全数字垂直线列阵声呐浮标信号采集与处理系统研究
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录 ）浮 标系 统 ，对 目标进行 定 向 。信 号调 理 电路完 成 对三 类传 感器 接 收信 号的 分类 处理 ，并结合海 洋 噪 声 的谱 级 和 水 听器 灵 敏 度 完 成 对 声 信 号 的调 理 及 幅 度 响应 特 性设计 。前置 电路 的输 入 噪声大 小将
ｌ ０
２软件 设计
全 数 字 垂 直 线 列 阵声 呐浮 标 与 以往 传 统 模 拟
浮 标 有 很 大 不 同 ，其 包 含 的 传 感 器 数 目和 种 类 较
直 接影 响到 浮标 的作 用距 离等 性能指 标 ，因此 该 系 统 设计 的关 键就是 降 低前置 电路 的输入 噪声 。罗盘 传 感器 的处 理包括 信 号激励 、 大滤 波 、 放 相位 调整 、
主要 部分 ，具 体处 理流程 见 图声呐浮标信号采集与处理系 统研究
所示 。
初 始化
—
—
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—
—
—
—
一
Ａ３ 制 参数 Ｉ控
设置
—
—
—
—
—
—
—
一
浮标 工作 参数 设置
／Ａ 收 Ｍ接
图 ４ 双数 据 缓 冲 器 工作 原 理
当 ＤＭＡ 对 Ｂ ｆ ｒ ｕ ｅ０操作 时 ， Ｐ 对 Ｂ ｆ ｒ 操 ＣＵ ｕ ｅｌ
进行 实 时波束 形成 ，可提 高 空 间增益 ，增加 作用 距 离 ，同时采 用 矢量水 听器 技术 并 内置磁 罗盘 ，即 可 确 定 目标 的真 实方 位 。强 大 的处理 性能 提高 了对 新
型浮 标 内信 号采集 与处 理系 统 的要求 。本文 综合 考
在 浅海 高噪 声条件 下 ，接 收信 号 的动 态 范围通 常很 大 ， 因此 Ａ 器件 量化 精度 应不 小于 １ Ｄ ６位 。ＤＳ Ｐ 处 理模块 由 Ｔ ３０ ５０Ａ 及 其外 设 电路 组成 ， Ｍｓ ２ＶＣ ５ ９ ５０ Ａ是 ～款 高性 能 、 功 耗定 点 ＤＳ ５９ 低 Ｐ芯片 ，主 要 完 成数据 采 集 、传 感 器信 号处 理及相 关补 偿算 法 。
ｌ 统 组成 及 功 能 系
全 数 字 垂 直 线 列 阵声 呐 浮 标 信 号 采 集 与 处 理 系统 主要 完成 复合传 感 器原 始信 号 的接 收采 集 ，并 对 采 集数 据进 行信 号处 理 ，输 出波束 形 成数据 及 目 标真 实方 位数 据 ，供机 载设 备进 行后 续信 号处 理 。 系 统 包括 复合传 感器 组 、信 号 调理 模块 、数据采 集 及 信 号处 理模 块 、控 制模 块和 无线 通信 模块 ，具体
功 能的 Ａ 器件对模拟 信号进行几乎无失真的模数转换 ，利用高性能 、低 功耗 的 Ｄ Ｐ处理 芯片进行实时信 Ｄ Ｓ 号 处理 ，设计 了全数 字垂直线列阵声呐浮标传感器信号采集与处理系统 的一种实现方法 。实验 结果表 明， 该系统有效地解 决了声呐浮标 多通 道同时数据采集、实时数据处理等 问题 ，并在浮标 内部 实现 了多路数据 平滑 、波束形成 、方位估计等复杂信号处理 ，提高 了单枚浮标的处理能力。 关键词 声呐浮标 ：垂直线列 阵；数据采集 ；信 号处理
全向数据 ｌ ｌ定向数据 ｌ ｌ罗盘数据
框 图见 图 １ 。其 中复合 传感 器组 又包含 全 向水 听器 组 成 的垂直 线 列阵 、矢量 水听 器及 罗盘 传感器 。全 向水 听器 垂直布 放成 不均 匀线 列 阵 ，通 过 垂直波 束
方位 估计 等相 关计 算 。单 片机控 制模 块完 成浮 标工
作 状 态 参 数 、遥 控 指 令 参数 及 信 号 处理 参 数 的执
多 ，功能 强大 ，单枚 即可 实现 以往 多枚 联合 布放 传
统浮 标 的探测 和 定位 功 能。比如单 枚新 型浮 标将 多 枚水 听器 以一 定 阵形布 放 ，对 接收 声信 号在 浮标 内
混 频等 处理 ，最 终输 出表 示东 西和 南北 两路地 磁 强
度 的直流 电压信 号 。电路设计 时，为 了提 高 罗盘传 感 器 的输 出准 确度 ，要 注意 避 开铁磁物 质 的影 响 。
