UUV水声探测功能与电磁非触发引信融合测试系统设计

2021-08-30赵恒阳高毅欣

测控技术 2021年8期

赵恒阳，高毅欣，高远

(中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部，云南昆明 650032)

应用于UUV(Unmanned Underwater Vehicle，无人潜航器)的水声探测功能主要用于实现目标搜索、识别与跟踪[1]，根据频率可以分为低频、中频和高频水声探测，根据工作原理又可以分为主动和被动水声探测。电磁非触发引信则是包括鱼雷、水雷和攻击型UUV在内的水中兵器根据预定条件准确触发和攻击目标的基础[2]。传统的测试系统采用分立式的方法，针对水声探测功能采用单独的对接装置[3]，通过专用数字信号模拟器控制换能器实现对目标水声信号的模拟。针对电磁非触发引信则采用单独的电磁耦合装置[4]，通过专用软件和电路驱动电磁耦合线圈模拟待测产品通过目标时的电磁特性。若同时进行水声探测功能和非触发引信测试，需要在测试系统中同时包含上述两种测试设备，系统结构复杂且操作烦琐。实际的测试工作中，水声探测功能和电磁非触发引信并不要求在同一时刻进行测试，并且两者工作频率差距不大，故可以共用包括信号生成在内的部分电路，因此理论上存在将两者的测试融合在一起的可能性。

目前针对不同工作频率的水声探测设备已有专用的融合式目标信号模拟器[5]，在信号生成部分共用硬件电路，再利用不同中心频率的带通滤波器选择特定频率的信号，实现不同频率水声信号的融合测试。通过分别设计针对水声探测信号和电磁非触发引信信号的带通滤波器，即可在共用信号生成电路的基础上实现两类测试功能的融合。并且由于水声探测器与电磁非触发引信的工作频率差距不大，即便在传统分立式测试设计中也可以选用相同型号的主控FPGA芯片、D/A转换器、运算放大器等元器件，因此融合式测试系统的信号生成电路可以与传统分立式设计一致，能够充分利用成熟且稳定的分立式设计，从而有效保证系统可靠性。

本文设计了一种新型UUV水声探测功能与电磁非触发引信测试系统，以嵌入式测试单元为核心，通过DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)方式产生模拟信号[6]，再通过不同带宽和驱动能力的硬件电路，分别驱动水声换能器和电磁耦合线圈，模拟目标水声和电磁特性，实现水声探测功能与电磁非触发引信的融合测试。

1 硬件设计

测试系统由主控计算机、嵌入式测试单元、换能器和线圈组成，其中嵌入式测试单元是整个测试系统的底层核心，由数字电路和模拟电路两部分组成，如图1所示。由于水声探测功能和电磁非触发引信的测试并不是同时进行的，因此两者共用数字电路部分，仅在模拟电路部分用不同带宽的滤波电路对DDS输出信号进行分离，以简化硬件电路设计。

图1 系统硬件结构

1.1 数字电路

嵌入式测试单元以Xilinx FPGA芯片XC3S200A-4VQ100C为核心，实现数据记录、以太网通信、I/O通信、目标信号模拟等功能。采用16 Mbits的Flash芯片M25P16作为数据存储器，其中低位4 Mbits用于存储FPGA配置程序，高位12 Mbits用于记录临时数据。以太网通信采用FPGA配合SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)以太网控制器W5500实现，该芯片集成硬件固化的协议栈、10/100 Mbit/s以太网MAC(Media Access Control，介质访问控制)和PHY(Physical Layer，物理层)，在FPGA控制下实现UDP通信。此外，数字电路部分还包括一块采用I2C接口的数字温度传感器LM75BD，用于监控电路板工作环境温度。

1.2 模拟电路

模拟部分主要包括数模转换电路、滤波电路、换能器驱动电路和信号采集调理电路。数模转换采用8-bit并行D/A转换器TLC7524CPWR，转换速率为10 MS/s。滤波电路分为换能器1驱动信号、换能器2驱动信号、线圈驱动信号3个部分，均采用压控电压源型二阶有源带通滤波器设计。由于有源滤波器输出具有一定驱动能力，D/A输出信号经有源滤波后可直接驱动换能器2和线圈。而换能器1为高压驱动型点声源换能器[7]，需要将滤波器输出信号经功率放大器LM1875T驱动，再经过1∶10中频变压器放大电压后才能用于换能器驱动，换能器1驱动电路如图2所示。此外，测试系统换能器1和换能器2均为收发一体，能够接收UUV向外发射的水声信号，通过二极管钳位及单极运放转换为单极电压信号[8]，再经隔离输入后触发FPGA实现对应功能，如图3所示。

