（水声工程专业论文）水中运动目标声测被动定向的理论与实现.pdf

塑垩 一 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ew a yt ol e a dt h ea n t i s u b m a r i n eb o m b t r a c k i n ga n dh i t t i n gt h et a r g e t b yt h en o i s et h eu n d e r w a t e rt a r g e tr a d i a t e si s s t u d i e d a n ds e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e sa r e s t u d i e do n t h e o r ya n d s i m u l a t i o n t h eb a c k g r o u n d ，u s e f u l n e s sa n dt h ep r e s e n ts t a t eo fr e s e a r c hw o r ka l ep r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y t h em e t h o dt a k e su s eo ft h ec o m b i n e di n f o r m a t i o no ft h ep r e s s u r ea n d p a r t i c l ev e l o c i t yo f t h et a r g e ta c o u s t i cf i e l d t h e o r ya n d s i m u l a t i o na r ea l s oc a r r i e d t h o u 曲 a n dt h e e n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o ni sd i s c u s s e d f o r t h ec o n v e n i e n c eo f t h ef l l r t h e rs t u d y ，t h e p a s s i v ea c o u s t i ct a r g e td i r e c t i o ni nu n d e r w a t e rm o d e l i se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sb a s e do nt h e s p e c t r u mo ft h en o i s et h es u b m a r i n er a d i a t e s b a s e do nv e c t o r - s e n s o ra r r a y ，t h es y s t e m h a r d w a r ei sf i n i s h e d a n dt h es o i h v a r eb yt h em i x p r o g r a m m i n gm e t h o do ft h eca n d a s s e m b l ep r o g r a ml a n g u a g e si sa l s or e a l i z e d a n dac o m b i n a t i o n d e b u g i sf i n i s h e di nl a b v e c t o r - s e n s o re x p e r i m e n ti sr e a l i z e di nn o i s ee l i m i n a t i o nc i s t e r n t h er e s e a r c h p r o d u c t i o n i sa n i n t e l l i g e n t u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o u n t e r m e a s u r e t e c h n o l o g y t h a tc a nb ea p p l i e do nt h ea c o u s t i c t a r g e t d i r e c t i o ni nu n d e r w a t e r t h e p r o b a b i l i t yo fs u c c e s s f u lh i t t i n gt h et a r g e tc a nb ei n c r e a s e dl a r g e l yb yt h em e t h o d t h e w o r ki sa l s ov a l u a b l ei nt h e t h e o r ya n de n g i n e e n n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：v e c t o v s e n s o r ；p a s s i v ea c o u s t i cd i r e c t i o n ；d i r e c t i o ne s t i m a t i o n ；d s p ；m i x p r o g r a m m i n g i i 堕j ! 