（水声工程专业论文）双频数字测深仪信号处理软硬件设计与实现.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 m 一- - i ln ；i i i i ；i ；i ；i a b s t r a c t d u a lf r e q u e n c ye c h os o u n d e r ( d f e s ) i sak i n do fs i n g l eb e a md e v i c eu s e d f o rm e a s u r i n gl a n d f o r mo fs e a b e d t h o u g hi t sf u n c t i o ni ss i m p l e x ，i t sp e r f o r m a n c e i sm o d e r a t e ，p r i c ei sl o w , a n di ti sc o n v e n i e n tt ou s e s oi ti ss a l a b l ea n dw e l c o m e b yv a s tm o d e r a t ec u s t o m e r s t h em a i nt a s ko ft h e t h e s i si st od e s i g ns i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mo fd u a l f r e q u e n c ye c h os o u n d e r ( d f e s ) ，i n c l u d i n gh a r d w a r e a n ds o f t w a r e s p e c i f i c c i r c u i to ft h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so f w o r k i n gp r i n c i p l eo fe c h os o u n d e r h a r d w a r ew a sr e a l i z e d ，b a s e do nw h i c h t h e d s ps o f t w a r ew a sc o m p i l e d f i n a l l ys y s t e m a t i ca s s e m b l ya n de x p e r i m e n tw e r e c a r r i e do u ta n dr e s u l to ft h ee x p e r i m e n tw a sa n a l y z e d c i r c u i to ft h es i g n a lp r o c e s s i n gb o a r dw a sd e s i g n e da n ds p e c i f i cs o l u t i o no f d s ps o f t w a r ew a sd e c i d e d s i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r ea n dc p l ds o f t w a r ew e r e c o m p i l e d s e v e r a ls i g n a lf o r m sc a nb es e l e c t e d ，i n c l u d i n gc wp u l s eo f d i f f e r e n t w i d t h ，l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t e ds i g n a la n df r e q u e n c yh o p p e ds i g n a la n ds o o n t w oa l g o r i t h m s ，f r o n te d g em e t h o da n de n e r g yc e n t e rc o n v e r g e n c em e t h o d c a l lb es e l e c t e dt oa c h i e v et h eg o a lo fd e p t hm e a s u r e m e n t b a s e do nt h ed i s c u s s i o n o fs e v e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，c o r r e l a t i o na n df i rf i l t e r i n gw e r es e l e c t e dt o c o m p l e t ep r o c e s so fe c h ow a v e c o n c e r n i n g t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n d c o m p u t e r , t h ei d e ao fp i n g p a n go p e r