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多普勒計程儀信號處理設計與實現(xiàn)

發(fā)布日期： 2016-06-13 發(fā)布：  

  2015年29期目錄       本期共收錄文章20篇

　　【摘要】依據(jù)多普勒效應原理，通過水下聲波進行測速的一種精密儀器即多普勒計程儀。這種儀器不僅能夠測量船相對于地的絕對速度，而且能夠測出相對于水層的速度。即使船速較低時，測速依然非常準確。這種設備信號處理系統(tǒng)中的硬件電路非常穩(wěn)定，軟件具有非常好的運行情況，適合各種復雜的水質(zhì)環(huán)境。
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　　【關鍵詞】多普勒計程儀；信號處理；相控陣
　　多普勒計程儀又名測速聲吶，是艦船自主導航的重要設備。不僅能夠測量船相對于地的絕對速度，而且能夠測出相對于水層的速度。由于其具有非常高的測速精度，因此，在艦船上應用非常廣。其原理主要是：依據(jù)多普勒效應，聲源與接收器處于相對徑向運動時，，接收器得到信號頻率的變化，通過相對運動之間的關系，進而計算出載體的矢量速度。物體在極低速度情況下，這種系統(tǒng)也具有非常準確的測速效果。然而，大深度海底跟蹤系統(tǒng)運用這種設備時，由于波束窄與頻率低的原因，會形成很大的誤差。相控陣多普勒計程儀的研制成功，不僅解決了這一弊病，而且使安裝要求與硬件復雜度得到了進一步的降低。今天，多普勒計程儀不僅減少了聲速測量導致的誤差，而且也減少了換能器安裝與參數(shù)不同引起的誤差。
　　一、多普勒計程儀發(fā)展趨勢分析
　　多普勒計程儀其測速準確的優(yōu)勢，已經(jīng)得到非常廣泛應用。然而，很多研究人員仍在不懈的進行研究，以及對其缺點進行改進。相控陣技術的研究成功，多普勒測速系統(tǒng)受聲速的影響逐漸得到了改善，使多普勒測速系統(tǒng)的測速性能得到了更好的發(fā)揮。同時，多波束系統(tǒng)的應用，不僅使船舶搖擺起伏的影響得到了改觀，而且還能夠測出艦船垂直運動的速度。
　　過去，以模擬硬件為主的多普勒計程儀，設備非常復雜，測速準確率較低。現(xiàn)在，數(shù)字信號處理技術在多普勒計程儀的應用，使其硬件保持不變的情況下，其測速準確率得到了極大的提高。目前，數(shù)字信號處理器（DSP）軟件編程的使用，使多種測頻算法得到了實現(xiàn)。頻率測量算法中，復相關法具有運算量小、精度高的優(yōu)勢；快速傅氏變換方法（FFT）在對窄帶信號的分析方面具有很大優(yōu)勢。
　　二、多普勒測速系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)的分析
　　多普勒測速系統(tǒng)工作原理是，依據(jù)發(fā)射信號和海底反射信號之間的多普勒頻移，對船舶的運行速度進行測量。發(fā)射、接收以及信號處理構成了多普勒測速系統(tǒng)。其工作過程是：首先，相控陣向水中發(fā)射單頻脈沖信號；然后，對接收的回波信號的偏差進行分析，對艦船的速度進行計算；第三，主機接受數(shù)字信號處理器傳輸?shù)慕Y(jié)果，船舶的速度及深度通過顯控軟件得到顯示。數(shù)字信號處理板是測速系統(tǒng)的關鍵，也是整個系統(tǒng)的控制核心。
　　（一）系統(tǒng)整體結(jié)構分析
　　多普勒計程儀的聲信號主要是通過換能器發(fā)射的。多普勒計程儀的一個關鍵技術是相控陣技術。多普勒測速系統(tǒng)運用相控陣技術，具備完善的發(fā)射與接收裝置，在其不同的4個方向配置固定筆形的波束。同時，具備數(shù)據(jù)采集與存儲以及速度解算裝置。換能器基陣、發(fā)射機與接收機、電源與DSP信號處理板共同構成了相控陣多普勒計程儀。信號通過發(fā)射機發(fā)射，移相和放大濾波通過接收機實現(xiàn)，整個系統(tǒng)的電源由電源模塊提供。系統(tǒng)的控制和運算中心是數(shù)字信號處理板。同時，控制發(fā)射機、計算速度以及主機通信都是由數(shù)字信號處理板完成。
　�。ǘ⿺�(shù)字信號處理器及外圍模塊設計分析
　　多普勒計程儀測速系統(tǒng)中，起控制作用的是數(shù)字信號處理系統(tǒng)。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的任務有采集數(shù)據(jù)、搜索模式下與跟蹤模式下的檢波、解算、存儲數(shù)據(jù)以及與計算機進行通信等。
　　三片德州儀器公式的定點DSP TMS320VC5509A作為硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。整個系統(tǒng)的邏輯控制由一片CPLD完成。DSP與主機的通信由一片TL16C752完成。模擬數(shù)字的轉(zhuǎn)換由兩片ADS8361完成。CF卡完成數(shù)據(jù)的存儲。一片并行FLASH存放系統(tǒng)的修正參數(shù)。同時，系統(tǒng)的工作時間由一片實時時鐘芯片進行讀取。數(shù)字信號處理板包括：中央處理器、存儲設備、模擬信號接口、與主機和羅經(jīng)的接口以及系統(tǒng)時鐘。