三些查堂堡主堂堡堡塞 r r 一一 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 在水下隐蔽航行的潜艇是一种成鼹力量，它承担着侦察、隐蔽布雷、攻击等使 命，因此国内外很重视反潜战。反潜战是当今海战中的三大作战样式之一，并且是 三大作战样式，即反潜、反鱼雷、反导中，投入最大、使用兵力最多的一项。反潜 导弹、反潜鱼雷以及深水炸弹和反潜网，加以线列阵声呐和水下探测监视系统都是 为反潜服务的。 深水炸弹简称深弹，是一种入水后下潜到一定深度爆炸的水中兵器，主要用于 攻击潜艇。按其装备对象的不同，可分为舰用深水炸弹和航空深水炸弹两大类。深 水炸弹是一种传统的反潜武器，但是问世不久就改变了其单纯的反潜宗旨，它不仅 用于反潜，而且也成为用炸弹来开辟舰艇航道的优选装备，使深水炸弹具备了双重 功能。8 0 年代以后，随着武器装备攻防使用战术技术的变化和发展，深水炸弹不 仅具有原有的反潜和炸弹功能，而且还成为反鱼雷的一种软硬结合的杀伤武器。提 高深水炸弹的反潜能力，完善深水炸弹的反鱼雷功能，开发定向灭鱼雷深水炸弹不 仅成为军界的热门话题，而且世界各国也已经付诸于行动，致力于相关的研究与开 发之中”l 。 深水炸弹最初是靠齐射或齐投方式攻潜的无控弹药，深弹引信已由早期的 机械触发、定时( 定深) 引信发展成电子定时或机电引信。为了提高攻潜命中 概率又发展了磁性和主动声近炸引信。随着科技的发展，几年来国外已经开始 将无控弹药发展成为“末敏弹药”、“灵巧弹药”或自导武器，因而对引信也 提出了更新和更高的要求。 本论文是结合与兵器工业总公司某研究所的合作课题深水炸弹声制导 技术研究而展开的。 为了提高深水炸弹对水中运动目标( 潜艇) 的命中概率，本论文中提出了 利用水中运动目标的航行辐射噪声，来引导深水炸弹自动命中水中运动目标的 技术方案。该技术可用于对水中运动目标的硬杀伤可有效地提高深水炸弹的 命中概率，是一种智能化的水声对抗器材；也是未来海军作战中，l 项有重要 研究价值和应用前景的高科技项目。 整二兰丝垒 1 2 国内外研究现状 本节主要从世界各国对深弹的研制近况和被动定向技术发展的状况，综合 说明本研究的技术现状，进一步明确本研究的技术路线和研究重点【l j 【2 j 。 1 2 1 深弹的国内外研究现状 目前深弹自导化发展很快，国外在反潜武器的研制方面已进行多年研究， 并有多种深水炸弹投入实战。1 9 8 2 年马岛海战首开击毁“圣菲”号潜艇的战 例，随后瑞典又成功地使用深弹迫使不明国籍潜艇上浮。由于现代潜艇机动性 能和防护水平的提高，深弹只使用传统的定时、触发引信攻潜已显得力所不及 了，不少海军国家正在竞相研制新的非触发引信以及使深弹向短程自导方向发 展。深弹引信的发展使深弹成为近海攻深效费比最高的水中兵器。由于深弹常 采用齐射( 投) 攻潜，对于深弹非触发引信还有抗邻弹干扰的特点。触发、定 时、定深引信在深弹上使用的时间较长，早期的磁梯度引信接收器尺寸大，灵 敏度低。6 0 年代末挪威“燕鸥”深弹率先使用了主动声引信。 现役装备深弹的国家有俄罗斯、瑞典、英国、法国、德国、挪威、加拿 大、日本、意大利以及部分第三世界国家。下面介绍国外的几种新型深弹。 瑞典的s a m 2 0 4 型航空深弹。s a m 2 0 4 型深弹用于攻击在浅水域或在潜望 深度上作战的潜艇。该深弹能以多种方式使用，并可设定不同的起爆深度，以 获得最大爆炸威力，从而有效地摧毁潜艇。该深弹具有一钢质壳体，适用于北 约标准直升机炸弹投射器。它的s a m l 0 4 型引信是一种设计独特的引信。它是 一个根据水压原理进行深度控制的装置。它装有消除冲击波影响，对任何方向 上的惯性力都不反应的装置，因此该深弹对不同水深处的邻爆不会感应起爆。 s a m 2 0 4 型航空深弹上加装了简易自导装置。 智利的a s 2 2 8 深弹。该型深弹是航空水面投放式深弹，它是一种装有静 水压力动作引信的反潜武器，用于攻击3 0 4 9 0 m 深度范围的潜艇目标。在这 个范围内，起爆深度可预设1 9 种深度上的任意一种。起爆器有三种安全措施， 用于深弹的操作、输送、惯性以及对潜艇的作用。该深弹可通过常规方法从飞 机或直升机上投放。 英国的m k i 深弹。该型深弹是一种航空深弹，它是一种能从空中投放的 反潜武器。它适用于浅水作战，用来对付位于水面或潜望深度上的潜艇。它可 从各种反潜直升机上和固定翼海上巡逻机上进行运输和投放。m k i i 深弹能承受 西北工业大学硕士学位论文 直升机飞行时产生的巨大振动，加固的弹壳和弹头部分能承受高速入水时的冲 击。该弹装有一个现代化的引信和起爆器，能够承受巨大的振动和冲击，并保 证在设定深度上精确地起爆。入水后受到海水的撞击，水压保险系统就会打开 进入战斗状态。此深弹己装备英国海军多年。 意大利的m s 5 0 0 深弹。该深弹兼有深弹和轻型鱼雷的优点。它由声呐、战 斗部、尾锥部和空气平衡器组成。