a t i o nw a sa p p l i e d ，w h i c hi n c r e a s e de f f i c i e n c y i no r d e rt om a k et h ec h a n g eo fd e p t hr a n g em o r es t a b l ea n dd e p e n d a b l e ，v a r i a b l e p r o t e c t i n gd e p t hw a sa d d e dw h e nt h ed e p t hr a n g ew a st oc h a n g e w i t hr e f e r e n c e t oc wp u l s eo fd i f f e r e n tp u l s e s ，c o r r e s p o n d i n gb a n dp a s sf i rf i l t e r sw e r e d e s i g n e d c o n c e r n i n g d i f f e r e n t d e p t hr a n g e ，c o r r e s p o n d i n gb l i n dr a n g e a n d t r a n s m i t t i n gp o w e rw e r ed e c i d e d s i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r ew a sc o m p i l e db yca n da s s e m b l yl a n g u a g e r e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a th a r d w a r es y s t e mw a ss t a b l ea n ds o f t w a r e r a i ln o r m a l l y t h ef u n c t i o no fd e p t hm e a s u r i n gw a sa c h i e v e d t h et a s ko ft h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h e s i sh a sl a i daf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：d u a lf r e q u e n c ye c h os o u n d e r ( d f e s ) ；b a n dp a s ss a m p l i n g ； f r e q u e n c y - h o p p e d ；e n e r g yc e t e rc o n v e r g e n c e ；b o o t l o a d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期： 哈尔滨 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 测深仪概述 测深仪是一种常见的水深测量设备，它利用声波在水中的传播速度为己 知条件，测定声波由发声换能器发出声音经水底反射后再回到发声换能器时 所经过的时间，从而可以知道观测处的水深。海洋覆盖了地球表面的7 2 ， 平均深度为几千米，海底蕴藏了丰富的矿产、石油、天然气等资源，被称为 地球资源的聚宝盆。特别是随着陆地资源的日益减少，人们对海洋资源的重 视日益提高。但是浩瀚的海水阻隔了人类的视野，对海洋资源的开发需要专 门的测量仪器和设备，也远比陆地复杂费事的多。尽管如此，人类对海洋的 探索一刻也没有停止过，世界各国利用二十世纪末开发的海洋高新技术对海 洋开展了各式各样的活动，并取得了长足的进步。例如资源勘探、地形地貌 测量等“。 开发海洋资源必须首先进行海底地形测量，这就需要高精度、高效率的 海底地形测量设备。 我国是一个海洋大国，海岸线很长，有3 0 0 万平方公里的海洋国土。国 的海洋石油气资源十分丰富，是重要的能源后备基地。但是我国发现的海上 大型油气盆地几乎都位于与周边国家存在争议的边界附近：在我国传统海域 内，每年外国掠走的石油达一千万吨，天然气达一百七十万亿立方米。而且 我国东南部海域属军事敏感区域，时有各种矛盾发生，为维护我国海洋权益， 发展独立自主的高新海洋技术已迫在眉睫。研发先进的海底地形地貌探测设 备成为首要的任务们。 推出新产品需要及时的技术支持，同时需要对已有技术进行完善。本文 的研究工作正是基于目前在研的双频测深仪而开展的。 1 2 国内外测深技术的发展与展望 6 0 年代水深测量的主要方式是水陀。7 0 年代后期主要是以测深仪为主， 第一台单波束回波测深仪，使得人们可以用现代测量技术去探测海洋。单波 束回波测深仪利用换能器向水下发射一个声波束并接收海底的回波信号，若 哈尔滨工程大学硕士学位论文 海水中的声速己知，则通过测量声信号在海水中的传播时间可以计算出水深。 单波束回波测深仪采用前沿检测技术，只能测量出垂直深度( 通常对应信号前 沿) ，不能对其他位置的深度进行检测，而且它的波束宽，因此地形分辨率差， 在复杂地形海区工作会产生较大的测量误差引。 