图2 换能器1驱动电路

图3 水声换能器触发信号采集电路

1.3 其他

1.3.1 电源

嵌入式测试单元采用+24 V直流供电，分别通过两个隔离DC/DC模块为数字部分和模拟部分供电。其中数字部分将+24 V转换为DC+5 V，再通过LDO(Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器)转换为DC+1.2 V、DC+2.5 V和DC+3.3 V，其中DC+1.2 V和DC+2.5 V作为FPGA核心电压源和辅助电压源，DC+3.3 V作为FPGA的I/O接口模块、隔离芯片和其他数字芯片供电电源。模拟部分将+24 V转换为AC±15 V，用作双极运算放大器电路供电电压，通过参考电压芯片ADR01BR将AC+15 V转换为AC+10 V，作为D/A转换器的参考电压，再通过非隔离DC/DC芯片TPS5430将AC+15 V转换为AC+5 V直流电压，作为隔离芯片和单极运算放大器供电电源。

1.3.2 隔离

隔离部分主要包括高速电容隔离和光耦隔离。高速电容隔离采用传输速率150 Mbit/s的ISO7240M和1 Mbit/s的ISO7220C实现。其中，ISO7240M用于FPGA I/O接口与D/A转换器之间8位数据接口隔离，ISO7220M用于触发信号与FPGA I/O接口之间的隔离。光耦隔离则采用TLP281-4，用于FPGA I/O接口与被测UUV产品I/O接口之间的隔离。

2 软件设计

测试系统软件包括主控计算机软件和嵌入式测试单元软件两部分，采用基于网络的控制与数据采集模式[9]，嵌入式测试单元根据指令执行水声探测功能测试或电磁非触发引信测试。系统软件工作流程如图4所示。

图4 测试软件工作流程

嵌入式测试单元软件采用Verilog HDL语言进行开发，主要包括以太网通信和目标信号模拟2个部分。主控测试软件基于.NET开发，包含产品数据库和目标仿真器，同时进行嵌入式测试单元剩余寿命估计。

2.1 嵌入式测试单元软件

2.1.1 以太网通信

嵌入式测试单元与主控计算机之间通过以太网UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)通信。以太网控制器配置为自适应、全双工模式，FPGA作为SPI主控制器(Master)，以太网控制器作为从器件(Slave)，分别通过初始化、中断接收和数据上传3个状态机实现以太网通信功能，如图5所示。

图5 网络控制器状态机

初始化状态机在系统上电后执行，在复位网络控制器后设置MAC、IP、Subnet Mask(子网掩码)和Gateway(网关)，随后再设置Socket0接收、发送缓存区的大小。完成初始化后系统以一定时间间隔执行查询操作，首先读取Socket0状态，若非UDP状态则先完成UDP状态的设置，当接收到数据时进入中断接收状态机，将数据从接收缓存区中提取出来并解析，同时回传接收完成信息。

2.1.2 目标信号模拟

DDS所需的信号数据存储于FPGA内部ROM(Read Only Memory，只读存储器)空间中，根据所需信号频率由FPGA以一定时间间隔将数据发送到D/A转换器，通过改变读写数据的时间间隔实现频率变换，再通过乘法器实现幅值调整，转换后经有源滤波电路得到符合要求的模拟信号。具体包括水声探测器1测试、水声探测器2测试和电磁非触发引信接收机测试3种模式。

水声探测器1测试：通过主控计算机可选择被动或主动工作模式。被动模式下信号通过功率放大和升压电路后驱动换能器1，模拟目标声学特征，实现被动探测功能测试。主动模式下由换能器1采集UUV产品主动发射的水声探测信号，将采集到的信号经调理、隔离后触发FPGA，按照设置的回波延时等参数产生目标模拟信号，通过驱动换能器1向被测产品发射声信号，实现主动探测功能测试。当进行主动探测功能单频信号测试时，以FPGA工作时钟为基准，对触发信号进行计数，可计算得到信号频率、脉宽和脉冲间隔；当进行混频信号测试时，FPGA将存储采集到的触发信号数据，通过FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)分析获取信号频率特性。

水声探测器2测试：水声探测器2仅具备主动工作模式，其测试原理与水声探测器1相同。

电磁非触发引信接收机测试：通过DDS产生对应频率的信号，经有源滤波后驱动电磁线圈，向被测UUV产品电磁接收机辐射电磁信号，通过逐级调节信号幅值触发产品引信动作，从而实现对产品电磁非触发引信接收机的功能测试。

