基于DSP的被动定向浮标算法的实现

基于DSP的被动定向浮标算法的实现

匡开锋张雷王森

（杭州应用声学研究所杭州310012）

论文介绍了被动定向浮标复合信号解复用的过程，以及利用互谱法测向的原理。基于C语言进行编码，在TMS320C6678DSP实现了被动定向浮标算法。利用仿真验证了算法的正确性，结果表明新的信号处理平台大大提高了声纳信号仿真和处理的能力。

定向浮标；解复用；互谱法

Class NumberTP391

1 引言

声纳是利用水中声波进行探测、定位和通信的电子设备，可用于对水下目标进行探测、分类、定位及跟踪。被动声纳技术是指声纳被动接收船舶等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位［1～2］。被动定向声纳浮标的水听器具有方向性，单枚浮标可以确定目标相对于浮标的磁北方位。利用两枚或两枚以上的被动定向浮标对目标辐射的声信号进行频谱分析记录，即可交精确地测定目标的位置［4］。

2 原理

2.1 浮标信号解复用原理

浮标内部的矢量传感器由两个偶极子传感器组成，两个偶极子传感器分别沿着浮标的X轴方向和Y轴方向。如图1，浮标Y轴沿顺时针方向与地磁北极的夹角标记为ϕ，目标方向沿顺时针方向与浮标Y轴的夹角标记为θ。罗盘测得ϕ角度，θ+ϕ就是目标相对于地磁北极的方位。定义Y轴传感器接收的信号为余弦通道信号或者Y通道信号，X轴传感器接收的信息为正弦通道信号或者X通道信号，全向水听器接收的信息为全向信号。

浮标接收机获取的是离散采样后的复合信号，包含全向信号，正交调制后的偶极子信号，一路导频信号以及一路导相信号。解复用是将被动定向浮标的复合信号分离的过程，提取得到全向信号和解调后得到东西和北南信号。可以用算式证明如下：

设Y轴向传感器接收到的信号为Y=Acosθ，X轴向传感器接收到的信号为X=Asinθ，假设初始相位为0°，则有复合信号经过带通滤波后的信号为S=Ycos(ωt)-Xsin(ωt)+sin(ωt-φ)。

导频锁相环锁定导相信号sin(ωt-φ)，送出正交的两个信号，即余弦通道解调信号cos(ωt-φ)和正弦通道解调信号-sin(ωt-φ)，余弦通道解调过程如下：

在这个解调过程中，罗盘信息已经融合到东西信号和北南信号中，进一步信号处理，如互谱法等即可获得目标在地磁坐标中的绝对方位。

2.2 TMS320C6678DSP器件简介

TMS320C6678是TI公司的一款8核C66xx的定点/浮点DSP，运算能力强，每核主频1.0G/ 1.25GHz，单核可高达40GMACS和20GFLOPS，支持SRIO高速串行接口，理论带宽1.25GB/s，实际的板内带宽不低于0.8GB/s，拥有优越的网络性能，片间单核对单核以太网通讯，板内传输速率不低于60MB/s，适用于高性能的信号处理应用。

TI提供了用于数学和信号处理的科学计算库，如向量卷积、FIR滤波、快速傅里叶变换函数等，并针对底层DSP对计算函数进行了优化，在运算精度和效率都得到了大大提高，实测的1024点复数FFT运算耗时约为80μs，运算能力强。

3 算法设计及软件实现

3.1 数字解复用

对于从软件无线电接收机送来离散采样后的复合信号，采用一个低通滤波器取出全向信号；一个带通滤波器分离出调制的偶极子信号和15KHz导相信号，并进一步正交解调和低通滤波取出东西信号和北南信号；另一个带通滤波器取出导频信号作为导频锁相环的输入。导频锁相环跟踪导频信号的频率，倍频后输出与导相信号同频的解调信号，对余弦通道进行解调，解调信号和导相信号的相位误差信号输入到数字导频锁相环，锁相环进行调整，最后捕获导相信号的相位。算法框图如图2所示。

3.2 互谱法测向

采用互谱法进行目标方位估计能较好的抑制各项同行噪声干扰，并能得到目标频率-方位信息。经过解复用处理、谱分析以及谱线选择后的北南、东西通道数据分别与全向通道共轭相乘，得到互功率谱，对互功率谱实部求反正切即可得到对应频率的目标方位估计结果，目标方位估计的算法流程如图3所示。

设全向通道、北南通道和东西通道数据对应的频谱数据分别为YO(k)，YN(k)，YE(k)，从而求得全向-东西互功率谱为

全向-北南互功率谱为

从而得到目标方位与频率的关系为

4 实验仿真

仿真实验中，设定目标信号的频率为120Hz，方位为60°，复合信号的谱图如图4所示，包含全向信号，正交调制后的偶极子信号，15KHz的导相信号以及7.5Hz的导频信号。

经过解复用处理后的全向、东西和北南通道信号如图5所示，由图6可以看出解复用器在2s内锁定目标，目标方位的实时估计结果表明算法具有较高的测向精度。

对信号输出的方向-频率-信号强度进行分析，找出信号强度最大者的频率和方位并显示出，得到目标的频率-方位图如图7所示。

5结语

本文基于TMS320C6678多核DSP实现了被动定向浮标信号处理算法，结果显示目标信号能够快速锁定且有较高的测向精度。TMS320C6678DSP硬件集成度高，拥有高速对外传输接口及大容量外部存储空间，基于TMS320C6678DSP的信号处理平台大大提高了系统的紧凑性和拓展性，对提升声纳信号综合处理能力具有重要意义。

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Realization of Passive Directional Sonobuoy Signal Processing Algorithm Based on DSP

KUANG KaifengZHANG LeiWANG Seng
（Hangzhou Applied Acoustics Institute，Hangzhou310012）

The principle of demultiplexer in sonobuoy is introduced，and the target bearing of signal is calculated by cross spectrum method.The directional sonobuoy signal processing algorithm is achieved on TMS320C6678DSP using C language.Perfor⁃mance of the algorithm is evaluated via computer simulation，and the results indicate that the new signal process platform has great⁃ly improve the capacity of sonar signal simulation and processing.

directional sonobuoy，demultiplexer，cross spectrum method

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.033

2017年2月9日，

2017年3月28日

匡开锋，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：数字信号处理。张雷，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：显示控制与编码。王森，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：数字信号处理，统计信号处理。