m s 5 0 0 深弹由飞机投放，入水7 0 0 m 后声引 信开始工作，最大使用水深为3 0 0 0 m 。m s 5 0 0 深弹具有在垂直面内对目标的自 动定位能力。在深弹下潜过程中将根据相对于目标位置的最小距离来确定声 引信的最佳发火点。为了使深弹对靠近海底的目标也有效，m s 5 0 0 深弹还可以 进行预编程，使它在撞击海底或者达到某一确定深度时爆炸。从功能特性的角 度看，该深弹使用了声近炸引信，从而满足了引爆距离最小化原则。该型深弹 的引信包括一个主动声呐。当深弹被投放入水中后，深弹前部的声呐启动而发 出声波。声呐在发射出声频脉冲后，马上就能接收到强烈的反射声波，且在接 收反射波期间打开时间窗口，用声频脉冲间隔的变化来表示距目标的距离。 俄罗斯的r g b 一6 0 深弹。r g b 6 0 是俄罗斯p b u 6 0 0 0 型反潜深弹系统的一 个组成部分。r g b 6 0 为无控火箭式深弹，最大攻击水深5 0 0 m 。这种反潜用的 火箭式深弹是非制导的，发动机为固体燃料火箭。该型深弹比瑞典的博福斯深 弹尺寸小，与挪威的“海鸥1 1 l ”型相当。引信可采用单一触发加定深两种。 俄罗斯此外还装备了无水下推动力的s 3 v 航空自导深弹。 美国拥有多种先进的反潜手段，常规深弹早已不用，只有作为反潜导弹战 斗部的核深弹。 国内某单位为水轰五飞机研制了2 5 0 k g 航空深弹，主动声近炸引信与压电 引信联合使用。之后有单位对火箭式深弹主动声引信、导向引信等也完成了预 先研究。 由于深弹的主动声引信和声自导都是利用同一的声呐原理，对付的又是同 一个目标，因而制导和引信在深弹上完全融为一体，软硬件共用，成为一体化 设计的指导引信，这在降低成本、提高可靠性等方面具有十分重要的意义。与 此同时引信的功能也由目标的探测识别、控制起爆，发展到对自身弹道的控 制，从而进一步提高命中概率。声制导引信将成为一个新的研究发展方向。 3 第一章绪论 i2 2 被动定向技术发展与现状 测向方法与声学系统的结构有关。采用单个换能器，两个换能器或多个换 能器阵元组成的系统，有不同的侧向方法。然而不论采用何种具体方法侧向， 其本质均有共同之处，都是利用声波到达水听器系统的声程差和相位差来进 行。例如图1 1 所示的二元基阵，若其间距为d ，这时平面波到达两阵元的声程 差为： 考。2 d s i n a ( 1 1 ) 其中t 2 为目标的方位角，定义为声线与基阵法线方向的夹角。两接收器接 收声压或输出电压间的时间差为： 相位差为： f ：益：一ds i n 口 cc ( 1 2 ) 舻2 咖= 孚一，n f d 。s i n a = 2 n - d 五s i n a ( 1 3 ) ccl 、7 其中口( o ，昙) 。 图i1 二元阵系统 由i 2 和l 3 式可知，两阵元信号的时间差和相位差与目标的方位角一一对 应a 可见，测量出反映声程差的时间差或相位差，就可以测出目标方位。下面 将介绍四种声呐系统定向的方法。 | | 。v 丫_ 一 、 ， ， ， 、广。，乞 西北：1 二业大学硕士学位论文 1 最大值测向 最大值测向方法是声纳系统中常用而行之有效的方法。由于换能器或基阵 输出电压随目标的方位角的变化而变化，因而可以利用接收到的信号幅度达到 最大时换能器或基阵的指向来测量目标方位。这种方法不是直接测量相位差 的，故属于间接测量。它利用声系统的方向性本身来对目标定向。 最大值方法的优点是简单，利用人耳或视觉指示器均可判断最大信号幅度 值，因而在分析其性能时，要和具体的指示器联系起来。该方法的另一个优点 是利用人耳还可以判别目标的性质，此外，由于人耳的特殊功能，使得在小信 号噪声下仍可以判别目标方位。该方法的缺点是定向精度不高。由于声系统的 指向性图有一定的宽度，而这一指向性在主轴附近随角度变化迟钝，这是由于 目标方位的小变化引起的输处信号幅度变化不大。这一方法一般不能迅速判别 目标偏离主轴的方向，需要重复多次方可判别。 2 相位法测向 相位法测向是一种直接测量法，它利用相位角指示器来测定两等效阵元之 间的相位差，从而达到测量目标方位的目的。在主、被动声呐系统中这种方法 都有广泛的应用。 图12 和差式相位测向法原理 相位法测向的优点有：1 ，它只需两个接收阵元。由于两个阵元接收到的两个 信号间的相位差，已充分提供了目标方位角的信息，因而原则上没有必要采取更多 5 第一章绪论 的阵元。2 ，测向精度与阵元本身是否有方向性，以及阵元本身的形状无关，只与 两个阵元间距d 和波长九有关，一般取ds 2 。 和差式相位测向方法是目前在许多主被动声呐中广泛使用的方法。它将声系统 分为两个子阵，构成两路信号，经和、差和相位处理送到显示器上，便可以通过显 示器上亮线的偏角测出目标方位。和差式相位测向法的原理如图1 2 所示。 3 振幅差值法测向 若有两个性能相同的接收阵1 、2 ，他们各自方向性函数的主极大值方向为 。、：，其夹角为口，。为参考方向。如声波沿n 。方向入射，这两接收器阵 输出幅度相同。若利用相减后的输出作显示，其差值随偏角口的增大而增 大。这种测向方法成为振幅差值法。 4 相幅法测向 相幅法是利用和差法及相位检波法两种手段结合的一种测向方法，其原理 如图1 3 所示。 