PDF《0的水 声时间反 转 应答 系 统设 计》

第26卷第3期

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0 7年 9月 海洋技术oCEAN TECHNoLoGY Vo1 .

26, No .3 Se pt ,

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7 基于 MS P

4 3 0的水声 时间反转应答 系统设计 张志博 ,孙长瑜 ,李启虎 (

1 .中国科学 院声学研究所 ,北京

1 0

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8 0 ;

2 .中国科学院研究生院 ,北京

1 0

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3 9 ) 摘要:体积庞大、结构复杂 的水声仪器设备往往在使用和维护等方面给使用者带来不便 ,因此对于水声设备 的 小型化要求 已经必不 可少 .水声 时间反转应答 系统是水声时 间反转镜研究 的主体设备 .论文结合水声信道匹配研 究 的实验要求 ,以MS P

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0 F

1 6

9 微控制器作为核心部件 ,设计 了一种适用于水声时 间反转镜研究 的小型化 、低功 耗应答 系统 .文 中给 出了详细 的硬件及软件设计方案 ,以及 该系统的应 用原理 .该设计体积小巧、结构简 练,在 保证性能 的前提下 ,极大地提高 了系统 的易用性和灵活性 . 关键词 :MS P

4 3

0 ;

时间反转镜 ;

应答系统 ;

水 声信 道 中图分 类号 :P

7 3

3 .

2 文献标识码 :B 文章编号 :1

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3 ―

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2 9(

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0 7 )0

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0 5 水声信道 匹配基础研究是建立在水声 学、海 洋物理声 学以及现代信 号处 理技 术基础上 的新兴研究 领域.水声信 道 的时空变化复杂性 和不确 定性是提高新型声纳 系统性能 的最 大障碍 , 通过 对水声环境 的实时获取 和估计 , 及时调整 信号 和接收处理方式 以达到与信道相 匹配 的工作性 能.其中, 水 声时间反转镜研究是该课题 的一项必不可少 的内容 . 时 间反转应答系统是水 声时间反转镜研究 中的主体 实 验设备 , 它负责水下信号 的接 收、 时间反转及 回发 . 与船 载 应答系统相 比,浮标式应答 系统具有体 积小 、自身干扰少 、 布放方便 、 操作灵活 等诸 多优势 .由于采用电池供电 , 我们 在保证性能的同时 , 尽可能 降低系统功耗 以节约 电能 . 本文 正是结合课题所需 ,设计并实现 了一 种小型化低功耗水声 时间反转应答系统.1基于MS P

4 3 0的低 功耗水声时间反转应答系统设计1.1水声时间反转镜简介 海洋的不均匀和多途效应使得接 收信 号的时域 、频域 特性发生变 化, 最终导致检 测能力的下降. 为 了克服在声学 收稿 日期 :2

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0 3 ―

2 2 基金项 目:国家 自然科学基金重点资助项 目(60532040)作者简介:张志博 (

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8 0 一),男 ,中国科学院声学研究所博士研 究生 , 主要从事多元信号处 理,嵌入式系统设计等方面 的研究 工作 . 孙长瑜 (

1 9

5 4 一),男,中国科学院声学研究所研究员 , 博士生导师 . 李启 虎(1939一),男,中国科学院声学研究所研究员 , 中国科学院院士 ,博士生导 师. 不均匀介质 中的波形 畸变 ,在声学中引用 了源于光学 中不 均匀介质 的相位共轭成像 法,并 将连续波的相位共轭法发 展为时间反转法.当不考虑空 间不均 匀和界面不均匀性 的随机性 时 ,水 声信道 的空变特性 可 以用 相干多途 信道 的系统 函数 表示 . 由于水 下声信道 的多途效应 ,因此 怎样将各途径到达 的信 号分量综 合利用 , 是值得研究 的. 借鉴 匹配滤波器空 间匹配 滤波的思想 ,如果 用S()表示信号 的频谱 ,H ( )表示 信道 的传输 函数 ,则信号经过信道输 出的频谱可写作 : R( )一H()・S( ) (

1 ) 令X()是R()的复 共轭,即:X()一 R ( )= H ( )・ S ( ) (

2 ) 将(2)式 两边同乘 H ( ) ,可得 到: Z( )一H()・H '

( )・S ( ) (

3 ) (

3 )式中 H ( ) ・ H ( ) 一项是实 、偶 、正 函数 ,它 在时 间零点 的傅里 叶反变换是 同相叠 加的,会 得到主相关 峰值 ,这使得信号与其乘积的结果 Z ( )比R()要大的 多 .这就 是水声 信道 中时间反 转镜聚焦 的根 本原 理.在(1)式至 (

2 )式中,X ( )可认为是接收信号时反后的频 谱,Z ( )可认 为是时间反 转镜输出的频谱 .

