它主要由干端和湿端两大部分组成，两部分之间的信息通过无线数据链路完成扁平型电感。整个系统的工作模型如图1所示。湿端是由电子浮标和之相连的水听器阵组成，主要完成对目模压电感器标声信号的检测和先期处理；干端即监测中心，一般安装在浮标附近的移动或固定平台上，主要完成对湿端传来的目标数据进行存储，实现对目标监视跟踪等功能，它由高性能工控机、无线通讯器和数字录音机等组成。干扰可通过无线指令对湿端浮标进行状态（工作状态/待机状态）切换、水听器阵收放操作以及各种算法相关参数设置等控制。本文主要介绍湿端电子浮标信号处理方面的设计方法，有关浮标的浮力结构、配重等方面的设计以及干端部分的设计方法从略，请参见文献[1]。

2.1 电子浮标的组成和工作原理

电子浮标的主要功能是检测水下目标的微弱声信号，通过并行数字信号处理器对信号延时进行估计，以此对目标进行定位。其组成模块示意图如图2所示。它的基本工作原理是当电子标接收到干端启动指令后，就实时通过水听器阵提取声信号。该信号经过电感器电路符号前置低噪放大、滤波和A/D变换后，进行数字信号相关处理而获得精确的信号延时估计值，进而对目标进行定位解算；电子浮标通过GPS接收机给水听器阵同步定时；目标原始数字信息和解算后的位置信息经过编码处理通过无线数传模块传输到干端监浊中心进行存储和目标监视、跟踪及识别。

2.1.1 前置预处理模块

为了能够实现目标定位功能，水听器阵选用合成系统限公司的T122侦察水听器阵，该阵由2×6个高灵敏度的水听器基元配置成垂直阵和水平阵形成，可在宽频带内产生固定的波束角度。由于水下目标的声信号往往很弱（0级绕行电感器海况下，在水听器接收端的电压约为几微伏），而海洋的环境噪声很强，水听器输入端的信噪比很低，为了进行A/D转换，在前置预处理模块中必须对信号进行放大和滤波处理。前置预处理模块的组成框图如图3所示。采用分级滤波和可变倍数放大是为了逐步消除海洋噪声干扰并提取40Hz～15kHz的目标信号；采用AGC放大是为了将信号1

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