图13 相位幅度法测向原理 基阵通常也是分为相同的两个子阵，与和差相位法类似，两个子阵接收的 信号分别构成和信号与差信号两个电压。然后，将这两个信号经相移9 0 度后加 到相位敏感检波器上，以检出和路与差路的相位差。由于和路与差路信号输出 经相移9 0 度后，总是同相或反相，所以检波器实际上是一个整流器。 5 正交相关测向法 相关处理是目前包括雷达、声呐在内广泛应用的信号处理方法。它的基本 原理是利用信号于干扰的统计特性( 相关特性) 差异来提高接收系统输出信噪 比。若有两个过程z ( f ) 、，2 ( ，) 均为平稳过程，则相关运算为： 两北：【业大学硕士学位论文 曩：= n m 刍i 舯) 础 4 ， 若( f ) = x ( f ) ， ( f ) = x 2 ( f ) 取自空间两点，则( 1 4 ) 式的相关为空间相 关。若z ( ，) = 一( ，) ， ( f ) = x 。0 一f ) ，由于两个信号均取自x ，( f ) ，则( 1 4 ) 式称 为时间自相关【3 】【4 】。 1 3 主要工作 本论文所做的主要工作有： 1 对基于压差式矢量传感器的声压振速联合信息处理的目标定向原理和算 法进行了研究，并给出了实际的工程实现方案。该方法的突出优点是能够在低 频和小尺寸的阵列孔径条件下，实现对目标的精确定向。 2 在分析实测某型潜艇辐射噪声频谱的基础上，建立了水下目标被动测向 的数学模型。 3 对基于压差式矢量传感器的目标定向算法进行了理论分析与计算机仿真 实验。研究内容主要包括孔径尺寸、积分时间、信噪比等对测向精度的影响。 4 基于矢量传感器的深弹定向系统的软硬件实现。 该系统硬件由八部分组成，主要包括：声学基阵、信号预处理、a d 转 换、指向性形成、相关处理、目标方位解算、信号输出及稳压电源等。 1 4 本论文结构安排 第一章，绪论。主要介绍了本论文研究的背景和意义，国内外研究现状， 以及主要工作。 第二章，定向原理及算法。主要研究了矢量传感器阵的功能，定向原理及 算法，目标辐射噪声的特性，任意时延信号产生算法，以及方位角和俯仰角的 仿真，得出了对工程实际很有参考价值的结论。 第三章，硬件设计及实现。主要以美国t 1 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 芯片为核 心做信号处理，用硬件实现了整个系统。本章内容主要包括前置放大电路的设 计，带通滤波器的设计，a d 采集系统模块的设计，d a 转换模块的设计，d s p 电路的设计，c p l d 的逻辑设计，看门狗的设计等。 7 第一章绪论 第四章，系统的软件设计。本章内容主要包括h i l b e r t 变换和实序列f f t 的 优化算法的编程实现，t m s 3 2 0 c 5 4 xc 语言与汇编语言的混合编程。，a d 转换 及中断系统的软件设计，方位角的计算，俯仰角的计算，软件中采取的抗干扰 措施等。 第五章，系统调试与实验数据分析。着重介绍了，实验室进行的系统软硬 件联调，矢量传感器空间指向性实验。 最后对全文作了总结。 西北工业大学硕士学位论文 第二章矢量传感器定向原理及算法 压差式矢量传感器阵是火箭式末制导深弹的重要组成部分。本章论述了4 元压差式矢量传感器的工作原理、数学模型，以及采用此传感器对目标方位角 和俯仰角进行计算的公式推导和仿真结果。 2 1 矢量传感器阵的功能 矢量传感器阵具有以下功能： 2 1 1把声信号转变成电信号，完成能量的转换 矢量传感器阵要求接收灵敏度高，且4 个基元的接收灵敏度一致性好，波 形失真小，附加相位畸变小。 2 1 2 完成4 路声信号的接收 要求组成压差式矢量传感器阵的4 元接收水听器，几何位置配置相互垂 直，并在同一圆周上。目的主要是保证4 路水听器接收信号之间，满足严格的 相位关系。 2 1 3 在接收空间具有偶极子指向特性。 由矢量传感器阵接收的4 路水听器信号，通过数学建模和信号处理等算 法，可以形成“8 ”字形指向性图。根据声压和振速联合处理算法，系统即可完 成水下目标的测向功能6 1 。 2 2 压差式矢量传感器的测向原理与算法 本节主要研究以压差式矢量传感器为接收阵形的被动测向的原理与数学模 型，为深弹的声学导引与控制提供理论依据。 2 2 1 压差式矢量传感器的计算模型 波束形成的目的，是使多阵元构成的基阵经过适当处理，在预定方向上获 得一定的指向性【6 】i ”。所谓波束形成技术，就是指将定几何型状( 直线、圆柱 等) 排列的各阵元输出，经过处理( 例如加权、延时、求和等) ，以形成空间 指向性的方法。下面主要介绍矢量传感器偶极子方向性的形成原理【1o 】。 第二章矢量传感器定向原理及算法 如图2 1 所示，4 个基元l ，2 ，3 ，4 分别位于坐标轴上，规定x 轴代表零 度方向，逆时针为正，o 为参考点。图中，圆周半径为r ，声速为c ，信号频率 为f ，目标的方位角为口。设基阵中心信号为： r = a c o s ( 2 矽)( 2 1 ) 由于基阵尺寸相对于目标距离很小，可把目标辐射噪声视为平面波，声波 到达四个基元相对于到达基阵中心有超前或滞后现象。所以四个基元的输出信 号相位各不相同。