1 9

9 1年,Do wl i n g对 时间反转镜应用于水声作 了定 义 和基 本的理论分析 .通过海上 实验来研究水声时 间反转镜 的特性 , 实验系统 由发射和应答两部分组成 . 信 号由发射 系 统发出 , 经海洋信道到达应答系统 , 应 答系统对 接收信号进 行时间反转并 回发 .多通道 的时 间反 转应答系统可 以研究 海洋 中时 间反转镜 的聚焦效应 . 水声时 间反转镜实验如 图1所示 . 维普资讯 http://www.cqvip.com

3 2 海洋技术第26卷 一J《.rlI时间反转 I { 应答系统 f J 声源 及接收阵 . , 图1水声时间反转镜实验 示意1.2超低功耗MS P

4 3 O微控制器美国德州仪器 ( T I ) 公司的 MS P

4 3 0系列微控制器是一 种16位超低功耗的混合信号处理器 ( Mi x e d S i g n a l P r o c e s s o r ) . MS P

4 3 O F

1 6 9是 目前 MS P

4 3 O系列中高档型号 之一 . 它采用

1 6位RI S C结构 , 具有丰富的内外设 和大容量 的存储空 间.其 内部结构如图

2 所示 . MS P

4 3 O系列处 理器 的突 出特点是超低功耗 ,正 常工 作时 的电流仅为微安级 , 其中MS P

4 3 O F

1 6 9在电压

2 .

2 V, 工作频率

1 MH z下的动态模式 下电流 为330A. 标准模式 下 电流为

1 .

1 A.R AM 保持的节电模式下 ,工作 电流 为0.2A. MS P

4 3 O具有五种不同的微功耗 模式 . 可以在一个 动态模 式与五个软件可选择低功耗模式下运作 ,一个 中断 事件就 可以将 MS P

4 3 0由五种低功耗状态下唤醒 ,响应 中断,在 中断服务 程序 结束后返 回低 功耗模式 .由休眠唤醒 到标准模式时间不多 于6s.正是这 种先 进的功耗管理和 出色的超低功耗特点 ,使其很适合作 为低 功耗应 答系统 内 部的主处理器使用 . 图2MS P

4 3

0 x

1 6 x结构框 图 此外 , MS P

4 3

0 F

1 6 9具有强大 的运算能力 :

1 6位RISC结构 , 丰 富的寻址方式 ;

具有

1 6 个 中断源 , 并且任意嵌套 ;

在8MHz 时钟驱动下指令周期可达

1 2

5 n s ;

内部包含硬件 乘 法器和大量 寄存器及多 达6OKByte的 F L AS H 程序 空 间和

2 K B y t e的RA M 空间 ,为存储 数据和运算 提供了保 证 .这些特点使 MS P

4 3

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1 6

9 具 有很强的数字信号处理 能力.MS P

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0 F

1 6 9还具有丰富的 片上 外设 :包括看 门狗定 时器 ,1

6 位 定时器 ( TA/ T B ) ,8通道

1 2 位快 速A/ D ( 模数)转换器 , 双12位 D/ A ( 数模 )转换器 , 通用同步/ 异步 串行通讯接 口, I

2 C接口, D MA控制器 ,4 8个通用 I / O端口.如此 丰富的片上资 源使 很多 功能都可以在一个芯片上 完成 ,大大降低 了系统成本并提高了设计 的可靠性 .

2 系统 电路设计 时间反转应答 系统框架如图

3 所示 . 图3时间反转镜应答 系统硬件结构 图 整个系统 由干端和湿端组成 ,其 中干端完成信号检测 处理及系统控制功能 , 包括应答主 电路 、 前 置放 大电路 、 功 放电路、 人机接 口电路 , 电源管理 电路等模块 ;

湿端由水听 器 和发射 换能器组成 ,负责水声信号 的接 收和应答 信号 的发出.维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期张志博等 :基于MS P

4 3 0的水声 时间反转应答 系统设计

3 3 水 听器接收到水声信 号后经前置放大 电路送至应答 主 电路模块 , MS P

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9 是 系统 的核心部 分,MS P

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9 利用 内置 的A/ D转换器进行采样 ,经过信号检测 , 将检 测到的信号直接转发或进行 缓存 , D / A转换 由其 内置 的D/A转换器完成 .主 电路 中采用二 阶压控滤波 电路平滑输 出波 形,电路如图

4 所示 .同时 , MS P

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9 还负责整个系统 的控制及管理 ,如对人机接 口和电源管理模 块进行控制. 图4主电路波形输出平滑电路人机接 口模块 对应答系统进行初始化设 置并 显示应答 系统的工作状态 ,包括可 以通过 L C D显示器 、小型键盘或 异 步串 口(UAR T)完成人机交互操作 . 电源管理模块 的主要 功能是对 电池组 电源进行 管理 , 包括 电量监 控、电压 管理 以及 对系统 内其它个模块 的供电 管理 ,从而实现对系统功耗的合理控制 .