　　1、數(shù)字信號處理器及模塊設計分析
　　TMS320C55x體系結(jié)構：C55x德州儀器公式的新型產(chǎn)品，具有低功耗優(yōu)點。同時，C55x的總線寬度得到了增加，指令單元能夠取32位程序代碼，并具有指令高速緩沖器。數(shù)據(jù)吞吐率以及電耗得到了顯著降低，應用系統(tǒng)的性能得到了最好的發(fā)揮。
　　主控DSP和從片DSP之間的通信，通過多通道緩沖串口（MCBSP）實現(xiàn)。TMS320VC5509A DSP與其他C55xDSP、數(shù)字信號編解碼器等外設的連接，通過三個高速多通道緩沖串口得到了實現(xiàn)。16位的外設總線與CPU和DMA控制器連接多通道緩沖串口。多通道緩沖串口的特點是：數(shù)據(jù)傳輸模式是全雙工；發(fā)送雙緩沖和接收三緩沖使數(shù)據(jù)流的連續(xù)性傳輸?shù)玫搅吮ＷC；時鐘和幀同步信號收發(fā)獨立；能夠向CPU發(fā)送中斷、向DMA控制器發(fā)送事件；具有128個收發(fā)通道；能夠控制通道的打開或阻塞；能夠直接與具有串行接口的A/D或D/A設備連接等。
　　2、主控DSP與羅經(jīng)、PC機通信電路設計分析
　　主控DSP與羅經(jīng)、PC機之間實現(xiàn)異步通信，通過軟件異步通信方法與通過擴展異步通信芯片來實現(xiàn)高速串行通信。德州儀器公司的TLI6C752B作為異步通信芯片，具有以下特點：能夠獨立工作；具有64字節(jié)發(fā)送/接收FIFO，減少了CPU的中斷次數(shù)；軟件編程能夠?qū)崿F(xiàn)接收FIFO的啟動和停止等級；具有軟件流控制模式與硬件流控制模式功能；內(nèi)部閉環(huán)等。
　　三、數(shù)字信號處理軟件設計與實現(xiàn)分析
　　三片TMS320VC5509A DSP組成了數(shù)字板的信號處理部分。數(shù)字信號處理器的軟件設計在多普勒測速系統(tǒng)中具有非常重要的作用。一片DSP為主控DSP對另兩片DSP的處理結(jié)果數(shù)據(jù)進行接收，通過處理后傳輸給PC機進行終端顯示和存儲。
　�。ㄒ唬┲髌珼SP程序設計分析
　　接收PC機參數(shù)、讀取羅經(jīng)方位信息、控制發(fā)射板發(fā)射信號、下傳兩從片DSP參數(shù)信息并接收從片DSP的解算結(jié)果進行速度以及深度的解算是主控DSP的功能。搜索模式與對底模式是主片DSP工作的兩種模式。主控DSP運用中斷方式對程序的正常運轉(zhuǎn)、高效率以及抗干擾能力進行保障。主控DSP中，對某一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行定義后，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)就會存放上傳數(shù)據(jù)。主控DSP在每個同步周期信號到來時，就會向TL16C752B的發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中寫入數(shù)據(jù)。
　�。ǘ⿵钠珼SP程序設計分析
　　從片DSP完成的功能是相同的，程序也是一致的。搜索模式和對底模式也是從片DSP工作的兩種模式。數(shù)據(jù)采集、信號檢波、測頻以及上傳結(jié)果數(shù)據(jù)給主控DSP是從片的功能。脈寬、采集起始位置以及工作模式是從片DSP接收的三個參數(shù)。實時檢波程序、數(shù)據(jù)采集程序以及測頻算法程序是其三個程序。
　　四、結(jié)語
　　數(shù)字信號處理系統(tǒng)的硬件設計與多普勒計程儀數(shù)字信號處理器應用軟件的設計是多普勒計程儀信號處理系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容。這種設備信號處理系統(tǒng)中的硬件電路非常穩(wěn)定，軟件具有非常好的運行情況，適合各種復雜的水質(zhì)環(huán)境。在今后的研究中，實施硬件設計時，應考慮DSP的自舉引導的擴展性，應解決DSP應用軟件的某些不穩(wěn)定因素。目前，相控陣多普勒計程儀是艦船自主導航的重要設備。相控陣技術的推廣使用，聲速測量引起的誤差也得到了有效的避免。
　　參考文獻：
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　　[3]鄒海超. 多普勒計程儀測速研究及其顯示控制系統(tǒng)軟件設計[D].哈爾濱工程大學，2008.

  本文關鍵詞：多普勒計程儀信號處理設計與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。