这时，四个基元的输出信号可表示为： 只= a ，c o s 2 n f t 一( ，c ) s i n ( i 一目) ) i = l ，2 ，3 ，4( 2 2 ) z 式2 2 中，4 为各基元的信号输出幅度。假定a 。= a ( i = l ，2 ，3 ，4 ) ，在低频 应用时，矢量传感器阵输出的声压信号为： 厂盼| 一 3 乡。 4 图2 1 目标与传感器的位置关系 图2 2 矢量传感器空间指向性图 p = 只+ b + 只+ 只 2 2 a c o s ( 2 n f i ) c o s 2 n - ( y i c ) s i n o ) + c o s 【2 口( 夕c ) c o s 卅) 甜a c o s ( 2 n f i ) 厂么 0 ) 又6 = a c o s 目，故ac o s0 = m 目n e 2 p _ o c 。s 目= 肼，故可得俯仰角的表达式 恤o s 一1 ( 等 其中m = ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 式2 3 0 即为俯仰角的计算表达式。 2 3 3 方位角和俯仰角的频域计算 上面都是时域计算，实际上，也可以在频域计算方位角和俯仰角，把旷， 矿，p 由时域变换到频域即可。 方位角的后续计算过程不变。 进行俯仰角的计算时，根据俯仰角的计算推导，可知，信号必须是单频信 号。具体在频域计算俯仰角时，根据f f t ，可以搜索出信号频谱所对应的线谱 作为该单频信号。 2 4 目标辐射噪声 舰船、潜艇与鱼雷运动时所辐射的噪声是被动声呐要检测的信号，而对于 装在舰船、潜艇、鱼雷上的声呐来说，它们的噪声又是一种干扰。因此，辐射 噪声的噪声级和噪声谱以及它们的指向特性是声呐设计者所关心的1 ”。本节着 重研究水下运动目标的潜艇辐射噪声。 2 4 1 辐射噪声的来源 噪声是因物体的振动而产生的，具有声波的一切物理性质和传播特性。 舰船、潜艇与鱼雷的噪声按来源可以分为三类1 2 1 【1 5 】。 ( 1 ) 机械噪声：主机、辅机及各种空调设备的机械振动： 第二章矢量传感器定向原理及算法 ( 2 ) 螺旋桨噪声：螺旋桨击水的声音、螺旋桨上或其附近的空化、涡流 声； ( 3 ) 水动力噪声：水流过壳体时所产生的摩擦声及引起附件的共振。 在多数情况下，前两类噪声是主要的。螺旋桨噪声产生于船体外面。螺旋 浆的空化噪声是大量小气泡随机地破碎引起的，所以空化噪声具有连续的频 谱。在高频段，它的谱级随频率大约增加按6 d b 倍频程下降；在低频段却随频 率而增加，因此空化噪声有一个峰值。对于舰船和潜艇，这个峰值大约在1 0 0 1 0 0 0 h z 之间。 按噪声强度随时间变化的情况，可分为： ( 1 ) 稳态噪声：一般指噪声强度波动范围在5 d b 以内的连续性噪声，或重复 频率大于1 0 h z 的脉冲噪声： ( 2 ) 非稳态噪声：一般指噪声强度波动范围超过5 d b 的连续性噪声： ( 3 ) 脉冲噪声：一般指持续时间小于1 s ，噪声强度峰值与其均方根之比大于 1 0 d b ，而重复频率又小于1 0 h z 的间断性噪声。 “誊； = x o ：麓前 2 5 2 p 遵知。 等t t 。4 ；酾r ”鳓簖一谢醅 ( 妨一 啥“，鳓“2 瓣潲“撕 。 托 图2 5 某型潜艇辐射噪声的功率潜 翟 鳓 嚷 汹咭 。 ：晷 。t磐。“i 咯 堕坐! ：些奎堂堡主堂垡堡壅 2 4 2 潜艇噪声 潜艇内的机械种类繁多， - t 机外，辅助设备在5 0 种以上，它们大部分皆 是噪声源。通常，这些噪声在低频范围是连续谱，但有时候会出现线谱。 当螺旋桨叶片高速转动致使水下不能接近叶片的后部时，就产生了气泡， 它是潜艇噪声的主要来源，总声级s l ( 从数1 0 h z 一1 0 k h z 左右) 大约从1 7 0 d b 至2 0 0 d b ( 参考级：1 妒d = 0 d b ) 。 旧式潜艇( 第二次世界大战使用的常规潜艇) 在6 k n 水下航行与1 2 k n 水面 航行时，声级约为1 9 8 d b 。当潜艇在潜望镜深度上潜航时，其临界速度一般为 4 k n 。在此临界速度处，声源级随着航速的增加而迅速增加，但6 k n 之后，声源 级的增加变缓。 从声源算起，等于几艘舰艇身长的距离内，潜艇噪声是均匀的声场。一些 实验数据表明，在艏和艉1 0 。一2 0 。范围内，噪声稍有降低，也就是说，潜艇 噪声源具有指向性。 2 4 3 实测潜艇辐射噪声谱分析 某型潜艇在采样频率为1 2 0 k h z 时在不同测试环境下的噪声功率谱如图2 5 所示。 某潜艇在不同航速下辐射噪声中线谱的频率及其相应的幅度值如表2 1 所 不。 表21 实测某型潜艇噪声的线谱成分 数据组频率幅度值 ( 1 ) 4 41 5 01 9 l2 4 6 o 1 3 1 65 0 6 1 41 5 3 5 1 0 4 6 4 9 ( 2 ) 1 9 62 4 13 0 l8 5 4 0 4 2 4 72 6 9 6 632 3 8 30 1 1 7 7 ( 3 ) 1 9 52 3 73 0 18 5 4 o 5 3 3 63 2 3 8 305 3 3 60 1 8 2 7 ( 4 ) 1 9 i2 4 63 l53 8 4 。 