2 0 世纪8 0 年代中期引进了四波束测深仪。四波束测深仪在港口泊位测 量中发挥了极大的功效，在障碍物探测和浅点扫测方面为海事系统立下了汗 马功劳。日产p s 6 0 0 四波束测深仪是此类测深仪的典型产品。 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机技术的普及要求测深仪的使用不再局限于 模拟水深，同时要求实现数字化水深测量，完成与计算机的联机功能，从而 实现水深测量自动化，使整个测量过程人工干预的情况越来越少，提高工作 效率和水深测量精度。多波束测深仪的出现极大地减轻了测量人员的工作量， 并极大地提高了测量的精度和完整性。一般永久安装在专业调查船上，可分 为浅水、中深水和深水型。多波束海底地形、地貌测量技术的诞生是当代海 洋测深技术史上的一次革命性飞跃，它突破了海洋传统测深理论的框架，将 世界海洋技术的发展推上了新的高度。 多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合测量系统引。1 9 5 6 年夏季， 在美国的w o o d sh o l e 海洋学院召开的一次学术研讨会上首次大胆地提出了 多波束测深的构想，立即在科学家中产生了反响，并引起了军方的注意。1 9 6 0 年美国海军研究局( o n r ) 开始制定这一构想的实施计划，至1 9 6 4 年美国通用 仪器公司率先推出世界上第一代多波束条带测深产品s a s s 系统( s o n a ra r r a y s o u n ds y s t e m ) ，但产品最初主要是用于军事领域。 2 0 世纪8 0 年代多波束条带测深技术进入了成熟期口引，这一时期分离波 束相位差的高精度估计方法和位偏离处理的边缘波束处理等技术的问世，使 得测深技术取得了突破，利用多波束技术进行大面积扫海成为了可能。 同时，另一趋势是实现多波束测深与侧扫声纳的功能合p 引。侧扫声纳 能够将海底回波的强度信息转换为侧扫图像数据，从而获得海底的地貌图。 在较长的一段时间内多波束条带测深仪和侧扫声纳是作为两类不同的声纳设 备并行发展的。现代多波束条带测深仪的采样数据量己经达到了侧扫声纳的 水平，通过检测接收信号的强度信息同样可以获得侧扫图像数据，从而出现 了两者合一的系统。 2 哈尔滨工程大学硕七学何论文 近些年来，随着高性能计算机技术、高精度定位技术和数字化传感器以 及其他相关高新技术的迅速发展，多波束测深系统也得到了迅速发展。从9 0 年代商业实用型多波束测深系统的问世，该系统向着小型化、多功能、高精 度、高集成、综合化和标准化发展。 我国多波束测深设备的研制开始于1 9 9 1 年。1 9 9 3 年由哈尔滨工程大学 和天津海洋测绘研究所等单位联合开展研究，当年研制完成h c s 0 1 7 型条带 测深仪工程试验样机，于1 9 9 8 年生产出正式产品并通过技术鉴定。工作深度 为1 0 到1 0 0 0 米，有4 8 个测深波束，最大测量覆盖宽度为4 倍水深，工作航 速不大于1 2 节，是我国自主开发的第一套实用型产品。产品已经装备某新型 海洋测量船，并在实际使用中取得良好效果。h c s 0 17 型条带测深仪的研制 成功填补了国家空白，使我国跻身世界具有独立开发与研制能力的先进国家 之列m 。 开发以多波束系统全覆盖高精度探测技术为重点，形成海底地形地貌控 测技术、侧扫视像技术、高精度导航定位技术、高分辨率地震探测技术、双 船折射广角反射地震技术、三维地震层析成像技术、海洋动态大地测量基准 技术以及图形技术、模式识别技术、自动成图技术、人工智能解释等技术集 成的系列产品，将是未来多波束系统的目标。此外，虽然多波束条带测深仪 的技术性能远高于单波束回声测深仪，但几十年来，销售量始终非常有限。 单波束回声测深仪尽管是功能单一的老产品，每年的销售量却很大，这是因 为多波束条带测深仪的高性能并不适合广大中小用户，而且体积庞大、系统 复杂、价格昂贵等，这些都限制了它们的推广使用。中小用户需要的是性能 适中、价格低廉、使用方便的设备，这当然也是测深技术今后的发展方向。 1 3 测深仪的研究意义和课题背景 ( 1 ) 在海洋作业方面的意义引 海底地形测量是海上交通运输、航道疏浚、海底电缆铺设和海底施工等 海洋工程所必须的作业步骤。根据大陆架界线委员会制定的技术指南，按自 然延伸原则提出大陆架要求，必须找到大陆边缘，包括大陆坡坡脚转折点、 大陆坡坡底区域、2 5 0 0 米等深线、1 沉积岩厚度等，至少需要5 种证据： 单波束回声测深数据、多波束回声测深数据、测深侧扫声纳测量数据、相干 哈尔滨工程大学硕士学1 1 i ) ：论文 侧扫声纳测量数据和地震反射得出的测深数据。2 0 世纪9 0 年代，中国从国 外引进了8 套多波束测深系统，运用于最新的海洋勘测，对争议区进行了地 质地球物理调查，获取了划界谈判必不可少的资料。然而，中国目前的勘查 工作还不能完全满足其管辖海域海洋资源开发和申请外大陆架的要求。 ( 2 ) 在民用方面的意义 我国不但有广阔的海洋领土，内陆的大小湖泊、河流同样是我国的宝贵 水利资源。水位的提供是水深测量的必要组成部分，目前中国海事局管辖的 固定水文站有1 0 余座。