3 系统软件设计

3 .

1 A/ D 采样模块A/ D转换 由MS P

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1 6 9内置 的A/ D转换器完成 . 系 统通过软件进行 初始 化设 置, 包括参考 电压 、 采 样率、 保持 时间等参数 的设 定. 应当说 明的的是 , 由于 MS P

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1 6 9的A/ D转换器 的采 样率可达

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0 k Hz ,而对于我们 的实 际应 用来说

1 0 k H z即可以满 足要求 , 过高 的采样率会加大数据 量. 这里采用 内置定时器触发方式 控制 实际采样 率. 定时器 Ti me r A 以10kHz的频率触发 A/ D采样,A/ D转换器产生 中断, 中断服务 程序完成采样数据 的保存 . 时序示意图如图 5所示.CCR0 CCR1 0h T i me r A 输出A/D采样及保持 A / D中断 图5A/ D采样模块工作时序 合理 的A/ D转换器 及定时器初始 化是保证 A/ D采样正常运转 的关键 , 下面列出 的是本系统对 A/ D采样模 块的 初始化程序 . v o i d ADC― ― I n l t ( v o i d ) { P

6 S E L I 一0x01;

/ /选择通道AO ADC1

2 CTL0 一ADC1

2 ON+ S HTO一8+MSC+ REF2

5 V+R E F ON;

/ /初始化 AD C

1 2 D e l e y

1 0 m s ( ) ;

/ /延时10ms AD C

1 2 C TL 1一CONS E Q

2 +S H S

1 ;

/ /触发方式//单通道连续采样 ADC12 M CTL0 一INCH 一0+ SREF一1;

AD C1

2 I E一0x0001;

//使能 A D c1

2 I F G.

0 P2 S E L I = B I T3 ;

/ /设置 Ti me r A1 P2 DI R I 一0x08;

CCTL 1一CCIE;

/ /C C R1中断使 能CCR0 =

80 0;

CCR1 ―

40 0;

T AC C TL 1一OUTMOD

3 ;

/ /C C R 1设置TAC T L ― T AS S E L O+ TA C L R + M C 一31;

//时钟 AC L K,TA R 清零)3.2信号检测与处理模块 信号检测与处理模块 的功 能是检 测有 效信号并进行处 理.当没有信号发射 时,应答系统接收到的都是海洋噪声 , 此时不做应 答;

当有信号发射时 , 应答 系统要作 出准确检测 及存储 ,并按要求进行信号 回发 . 本应答 系统应用于海洋环境 中,海洋环境 的多变性使 得环境 噪声 会随着时间不断变化 ,无法将其看 作一个统计 特性不 变的随机量 , 因此为 了保 证检 测的有效性 , 软件实现 阈值估计模块 , 以根据实际情况 的变化灵 活做 出响应 . 阈值 估计 的 主要功 能就 是根 据噪声 的变化设 置相 应 的判决 门限,保证在 变化噪声环境下仍然 能有效地检测 到脉 冲序列 . 根据 阈值估 计提供的判决 门限,脉冲判决模块实 现能 量检测器 , 用 于对 当前 脉冲进行 能量判决 . 该能量检 测器数 学表示式如下 : 垄±= 三±: : : ±= 三≥M (

4 ) 式(4)中 M 即为阈值估 计模 块提供的判决 门限, 能量检测 器将输入 的 个样本值平方之后再求平均 ,并与阈值 M 相 比较 .累积平均能量高于判决门限 M 的脉 冲被判决为有用 信号 ,而能量低 于判决 门限的脉冲则被认为是噪声 . 当检测 到信号并正确保存后 ,程序将记 录保存 信号区 域 的指 针.当发送信号时 , 程序将使指 针递减 ,以达到时间 翻转 的 目的. 信号检测与处理模块程序流程如图 6所示.

3 .

3 D/ A转换模块 D/ A 转换 由MS P

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1 6 9内置 的D/A转换器 完成.D/ A转换器 与A/ D转换器共用一个参考电压 , 这样保证 了 维普资讯 http://www.cqvip.com

3 4 海洋技术第26卷图6信号检测与处理模块程序流程 信号收发 的一致性 . 虽然 D / A 转换不需要定时器触发而运 转 ,但为保持信号收发的一致性 , 本系统采用

1 0 k Hz的频 率更新 D / A 转换器 的数据缓冲寄存器 ,以保证原始信号的 信息完整 . 由于定 时器 T i me r A 已经用于 D / A转换 的触发 , 这里使用定时器 T i me r B产生........