0 9 3 4 2o 1 3 3 00 0 7 7 50 4 2 5 4 由图2 5 与表2 1 给出的频谱特性，可以看出：潜艇噪声中具有很明显的线 谱成分，而且频谱中还含有谐波以及调制谱成分。线谱的能量主要集中在5 0 9 0 0 h z 低频段内。 第二章矢量传感器定向原理及算法 2 5 任意时延信号的产生算法 根据目标与传感器的位置关系，可以由路信号产生出4 路时延信号。 2 5 1目标与矢量传感器的位置关系 设传感器中心位置到达一路信号，要知道矢量传感器的四个基元输出信 号，就需要知道声源到达四个基元与中心的时延，也就是知道声源传播到四个 基元与传播到中心的程差【。 如图2 6 所示，十字形传感器阵列，是由两个相互正交的线阵组成的。阵 的阵元间距为d ，以两线阵交点为原点，建立如图2 6 所示的直角坐标系。四 个阵元的坐标分别为s 1 ( d 2 ，0 ，0 ) ，s 2 ( 0 ，d 2 ，o ) ，s 3 ( 一d 2 ，0 ，0 ) ，s 4 ( o ，一d 2 ，0 ) ， 目标方位为( x ，y ，z ) ，目标及坐标原点的距离为r ，俯仰角为0 ，方位角为 f o o ( a ) i - 字阵定位示意图 。 岛 鬈 ， e 一 文 ( b ) 十字阵阵形示示意图 幽26 目标与传感器位置关系圈 假设目标为点声源，目标产生的声波以球面波形式传播，当目标的位置坐 标( x ，y ，z ) 已知时，通过坐标变换，可以获得目标的俯仰角口，方位角口 和目标距离r 与目标位置( x ，y ，z ) 之间的关系。关系式如下： x = r s i n 0 c o s 0 。0 9 0 。 y = rs i n 0 s i n p0 。妒s3 6 0 。( 2 3 2 1 z = ，c o s 0 由2 3 2 式及两点间距离公式得到目标到换能器基元s 1 的距离s 、为： 西北，r = 业大学硕士学位论文 s l = ( x d 2 ) 2 + y 2 + z 2 = r2 一d r s i a 8 c o s 妒+ d 2 4 同理可以得到目标与其他各基元s 2 ，s 3 ，s 4 间的距离为： s 2 = r 2 一d r s i n o s i n r p + d 2 4 s 3 = r 2 + d r s i n o c o s r p + d 2 4 s 4 = r 2 + d r s i n o c o s i o + d 2 4 设到达四个基元的相对于到达坐标原点的时延分别为f ，f 2 ，q ，r 。， 2 3 3 2 3 6 可以得到式2 3 7 ： r 。= ( s 。一，) c 式中n = l 、2 、3 、4 ，c 为声速。 我们将在下- 4 , 节介绍已知时延的情况下，信号的产生算法。 r 23 3 ) ( 2 3 4 ) f 2 3 5 ) f 2 3 6 ) 由上述 f 2 3 7 ) 2 5 2 任意时延信号产生的算法【1 7 】 为了进行数字仿真，需要根据一路给定的带限的离散信号s ( 七) ，产生其精确 的延迟信号s ( k d ( 尼) ) ，其中时间延迟函数d ( k ) 可以是时变的。假定信号频率 范围是五一z ，且f o ：，k 表示时间序列号。 考虑一连续信号s ( f ) 及其连续形式j ( f d ) ，这里d 是一常数。我们希望将 s ( ，) 通过一个传递函数为日。( 厂) 的时不变滤波器来得到j ( f d ) ，因而有， f s ( t d ) ) = s ( f ) h j ( 厂)( 2 3 8 ) 2 3 8 式中，f 表示傅立叶变换操作，厂表示归一化频率，0 厂o 5 ， s ( f ) 为一个理想的带限信号。 ij ( 厂) 净1f o 纠f 匿： ( 2 3 9 ) = 0其它 根据傅立叶变换的时移特性 f s ( t d ) = e - j 2 册 r 2 4 0 1 由式2 3 9 与24 0 可以得到， 吼= p 一。2 椰f 2 4 1 ) 这意味着相应的冲击响应函数吃( ，) 为 9 第二章矢量传感器定向原理及算法 h 。= f - i 也( 朋= i e l e 一7 2 4 d f 计算可得h 。( f ) 为， h d = s i n c ( t d ) l t i 这样，如果s 。= s ( f d ) ，那么， 5 。( f ) = j h a ( f ) s ( 卜f f ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) f 2 4 4 ) 在合理采样下，式2 4 4 可以表示为： 钆( 女) = h d ( m ) s ( k 一朋) ( 2 4 5 ) 式2 4 5 中，h a ( m ) = s i n c ( m d ) ，l m l 0 d b 时，误差 o 1 5 m 时，误差 2 0 0 时，误差 o 6 s 时，俯仰角的均方误差 0 d b 时，俯仰角的均方误差 o 2 m 时，俯仰角的均方误差 p r a mp a o e0 v e c t o r s v e c sp a g e0 s t a c k s t a c kp a g e1 c o n s t d a t a p a g e1 d a t a d a t a p a g e 1 b s s d a t a p a g ei c i o d a t a p a g e1 s w i t c h d a t ap a g e1 1 p 代码块+ p 中断矢量+ ， 产数据块+ d s p 的r a m 空间是可以用配置文件进行动态配置的，这样可以一边调试 一边修改r a m 空间的分配。 