利用自行研制的水位自动测报系统，实现水位站水文 资料的自动化采集，为港口航道测量提供及时、准确的水位资料。我国的三 峡工程明渠截流任务中也投入使用了s e a b a t 9 0 015 多波束测深及前视声纳系 统，取得了良好的效果。 由此可见我国多波束系统应用多为海洋地质地貌方面，一般是通过开发 专用设备来解决单一领域内的需求。但是这种专用多波束测深仪的高性能并 不适合广大中小用户。 综上所述，目前的水下勘查技术主要有高精度水底探测技术和水底浅地 层剖面探测技术。但设备使用显然不如西方发达国家普及，我国内陆大小湖 泊、河流使用高精度探测设备的非常少。国内应用领域狭窄，究其根源，设 备成本昂贵、设备体积过大、安装使用操作复杂、精度不高，是其中的主要 因素。因此开发一套拥有自主知识产权的小型化的商业实用型测深系统，对 于提高我国水域的勘测和开发能力有着重要的现实意义。 随着数字处理器件的高速发展和计算机技术的日新月异，研发更加先进 的、小型化的海底探测设备势在必行。因此，研究性能适中、价格低廉、使 用方便的新型单波束双频数字测深仪具有开发的价值和意义。 1 4 回波测深原理 双频测深仪采用回声测距原理晖叫，工作原理如图1 1 所示：船的侧面安 装有收发合置的换能器，换能器以间歇形式向海底发射超声波，声波到达海 底后，一部分能量被海水吸收；一部分能量被海底反射回来，被换能器接收 后转换为电信号，然后用信号处理的方法对回波信号处理，达到测量水深的 目的。测量一个声探测脉冲从发射开始到接收到海底回波信号之间的时间间 4 哈尔滨丁稗大学硕士学位论文 隔，根据以下公式计算水深： h = d + h 1 = d + ，、 - c t ( 1 1 ) z 式( 1 1 ) 中，h 为水深；d 为吃水；t 为声波从发射开始到接收到海底回波 信号之间的时间间隔。c 是水中声速( 水中声速范围1 4 0 0 - - - 1 6 0 0 m s ) 。根据 此公式，只要测得t 就可以得出水深了。 图1 1 测深仪原理图 1 5 双频数字测深系统简介 1 5 1 设计要求 作为一款面向民用市场开发的测深设备，从安装对象来说，以后一般只 会被安装在小型船舶上。小型船舶的内部空间比较狭小，电源的提供能力也 比较弱，同时当用于海上作业时，小型船舶的稳定性也比较差。从使用对象 来说，主要是以测绘部门的科研及工作人员为主，他们人员的流动性比较大， 设备的使用必须简单易用，以利于他们能快速掌握设备的使用。考虑到这两 点，双频数字测深仪在设计过程中主要着重要解决以下几个问题： ( 1 ) 体积小 气 哈尔滨t 程大学硕十学伶论文 ( 2 ) 可靠性高 ( 3 ) 功耗低 ( 4 ) 处理能力强 ( 5 ) 外围接1 3 类型丰富 ( 6 ) 通信能力强 1 5 2 技术指标 测深仪设计的基本原则酣： ( 1 ) 可精确提供船舶正下方水深的正确信息，确保其测深范围、指示方 式、量程、标尺比例、记录、测深精度、横摇与纵摇符合船舶导航仪器设 计手册性能要求。 ( 2 ) 仪器符合i m o 、z c 、g j b 的有关规范要求。 ( 3 ) 确保仪器的实用性、可靠性、可维护性和先进性。 技术要求： ( 1 ) 技术参数 测量范围：高频通道o 3 1 5 0 m ：低频通道o 3 2 0 0 0 m 。 测量精度：高频通道0 0 1 m + 0 1 ；低频通道0 1 0 m _ + 0 1 。 分辨率：0 0 1 m ( 2 ) 功能要求 数据存储与记录：数据存储时间不少于2 4 小时，可回放处理，记录采用 打印机输出方式； 提供标准打印机接口，水深数据可实时打印记录； 显示方式：1 2 1 ”f t 显示，分辨率8 0 0 6 0 0 ，彩色，连续波形显示； 外接端口：打印口、r s 2 3 2 、u s b 口，g p s 、涌浪滤波器等多种外设输 入，数据输出应符合：n m e a 、o d o me c h o t r a c 等多种输出格式。也可 接收外部计算机的控制指令： 多种定标功能( 手动、自动和外部控制定标) ； 多种报警功能； 灵敏度控制、发射功率、脉冲宽度控制： 吃水、潮位等参量调整； 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i n 一i； n i ；i i i ；i i ；i i i i ；i ；i 暑i ；i ；宣；i ；i i i i ；i i ；蜀 实时时钟显示； 自动换相功能； 仪器可手工操作，也可全自动控制； 面板操作采用触摸屏式，可外接键盘、鼠标，提供分显接口。 1 5 3 总体方案设计 根据设计要求和技术指标，设计的系统硬件部分包括收发合置的换能器， 母板，电源板，计算机板，数字信号处理板，模拟发射板，模拟接收板。母 板上有插槽，供插计算机板，数字板，发射，接收板等。双频换能器，高频 2 0 8 k h z ，带宽5 k h z ；低频2 4 k h z ，带宽3 k h z 。数字板上需要的工作电压有 9 v ，+ 5 v ，发射板需要的电压有4 8 v ，计算机板需要的电压有+ 1 2 v 等。 因此在电源板上集成了多个电源模块，为其它板上器件提供必须的工作电压。 软件分计算机实时深度图像显示控制软件，d s p 信号处理软件和c p l d 逻辑控制软件。 