海洋技术▏声学浮标多功能的设计与实现
一、引言
海上试验专用声学浮标是指布放于海上，具有水声通信、测量、定位等一种或多种功能的浮标体，由于其在水声测量方面的简便性，在海上试验中得到了广泛的应用。研究浮标多功能设计技术，在不增加体积的条件下，使其能实现更多的功能，规范浮标的设计技术和方法，对提高浮标的可靠性，节省存放空间、降低经费，意义深远。近几年，随着现代电子技术的发展，大规模集成电路、DSP、FPGA设计技术的应用越来越普遍，可以利用软件动态改变部件内部配置进行电路重构以实现系统的各种不同用途,这些技术的应用使海上试验声学浮标的多功能设计成为可能。
二、声学浮标的结构组成及信号分析
⒈ 浮标的总体结构
试验声学浮标采用积木式结构，由天线段、支撑杆、浮体、水下电子舱和水听器及电缆等构成。其中水下电子舱内设有控制单元、水声信号处理单元、无线通信链模块和DGPS接收机、可充电电池、存储单元等电子设备。天线段部分架设DGPS天线、无线通信天线和航标灯。浮标结构示意图如图1所示。
图1 声学浮标的一般组成示意图
⒉ 浮标的基本功能
浮标的基本功能包括：①自身DGPS定位功能；②具有与测量基站无线通信的能力；③具有对水下目标水声测量、通信的一种或多种专门的能力。
⒊ 声学浮标的信号
浮标有无线电数据传输通道和水声测量通道，主要利用无线电传输实测数据及控制命令，用声传感器实测和传递水下数据。水声信号有输入输出两个部分，因测量频率不同还有多个频段，有多路输入输出的要求。可能有多个模拟输入，如矢量水听器有VX、VY两路输入，双水听器时有P1、P2两路声压输入。也可能有数字信号输入，如压力传感器、方位仪数据等，数字输入可以合成一路传输。模拟输出一般为一路，但可能有辅助测量信号，这样就可能为两路模拟信号。
⒋ 浮标的水声信号流程
一般浮标水听器接收的声信号首先经前放接收机预处理。前放与水听器硫化在一起，有一定的放大增益。接收机包括滤波和放大功能，滤波器频率范围为几百赫兹到几十千赫兹，放大增益较大。然后到达ADC、DSP处理电路，由16bit高精度ADC和两片TMS320VC5402构成水声信号处理器子系统。信号处理子系统的主要任务为：
①检测信号并测量到达时刻，争取实现尽可能低的检测阈，以便有尽可能远的作用距离。
②可以跟踪多目标。信号经处理后形成结果保存在中心处理单元并由无线电数据发送回基站。
③多路水声输入输出信号的处理。
发送的信号由水声DSP产生经DAC、发射机、功放电路到发射换能器发射。其中功放电路功率较大，需占用一定的空间。模拟信号可能是多路的，必须有不同的放大通道及ADC、DAC电路。一般声学浮标信号流程框图如图2所示。
图2 声学浮标信号一般流程图
三、浮标多功能设计
目前大多数浮标都是专用浮标，一种浮标只有一种特定的功能。没有多功能浮标的原因在于浮标功能多浮标体积势必做得很大，影响使用，而且多功能在技术上融合难度大，没有专用浮标专门设计简单，配属的单位也不同，这样导致已有拟建的浮标系统很多，形成资源的浪费。在不增加浮标的体积下，实现浮标多种用途的途径就是浮标的多功能设计。
⒈ 浮标多功能设计定义
浮标多功能设计是指不改变浮标的总体结构和硬件主要配置，通过改变外设配置、内部电路部件选择、DSP及软件配置而使浮标实现水声不同频段水声通信、应答、不同类型目标信号测量跟踪等功能，其不同的功能主要是通过改变水声信号处理单元的配置而实现。浮标多功能的实现流程如图3所示。
图3 浮标多功能实现流程图
⒉ 整体电气结构配置
为确保多功能配置的方便性，必须采用模块化、通用化设计，做到总线接口标准，特定模块、通用模块分开。内部电气整体结构采用104总线宝塔型结构。各功能模块完成特定的功能，主要由如下模板组成：
GPS接收及无线通信板，电源板，主控及数据处理板，水声处理板，前置及放大器板等组成，见图2.GPS接收及无线通信板，电源板，主控及数据处理板为基本电路板，水声输入处理板，水声输出处理板，前置及放大器板为系统可选部件，按需求安装或通过主控软件选择配置。浮标功能由不同的水声处理软件及不同的硬件配置实现。