0 0 h 5 f h 6 0 h 5 d f f h l e o o h 6 1 t f h 6 2 0 0 h 7 f 7 f h 7 f 8 0 h 7 f f f h 存储器映射寄存器。长f i o k 数据区，长5 0 a 0 h 堆栈，长4 0 0 h 程序区，长1 d 0 0 h 中断矢量区，长8 0 h | ! i38r a m 空间的分配 第三章系统的硬件设计及实现 根据上面的配置文件，d s p 空间分配如图3 8 所示。 3 - 3 5 中断系统的硬件设计 t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 支持软件中断和硬件中断。芯片片内设置的中断有串行口中 断、定时器中断、d m a 中断等；同时，t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 为外围设备提供了四个 中断源，分别是i n t o 、i n t i 、i n t 2 和i n t 3 。它们的中断允许寄存器i e 是一个3 2 位寄存器，c p u 的中断允许位置为1 0 0 。芯片为每个中断源分配了一个唯一的 中断号。设计时将中断源的中断号填入选择寄存器中，即可将该中断源映射到 相应的c p u 中断。将中断允许寄存器的相应位写l 则允许相应的中断，而写0 则会禁止相应的中断，复位时允许寄存器写入0 。 由于初始化程序并不对处理器的中断作任何初始化操作，因此，当硬件复 位后，系统的中断实际上都没有被使能，即所有的中断都是无效的。若系统需 要中断功能，则必须对所需的中断作相应的处理，使能或屏蔽相应的中断。 中断发生后，d s p 将停止当前执行的程序，而转到中断服务向量表以执行 相应的中断服务程序。可用汇编指令s e c t 直接建立中断向量表，并在链接命 令文件中将其分配到指定地址。对于t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 ，其中断向量起始地址为 0 x 0 0 ，且中断矢量地址的值就是中断服务程序的地址。 本系统主要使用了定时器中断，下面介绍定时器中断的设计。 t m s 3 2 0 c 5 4 系列d s p 都具有一个或两个预定标的片内定时器，这种定时 器是一个倒数计数器，它可以被特定的状态位实现停止、重启动、重设置或禁 止。定时器在复位后就处于运行状态，为了降低功耗，可以禁止定时器工作。 可以利用定时器产生周期性的c p u 中断或脉冲输出。 定时器由三个寄存器组成：t i m 、p r d 、t c r 。 t i m ：定时器寄存器，用于装载周期寄存器数值并自减。 p r d ：周期寄存器，用于重新装载定时器寄存器。 t c r ：定时器控制寄存器，包含定时器的控制和状态位。 定时器实际上是有2 0 b i t 的周期寄存器。它对c l k o u t 信号( 即d s p 工作 主频) 计数，先将p s c ( t c r 中的d 6 d 9 位) 减l ，直到p s c 为0 ，然后把 t d d r ( t c r 中的低4 位) 重新装入p s c ，同时将t i m 减1 ，直到t i m 减为 0 。这时c p u 发出t 烈t 中断，同时在t o u t 引脚输出一个脉冲信号，脉冲宽 度与c l k o u t 一致，然后将p r d 重新装入t i m ，重复下去直到系统或定时器 复位。 撕北l ：业大学硕士学位论文 定时器产生中断的计算如公式3 1 所示。 11 t i n t 的频率= c l k o u t 。赢“高( 3 1 ) 本系统中，c l k o u t = 2 0 m ，令t d d r = 1 5 ，p r d = 8 0 ，代入式3 5 ，可得定 时器中断频率为1 6 1 8 k h z ，即为a d 转换的采样率。 3 3 6t m s 3 2 0 c 5 4 0 9b o o t l o a d 的设计 1 t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 的引导装载模式概述1 2 副 在编程调试阶段，可以利用仿真器与p c 进行联机在线仿真，从p c 机通过 仿真器将程序代码下载到d s p 的程序存储器中运行。待程序仿真调试通过后， 要使以d s p 为核心的数据处理系统成为一个独立运行系统，必须进行d s p 的 引导装载设计，即b o o t l o a d 设计。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 引导装载的目的是使系统上电后程序代码能从外部源引导装 载到d s p 内部或者外部程序存储器中运行。这样可以使程序代码储存在片外相 对速度较慢的、断电后数据不丢失的外部程序存储器( 如e p r o m ) 中；上电后将 其装载到高速程序存储器中运行。