显示控制软件是整个系统的控制中枢，负责整个系统的同异步控制，与 外部接口的联接，对现场的数据进行记录、分析并实时地显示处理结果，采 用压缩算法将测深图像数据压缩存储等，可通过触摸屏的控制来完成操作。 显示控制软件采用v c + + 语言编写，软件工作于w i n d o w s 2 0 0 0 ( 或n t ) 操作 系统平台之上，输入使用触摸屏操作，显示采取1 2 1 液晶显示，分辨率为8 0 0 6 0 0 。 d s p 信号处理软件是整个系统的核心。具体功能包括数字脉冲信号的产 生，回波信号的采集与处理，实时深度解算，每个同步周期内通过双口r a m 上送检波数据和深度值等。分高频2 0 8 k h z 和低频2 4 k h z 两个独立通道，每 一个通道由一片d s p 处理器处理。系统分手动、自动和搜索三种工作模式。 手动模式，工作参数由人工设置，发射信号形式，量程，发射功率等都是人 工调整的。搜索模式，在变步长同步脉冲的节拍下，量程由浅到深，发射脉 冲并采集回波，判断水底回波到达时刻，搜到底回波后，系统转为自动模式。 自动模式，系统根据前一个同步周期的处理结果实时调整发射脉宽，发射功 率，工作量程等参数，自动进行回波测量，深度解算，每个同步周期内中断 主机，上传深度值和检波数据。显示控制软件根据深度值和检波数据进行实 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时深度图像显示。d s p 信号处理软件采用c 和t ic 5 0 0 0 汇编语言编写。系 统总体框架用c 语言完成，其中涉及到运算量大的相关、滤波等算法采用汇 编语言实现，充分利用d s p 处理器在信号处理方面的硬件优势。 c p l d 逻辑控制软件在协同系统工作方面起着重要的作用。具体功能包 括系统搜索模式下变步长同步和自动模式下固定步长同步信号的产生； p c i 9 0 5 4 读写双口r a m 左侧时序的建立；系统工作模式的切换；主机中断 的产生；d s p 复位信号的产生等。 1 6 论文主要工作及内容 论文的主要工作包括两方面。第一，设计信号处理板的硬件电路，包括： 接口电路、数据采集电路、c p l d 控制逻辑电路、存储电路、d a 等电路； 第二，编制了高频、低频通道两套相应的信号处理软件。具体有以下几个方 面： ( 1 ) 数字信号处理板的硬件电路设计和实现。包括高频和低频两个通道， 使用两片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 定点处理器，两片a d ，两片d a ，两片双口r a m ， 一片c p l d 芯片等实现与模拟接收板、模拟发射板的接口，与计算机p c i 总 线的接口等。 ( 2 ) 测深仪工作原理分析及信号处理算法研究。用m a t l a b 软件进行了 仿真，分析发射信号形式的选取和处理方案等。为系统的工程实现奠定了理 论基础。 ( 3 ) 数字信号处理板d s p 软件的开发。在c c s 开发环境下完成了高频、 低频通道两套d s p 软件。包括数据采集，滤波处理，线性调频信号的拷贝相 关处理，回波时刻判断以及深度解算部分的d s p 程序开发。软件采用c 和汇 编语言编程实现，c 语言实现系统框架，汇编语言完成信号处理关键算法。 软件运行效率高，便于维护和升级。 ( 4 ) 在q u a r t u si i 开发环境下完成c p l d 控制逻辑的编程，采用v h d l 硬件描述语言实现。功能包括系统工作使能，模式控制，p c i 9 0 5 4 访问双口 r a m 逻辑的实现，系统搜索模式变步长同步脉冲的产生和非搜索模式同步脉 冲步长的控制，乒乓操作的实现，d s p 复位信号的产生等。 ( 5 ) 软硬件集成与实验。分析实验结果，并对系统进行了优化。 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章测深仪信号处理方案 2 1 数字信号带通采样技术 2 1 1 采样方式的选取 双频测深仪采用两个独立的通道，高频通道信号频率为2 0 8 k h z ，作用距 离1 5 0 米，带宽1 0 k h z ，低频通道信号频率为2 4 k h z ，作用距离为2 0 0 0 米， 带宽5 k h z 。若采用n y q u i s t 采样，高频通道z 为2 0 8 k h z ，带宽b 取1 0 k h z ， 疋= 2 x ( 2 0 8 + 5 ) = 4 2 6 k h z ，用4 2 6 k h z 的频率采样1 0 k h z 带宽的信号，效率 显然十分低下。考虑到硬件的实时处理能力有限，因此必须寻找一种适合的 采样方法。 目前应用较为广泛的采样方式主要有奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样、正交采样、 带通采样和s i g m a d e l t a ( r , 一) 采样等引。 n y q u i s t 抽样定理的基本意义是：二个频率限带信号工( ，) ，其频带限制在 ( o ，以) 内，其中以为信号的最高频率分量。