2.2 主控计算机测试软件

2.2.1 产品数据库与目标仿真器

产品数据库主要存储UUV水声探测器频率、波束宽度，以及电磁非触发引信频率、幅度等参数。使用时首先在产品数据库中设置待测试产品的探测器和电磁非触发引信接收机相关参数，将其发送至嵌入式测试单元后即可进行对应功能的测试。

在进行水声探测功能测试时，在产品数据库中设置完产品参数后还需要进行目标仿真器的设置。目标仿真器采用软件模拟目标相对于产品的空间和运动信息，通过配合嵌入式测试单元的目标信号模拟功能，以半实物仿真的方式来模拟主动搜索模式下目标的运动特性。由于本设计采用的水声探测器均为点声源换能器，因此目标模型主要基于速度和距离建立。主动搜索模式下目标距离模型为

(1)

式中，c为水中声速；R为目标距离；Δτ为目标回波信号到达UUV换能器的时延。目标速度模型为

(2)

式中,v为产品与目标的相对速度;θ为目标位置矢量与UUV航向之间的夹角;f0为发射信号的频率;fd为UUV接收到信号的多普勒频移[10]。由于基于点声源换能器无法模拟目标水平或垂直方位信息，因此不能得到目标位置矢量与UUV航向之间的夹角θ，产品最终能够计算得到的参数为±vcosθ，即目标速度在产品速度方向上的投影。实际工作时，仿真系统根据距离和速度实时设置水声回波信号的频率和延时，从而实现对主动搜索模式下目标回波信号的仿真。

2.2.2 嵌入式测试单元剩余寿命估计

RUL(Remaining Useful Life，剩余使用寿命)预测一般采用基于物理模型或数据驱动的方式[11]。由于基于物理模型的方式需建立准确的系统故障失效模型，对于大多数复杂电子系统而言较为困难甚至无法实现，而基于数据驱动的方式可以从监测数据中获取与系统健康状况相关的特征信息，特别在深度学习技术的帮助下，能够直接从海量数据中获取更深层次的特征值，进而获得更贴近真实情况的系统RUL。

在本系统中，嵌入式测试单元的健康状况评估以基于数据驱动的板卡RUL预测值为判断依据。通过温度传感器实时获取板卡工作环境温度，将温度数据加入时间戳标记后上传到主控计算机，再通过基于LSTM(Long Short-Term Memory，长短期记忆)网络的评估模型，采用直接RUL预测方式获取板卡的RUL值，依此进行板卡健康状况评估，并且可作为融合式测试设备PHM(Prognostic and Health Management，故障预测与健康管理)系统的重要基础[12]。

如图6所示，在训练网络参数之前，首先对该型板卡进行热失效仿真[13]，记录工作温度、工作时间和板卡寿命之间的相关数据。在训练阶段，设计专门针对RUL值估计的LSTM网络，将上述仿真获得的数据进行预处理后用于训练网络。该LSTM网络采用双层LSTM结构[14]，优化器选择SGD(Stochastic Gradient Descent，随机梯度下降)算法，使用Dropout正则化技术来限定网络的复杂度。而对于隐藏单元数、学习率等超参数，采用随机搜索方式来更快速地收敛到较合适的数值[15]。在随后的在线评估阶段，主控计算机实时采集嵌入式测试单元的温度数据并缓存，经预处理后通过LSTM网络，计算得到对应的RUL预测值，在主控软件界面中给予使用者相应的提示和使用维护建议。

图6 基于LSTM网络的RUL预测模型

3 实验验证

通过配合实际的UUV产品，分别对本系统的水声探测和电磁非触发引信的测试性能进行验证，并与分立式测试方法进行对比。图7(a)为融合测试模式下水声探测器触发测试时采集到的波形，其中示波器通道1采集到的是UUV产品发射的连续正弦信号，通道2采集到的则是测试系统触发后反射回UUV的连续脉冲信号，其中第一个脉冲与连续正弦信号起始点之间的时间差即水声探测器的回波延时，该测试波形及结果与分立式测试一致。图7(b)为融合测试模式下产生的用于驱动电磁耦合线圈的信号，通过逐步提高信号幅度来查看UUV引信是否能正常动作，该测试波形及结果与分立式测试一致。

图7 测试波形

表1中对比了融合式测试与分立式测试的硬件构成、测试周期和测试结果。实验结果表明，融合式测试与分立式测试均能准确完成所有测试内容，证明融合式测试方案能够在提高软硬件集成度的情况下达到与分立式测试相同的测试能力。此外，由于融合式测试的硬件组成更为简单，将分立式模式下对多套专用测试设备的操作简化为对1套融合设备的操作，使操作步骤得到简化，从而缩短了测试周期，证明其在满足测试功能的前提下，能够取得比分立式测试更高的测试效率。