另外，这样也可以省去对d s p 片内r o m 进 行掩膜编程操作。引导装载的实现能给d s p 用户进行独立运行系统设计带来极 大的方便。 d s p 在上电复位时，如果引脚m p m c 为低电平，则t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 从片 内的r o m 的0 f f 8 0 h 处开始执行程序。在0 f f 8 0 h 单元和下一个单元有一条跳 转指令，转向片内r o m 中已掩模的引导程序。引导程序代码从地址0 f 8 0 0 h 开 始。这个程序在引导之前先初始化c p u 的状态寄存器：全局禁止中断 ( i n t m = 1 ) ，内部d a r a m 和s r a m 均已映射到程序数据存储空间 ( o v l y = i ) ；对全部的程序存储空间和数据存储空间都设置为7 个等待状 态，外部存储块大小设置为4 k w ，在程序空间和数据空间之间切换时，需延时 一个指令周期。然后选择b o o t l o a d 引导方式。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 具有多种上电引导方式，以满足用户不同的应用场合。引导 装载程序按照下列顺序执行引导装载模式的判断选择：h p i 模式，并行i o 口 模式，外部并行模式，串行口模式。 在本系统中，采用了并行8 位e p r o m 引导装载模式。 引导装载的操作过程如下： 苎三主墨丝堕堡竺堡：! 墨塞塑 一 _ _ 一 外部并行8 位引导装载程序通过外部并行接口e p r o m 从数据存储器读取 引导装载表，装载程序代码到程序存储器。在外部并行8 位引导装载模式下， 可对软件等待状态寄存器s w w s r 和块切换控制寄存器b s c r 进行配置，缺省 的设置是7 个等待状态。引导装载程序从地址为0 f f f f h 的i o 端口或者数据 存储器取得源程序地址，通常是从数据存储器( 如e p r o m ) 中取得源程序地址。 本系统在采用并行8 位e p r o m 引导装载模式下，使用a t 2 8 c 6 4 作为装载 程序的e p r o m 。 2 硬件连接 a t 2 8 c 6 4 是一种低功耗高性能电可擦除的e p r o m ，容量为8 k * 8 b i t s 。本 系统中a t 2 8 c 6 4 与t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 的硬件连接图如图3 9 所示。 图3 9t m s 3 2 0 5 4 0 9 与2 8 c 6 4 e p r o m 的硬件连接 3 ，引导装载表的构造 使用t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 的引导装载功能，必须生成一个包含引导装载所需要 的所有数据项的引导装载表。引导装载表由t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 的汇编语言工具包 中的十六进制转换程序完成。引导装载表的内容依所选择的不同的引导装载模 式而有所不同。本系统引导装载表的生成过程如下： 第一步：汇编源文件 a s m 5 0 0s o n a r a s m - os o n a r o b j _ v 5 4 9 一v 5 4 9 选项表示生成的汇编代码是专用于具有增强的引导装载功能的 d s p ，包括t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 。执行结束，生成s o l - t a r o b j 文件。 第二步：链接文件 两北1 ：业大学硕+ 学位论文 i n k 5 0 0s o n a r c m d s o n a r c m d 是对目标系统存储器进行配置。执行结束，生成s o n a r o u t 文件。 第三步：运行十六进制转换程序 h e x 5 0 0c m d c m d c m d c m d 的内容如后所示。执行结束，生成s o n a r h e x h e x 文件。 第四步：烧制a t 2 8 c 6 4 。 将s o n a r h e x h e x 文件用编程器烧制到e p r o m 中，并修改单元7 f f e 7 f f f 的内容为0 x 8 0 0 0 ( 引导装载表地址) 。 本系统十六进制转换程序配置文件c m d c m d 的内容如下： s o n a r o u tp 转换的文件名4 os s h e x h e xp生成的二进制文件名+ i+ i n t e l 格式 + 一m a ps s h e x m a p + 生成的映射文件名 + 一m e m w i d t h8p 8 位存储器宽度+ 一r o m w i d t h8p8 位e p r o m+ 一b o o t + 将段转换为引导装载表格式+ b o o t o r g0 x 0p 引导装载表e p r o m 的0 x0 开始存放+ - e0 x 6 d 3