如果用z = 2 l 的采样频率对z ( ，) 进行等间隔抽样，得到的离散信号x ( n ) = x ( n t s ) ，那么x ( f ) 信号将被所得到 的采样值x 仞) 所确定，抽样后的信号频谱不发生混叠，因此可以用滤波器恢 复原始的限带信号_ c ( f ) ，该信号是零频附近的基带信号。在实际应用中，为 了使前级抗混叠滤波器易于实现，提高输入信号的信噪l 匕( s n r ) ，一般z 取石 的2 5 倍以上。 尽管n y q u i s t 采样有许多优点，但对频率可能取得比较高的中频信号， 中心频率厶远高于信号所携带频谱宽度，根据基本抽样定理知道，此时抽样 频率疋 2 f o ，这样不仅要求高性能的成本很高的a d 转换器，而且后级接1 2 1 电路必须使用高速逻辑电路，高速的抽样数据又大大的加剧了数字信号处理 的压力，还增加了整个电路板的布线、制版工艺难度，而且低采样频率能够 降低芯片的工作电流，从而降低器件功耗。 带通抽样定理是n y q u i s t 抽样定理的进一步扩展。它利用较低的采样速 率来反映信号特性，减少了抽样样点数目；同时还达到降低信号中频的作用， 很大程度上减少了后面的d s p 芯片对信号的处理负担，这些处理都降低了系 9 哈尔滨工程大学硕十学何论文 统对a d c 器件和信号处理芯片的性能要求，在实际使用中可以采用一些通 用芯片就可以满足要求，同时运用带通采样定理能够降低芯片的工作电流， 降低器件功耗。 2 1 2 带通采样技术 窄带信号的频谱如图2 1 。图中带阴影图形为信号的频谱，虚线图形为信 号的负频率移位一1 次和移位次。为了采样后的信号不失真，不使移位后 的负频率部分的映象谱和原谱的正频率部分交叠，应满足条件酗： 一哆+ n c o s 哆 ( 2 一1 ) 一i + ( n 一1 ) c o ，c o l ( 2 - 2 ) 图2 1 窄带信号带通采样频谱搬移图 由此可得出采样频率的允许范围是： 一2 0 ) 2 c o 竺l (2一)s 3l ( 2 - ) f一l 其中国。为采样频率，劬为信号频率的下限，鸱为信号频率的上限，只 能取正整数。且1 n i n t ( c 0 2 b ) 。 数字信号处理板上采用了t i 公司的a d s 8 3 6 1 模数转换器，精度1 6 b i t ， 最高采样率5 0 0 k s p s 。d s p 的片上外设多通道缓冲串口( m c b s p ) 内部有采样率 发生器寄存器，对d s p 主频分频得到所需的采样率时钟，同时产生帧选通脉 冲，驱动a d 采样转换。 a d s 8 3 6 1 最多可同时转换四路输入信号，有四种工作模式可供选择，通 1 0 哈尔滨广稗大学硕十学付论文 过设置模式控制管脚电平的高低来决定工作模式。具体介绍见第3 章数据采 集部分。下面介绍不同工作模式下，通过配置m c b s p 中的采样率发生器寄 存器得到所需的a d 转换采样率。 ( 1 ) a d s 8 3 6 1 工作在模式一 d s p 的主频为2 0 0 m h z 。m c b s p 每2 0 个串行周期一次采样。 高频脉冲信号频率2 0 8 k h z 。若带宽为1 0 k h z ，则劬= 2 0 3 k h z ， 哆= 2 1 3 k h z 。 当n = 4 时，1 0 6 5 k h z c o 1 3 5 3 。, k h z 当n = 5 时，8 5 2 k h z c o 。1 0 1 2 k h z 。 低频脉冲信号频率2 4 k h z 。若带宽为1 5 k h z ，则以= 1 6 5 k h z ， 2 = 3 1 5 k h z 。 当n = 2 时，3 1 5 k h z q 3 3 k h z 。 当n = 1 时，。6 3 k h z ，即为奈奎斯特采样速率。 对于高频通道，取n = 5 ，则初始参数2 0 0 0 0 0 u 2 0 1 0 0 k = 1o o ，所以采样 频率为2 0 0 0 0 0 k h z 2 0 1 0 0 = 1 0 0 k h z 。 对于低频通道，取n = 2 ，则初始参数2 0 0 0 0 0 k 2 0 3 2 k = 31 2 5 ，所以采样 频率为2 0 0 0 0 0 k h z 2 0 3 1 2 = 3 2 0 5 2 1 k h z 。但是d s p 的时钟分频因子寄存器 c l k g d v 只能取0 2 5 5 之间的数，无法取到31 2 的分频因子。所以对低频 2 4 k h z 的c w 脉冲只能采用奈奎斯特采样速率。此时c l k g d v 取15 9 ，采样 频率为2 0 0 0 0 0 k 2 0 15 9 = 6 2 8 9 3 k h z 。 ( 2 ) a d s 8 3 6 1 工作在模式二 d s p 的主频为2 0 0 m h z ，每2 0 个串行周期一次采样。双路交替转换，单 路输出。 高频脉冲信号频率2 0 8 k h z 。若带宽为4 0 k h z ，则劬= l8 8 k h z ， 纸= 2 2 8 k h z 。n 取值范围为1 n 5 。 当= 4 时，11 4 k h z 缈1 2 5 3 3 k h z 。 当n = 5 时，9 1 2 1 d - i z 缈9 4 k h z 。 低频脉冲信号频率2 4 k h z 。