其中DGPS、定位、授时同步、无线扩频通信、电源控制、中心控制单元、数据储存部件为系统基本模块，主要完成浮标自身定位、系统时间同步、无线电数传、电源控制、系统控制、系统配置控制等功能。水声DSP、ADC、DAC、接收机、发射机为内部可选择配置部件，完成水声测量和发送、信号预处理、数模/模数转换、水声信号处理、测量频段选择、测量方式选择、信号检测方法控制等功能，其中水声DSP由现场配置，接收及发射部分可在浮标体内部选择。功放和接收水听器或发射换能器为浮标外部可选择部件，根据试验要求通过电缆连接于浮标外部，完成水声信号的功率放大、接收和发送。
四、声学浮标多功能的技术实现
⒈ 浮标多功能的共同部件设计
共同部件指无需再配置部分，为浮标的基本组成之一，此部分以中心处理单元为核心，除实现定位、数传、时间同步、处理、存储等功能外，还实现对水声测量的配置、部件选择控制、电源分配控制等功能，即确定浮标水声测量模式。主要由DSP中心处理器、CF储存卡、DGPS定位守时、通信部件、门控电路组成。水声测量功能实现软件（主要为声学DSP、FPGA配置软件）全部放在CF卡上，系统接收控制指令把某特定功能软件调出配置在声学处理板上以实现水声测量功能。设计无需再述。中心处理单元软件主要工作流程如图4所示。
图4 系统基本程序流程图
⒉ 浮标声信号处理部分设计
声信号处理板是浮标多功能设计实现的关键，主要由声学信号处理DSP、数据接口FPGA电路、DAC、ADC、水声信号调理放大电路、水声发射及接收电路组成。对于水声测量，DAC、ADC的时间同步周期为100kHz已足够，放大电路可采用宽带电路，覆盖低频到高频带。硬件结构框图如图5（左）所示。
图5 硬件结构框图（左）与系统流程配置图（右）
该部分设计的关键在于水声DSP处理软件和SRAM FPGA的配置软件，用存在控制中心CF卡上的水声处理软件对水声信号处理DSP进行重编程，由相应的FPGA配置软件对数据接口SRAMFPGA进行重配置，即可改变系统的水声处理功能，使该部分获得专用的水声测量的能力。该部分需要完成如下两部分功能：对输入输出通道的配置控制，对相应水声数据进行处理。系统的配置的流程如图5（右）所示。
水声DSP数据处理软件为专用软件，不同的水声功能配套有不同的处理软件，其处理的信号形式到最终的结果都是不同的，但最后的数据流都向主控中心发送。图6是某测量系统声学DSP的信号处理部分流程。SRAM FPGA的重新配置也不复杂，主要对其CONF-DON、nSTATUS、nCONFIG引脚的读写控制，数据通过DATA0引脚写入，时序通过DCLK电路引入即可。该部分主要完成输入输出的连接的选择。
图6 弹道测量系统声学DSP的信号处理流程图
⒊ 声学外部可选择部件及连接插头的设计
外部可选择部件包括电缆、前（功）放、水听器（换能器）等，一般的换能器连接较为简单，特殊的如被动测量矢量换能器、大功率发射换能器等可以把相关外测电路、功放电路和水听器做在一起，或增加辅助电子舱，把压力传感器、功放电路、方位仪放在一起。以实现其外部的特殊功能，减少浮标的内部体积。故必须对浮标的电缆外接头的引脚进行规范，定义1～8脚为声模拟信号输入脚，9～12为数字、模拟电源脚，13～14数字信号角，15～19为声模拟信号输出脚等。
五、结语
文章论述了海上试验声学浮标由单一功能转变为多功能的设计方法。利用现代电子技术，对试验声学浮标的DSP进行重编程、FPGA进行重配置，使浮标功能在现场可改变，使浮标由单一水声测量功能发展成为可以兼顾多种水声测量功能，解决了浮标数量过多，放置、使用不便的问题。
【作者简介】作者/丁翠环 李孟学 韩硕，第一作者丁翠环，女，高级工程师，主要从事水声测量技术研究。文章来自《舰船电子工程》（2015），文章原标题为“海上试验声学浮标多功能设计”，编发时作了修改，参考文献略，版权归作者所有，用于学习与交流。
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