若带宽为15 k h z ，则以= 1 6 5 k h z ， 皱= 3 1 5 k h z 。n 取值范围为1 n 2 。 当n = 2 时，3 1 5 k h z c o s 3 3 k h z 。 l l 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 当n = 1 时，缈。6 3 k h z ，即为奈奎斯特采样速率。 对于高频通道，取n = 5 ，则初始参数2 0 0 0 0 0 k 4 0 9 3 k 5 3 7 6 ，所以采 样频率为2 0 0 0 0 0 k 4 0 5 4 = 9 2 5 9 2 k h z 。c l k g d v = 5 3 。 对于低频通道，取n = 2 ，则初始参数2 0 0 0 0 0 k 4 0 3 2 k 1 5 6 2 5 ，所以 采样频率为2 0 0 0 0 0 k 4 0 1 5 6 3 2 0 5 1 3 k h z 。c l k g d v = 1 5 5 。 2 2 信号的形式与参数选取 测深仪量程最大可达2 0 0 0 米，海底地形多变，只用一种信号形式是不行 的。在小深度平坦海底，回波强度大，c w 脉冲是最佳信号形式；从技术指 标上考虑，获得小的距离分辨力需要发射宽带信号并进行回波脉冲压缩，l f m 信号可以满足这一要求。在大深度，复杂地形情况下，选择长脉冲的跳频信 号。下面对这几种信号逐一介绍n 1 。 2 2 1 几种信号形式 2 2 1 1c w 脉冲 单频矩形脉冲的时间函数可表述为 印) = k 删髫1 ( 2 _ 4 ) c w 脉冲的时延及频移分辨力不可兼得。脉冲宽度增大时，频移分辨力 将改善，但时延分辨力变差；反之，当采用较短的脉冲工作时，时延分辨力 提高，但频移分辨力下降。 2 2 1 2l f m 脉冲 线性调频脉冲信号的时间函数可表述为 ) = a e x p j ( 2 0 f o h 砌2 如嚣2 ，陀1 ( 2 - 5 ) 其瞬时频率为 f ( t ) = 芴1 瓦d 删= f o + k t f h 2 ，r 2 】( 2 - 6 ) 其中 1 2 哈尔滨工程大学硕十学何论文 七：if(2-7) 丁 为信号频率变化率，或称为调频斜率；f 为信号的调频宽度 比较c w 脉冲与l f m 脉冲： 对于相同多普勒频移分辨力，l f m 脉冲的时延分辨力高于c w 脉冲，因 为脉冲宽度一定时，l f m 脉冲信号可以单独调节b 来改变时延分辨力；对于 相同的时延分辨力，l f m 脉冲的频率分辨力高于c w 脉冲，因为l f m 脉冲 信号可以在b 保持恒定时单独调节t 来改变频率分辨力；l f m 脉冲信号的 距离分辨力比长c w 脉冲好，但不如短c w 脉冲，其速度分辨力比短c w 脉 冲好，但不如长c w 脉冲。 2 2 1 3 跳频信号 跳频信号是由n 个子c w 脉冲组成， z ，信号形式为： n s ( f ) = 墨( f z ) i = 1 各脉冲的脉宽均为t ，频率分别为 ( i = 1 ，)( 2 8 ) 其中s j ( t ) 为子脉冲，其形式为 s 砧) = w r ( t ) e 月。 ( f = l ，) ( 2 9 ) 而z = ( f 1 ) r 。子脉冲频率的排列顺序是按照c o s t a s 阵列确定的，这样 的排列能够确保相邻频率排列在一起的次数只有一次。理论分析表明，这样 的信号具有尖锐的主瓣和低旁瓣，接近理想的图钉形的模糊度函数。关于 c o s t a s 阵列的详细叙述见参考文献【3 9 】。 2 2 2 信号的参数选取 测深处理时，要求有高的距离分辨力。一般采用高频发射信号，然后将 接收到的回波信号混频到低频进行处理，以达到既能有较高的方位分辨力， 而又不使运算量过高的效果。对于高频( 2 0 8 k h z ) - - 路，设所用的跳频信号带 宽为b ( s k h z ) ，混频后的中心频率为f ( 2 2 8 1 4 k h z ) 。 口8 d6 04 剖。2 堇 口 1 里- 02 04 06 州 芏 里 时间( ) 图23 跳频信号带通采样斤作满分析后的结果 t ，v 1 ， 1i 。 t i iiiijili_li=_ih “_ i i 一 丁一，：一 一一；| u i ，i i i 一 一 一 一 。r，p，0 也媚学等 我 一学 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 跳频信号波形和处理后的结果如图2 2 和图2 3 所示。采样频率取 9 2 5 9 2 k h z ，考虑到本系统采用的t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 的处理能力，信号的分段 数取n = 8 ，且应满足= b 丁= 8 的关系，其中丁为信号持续时间。因此， 在此情况下每段子脉冲持续时间为f = 丁，而频率间隔为 a f = b n ( 6 2 5 h z ) 。按照c o s t a s 阵列排列的频率跳变形式为 厂= ( 万一b 2 ) + k ，。高频通道中心频率为2 0 8 k h z ，所以取 f = 2 0 5 5 k h z + 尼f 6 2 5 h z ，毛= 1 ，5 ，2 ，7 ，6 ，4 ，0 ，3 。这样的排列使频率相邻的脉 冲在顺序上相邻只有一次，因此，当信号通过谱分析器时，谱分析器对某一 频率有输出时，而使其对相邻频率的输出最小，以使输出具有较低的旁瓣一”。 2 2 3 跳频信号的非相干处理 对跳频信号的非相干处理即对每个子信号进行检波处理后，再按时间分 割的大小进行延迟非相干累积。由于相邻的子脉冲回波是非相干的，这种非 相干的累积将使检测性能随n 的增加而增加，可使输出的信噪比最大，是最 佳的检测方法。处理系统框图如图2 4 所示制。 图2 4 跳频信号的非相干处理系统 相对于跳频信号的8 个频点，设计了8 路1 2 8 阶数字带通滤波器，每一 路经过带通滤波后进行检波处理，检波采用1 2 8 阶数字低通滤波实现。最后 延迟叠加，进行门限检测。在t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 上实时实现时，d s p 主频 2 0 0 m h z ，时钟周期5 n s ，采样率9 2 5 9 3 k h z ，因此采样点之间的时间间隔为 1 9 2 5 9 3 1 0 3 5 x 1 0 。2 1 6 0 个时钟周期。考虑采用系数对称滤波，1 2 8 阶的 f i r 滤波运算只需要6 4 个时钟周期，加上从缓冲串口读数和滤波循环缓冲区 哈尔滨工程大学硕十学位论文 数据更新的时间，每一个点的带通、低通运算共需要大约1 5 0 个时钟周期。 完全可以实现实时信号处理。 2 3 数字滤波器的设计 2 3 1 带通f i r 滤波器 ? - i矿jr fr h ( 0 )h ( 1 )h ( 2 ) j i - 2 )b m 一】i l1 一 图2 5f i r 滤波示意图 f i r ( 有限冲激响应) 滤波器的输入输出响应函数如式( 2 1 0 ) g 标例： j v l 少( ，2 ) = h ( k ) x ( n - k ) n = 0 ，1 2 n - 1 ( 2 一l o ) k = 0 式中n 是f i r 的阶数，h ( k ) 是f i r 滤波器的第k 阶系数，其直接实现的 网络结构型式如图2 5 所示。 考虑到硬件的循环寻址要求和内存空间的分配，本系统选用1 2 7 阶即有 1 2 8 个系数的带通滤波器。c w 脉冲信号的滤波器带宽根据发射信号的长度 确定，信号形式和对应的滤波器带宽的选择如下表： 表2 1 信号形式以及对应滤波器带宽 脉冲宽度 o 1 加2 m s0 5 m s1 2 m s5 m s 以上 高频滤波器带宽 1 2 k5 k2 k0 5 k 脉冲宽度0 2 m s0 5 m s 1 2 m s5 m s 以上 低频滤波器带宽( 高采) 6 k5 k2 k0 3 k 脉冲宽度 0 2 m s0 5 m sl - 2 m s5 m s 以上 低频滤波器带宽( 低采) 6 k5 k2 k o 3 k 图2 6 是用m a t l a b 软件仿真的效果图。由仿真结果，带通滤波滤除了 通带外的噪声，使得信号波形得到平滑，信噪比提高。 1 6 哈尔滨_ l 程人学硕士学1 ：奇_ 论文 幽26 带近扰波日u 厉的佰亏 使用d s p 实现带通、低通滤波器的设计方法很多，可以先用m a t l a b 软件进行模拟仿真，设计f r 滤波嚣，获驭滤波器的系数，再进行硬件仿真， 设计出算法模块”1 。 2 32 包络检波和滑动平均处理 信弓包绵的频谱属于低频分量，与高频载波分量存在着频谱的差异。如 果一个窄带信号经过绝刘值检波厉，通过个适当的扑线睫网络，进行包络 与载频的频淆分离，就町以通过一个适当的低通滤波器取出信号的包缔。数 字低通滤波器在包络检波r = 起着重要作用”“。 图27 是用m a t l a b 软件仿真的效果图。由仿真结果，包络检波取出了 信号的包络。根扔：包络信息就可以判断回波到达时间了。 图27 包络检波取出信号的包绵图 为消除或削弱随机误差的影响，通过对包络检波后的数据进行整体平滑， 滑动平均是一种较为简便的平滑方法。 滑动下均足一个特殊的低通滤波器。通过滑动平均，数据序列的独立性 被削弱，自由度降低，降低的程度和滑动半均的阶数有关。滑动平均的阶数 越大，数据序列中保留的信号越少，反之亦然。凼此，通过滑动平均后的小 同数据序列之阳的相关系数会增加。滑动平均滤波算法只采样一次，将这一 次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值即可投入使 用。如果取n 个采样值求平均，r a m 中必须，h = 辟n 个数据的暂存区。缚新 采集一个数据便存人暂存k ，同时去掉一个最老的数据，保持这n 个数据始 终是最近的数据。这种数据存放方式可以用m 、行队列结构方便地实现。本系 统选h j8 点的涓动平均葡。 2 4 回波到达时间测量方法 2 4l 前沿法 根据单波束测深仪的原理，海底某点的深度足由波束指向与水甲面的夹 角和信号到达海底陔点的往返时司决定的。到达时刚测量的精确与否直接影 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 响深度的测量精度。 幅度 d 幅度 图2 8 海底散射回波包络示意图 ( a ) 平坦海底单散射点(