系统 的软 件包括 控制 程序 、数据 采集程 序及 信 号 处理程 序 。控制 模块 程序 主要 完成 相关控 制 参数
设置 ，浮标上电后顺序执行 ，当浮标进行 目标探测 时 ，处于 中 断等待 状态 ，ＤＳ Ｐ则进 入 数据 采集和 信
号处 理 ，并将 处理 结果通 过 无线通 信 模块传 输 至机 载 设 备 。数据 采集 程序 及信 号处 理程序 是 系统 软件
其 中对全 向信 号要 进行 波束 形成 处理 ；对 矢量 信 号 进 行互谱 法 方位估 计 ； 罗盘信 号进 行滤波 、 滑 、 对 平
虑上 述 因素 ，详 细介 绍 了全数 字垂 直线 列 阵声呐 浮 标信 号采 集 与处 理系统 的一 种 实现方 法 ，并 进行 了
湖上 试验 ，充 分验 证 了系统 的 实用性 和可 靠性 。
２ １年 第 ２ 期 ０ １
声学 与 电子 工程
总第 １２ 期 ０
全数字垂直线列阵声呐浮标信号采集与处理系统研究
丁 立 超 赵 海 潮
（ 第七一五研 究所 ，杭 州 ，３ １ ） １ ０ ２ ０
摘 要 运 用 低 噪 声 、 低 功 耗运 算放 大器 构成 传 感 器 前 端 信 号调 理 电路 ，采 用 具 有 ８通 道 实 时数 据 采 集
行 。无 线通 信模 块主 要完成 声 信息和 控制 信息 的上
下行 传输 。
图 １信 号 采 集 与 处 理 系 统 框 图
形 成 技术 ，可 大大 提 高整枚 浮标 在 浅海 高噪 声区域
或航道条件下对 目标的检测和跟踪能力；通过俯仰 控 制 技术 ，该 线列 阵可 以接 收会 聚 区传输 的 目标 声 信 号 ，从而 提 高在深 海 区的作 用距 离 ；矢 量水 听器 和 罗 盘 传感 器 构 成 Ｄ Ｆ ＩＡＲ （ 向性 频 谱 分析 或 记 指
ｌ ０
２软件 设计
全 数 字 垂 直 线 列 阵声 呐浮 标 与 以往 传 统 模 拟
浮 标 有 很 大 不 同 ，其 包 含 的 传 感 器 数 目和 种 类 较
直 接影 响到 浮标 的作 用距 离等 性能指 标 ，因此 该 系 统 设计 的关 键就是 降 低前置 电路 的输入 噪声 。罗盘 传 感器 的处 理包括 信 号激励 、 大滤 波 、 放 相位 调整 、
主要 部分 ，具 体处 理流程 见 图声呐浮标信号采集与处理系 统研究
所示 。
初 始化
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一
Ａ３ 制 参数 Ｉ控
设置
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一
浮标 工作 参数 设置
／Ａ 收 Ｍ接
图 ４ 双数 据 缓 冲 器 工作 原 理
当 ＤＭＡ 对 Ｂ ｆ ｒ ｕ ｅ０操作 时 ， Ｐ 对 Ｂ ｆ ｒ 操 ＣＵ ｕ ｅｌ
进行 实 时波束 形成 ，可提 高 空 间增益 ，增加 作用 距 离 ，同时采 用 矢量水 听器 技术 并 内置磁 罗盘 ，即 可 确 定 目标 的真 实方 位 。强 大 的处理 性能 提高 了对 新
型浮 标 内信 号采集 与处 理系 统 的要求 。本文 综合 考
在 浅海 高噪 声条件 下 ，接 收信 号 的动 态 范围通 常很 大 ， 因此 Ａ 器件 量化 精度 应不 小于 １ Ｄ ６位 。ＤＳ Ｐ 处 理模块 由 Ｔ ３０ ５０Ａ 及 其外 设 电路 组成 ， Ｍｓ ２ＶＣ ５ ９ ５０ Ａ是 ～款 高性 能 、 功 耗定 点 ＤＳ ５９ 低 Ｐ芯片 ，主 要 完 成数据 采 集 、传 感 器信 号处 理及相 关补 偿算 法 。
ｌ 统 组成 及 功 能 系
全 数 字 垂 直 线 列 阵声 呐 浮 标 信 号 采 集 与 处 理 系统 主要 完成 复合传 感 器原 始信 号 的接 收采 集 ，并 对 采 集数 据进 行信 号处 理 ，输 出波束 形 成数据 及 目 标真 实方 位数 据 ，供机 载设 备进 行后 续信 号处 理 。 系 统 包括 复合传 感器 组 、信 号 调理 模块 、数据采 集 及 信 号处 理模 块 、控 制模 块和 无线 通信 模块 ，具体
功 能的 Ａ 器件对模拟 信号进行几乎无失真的模数转换 ，利用高性能 、低 功耗 的 Ｄ Ｐ处理 芯片进行实时信 Ｄ Ｓ 号 处理 ，设计 了全数 字垂直线列阵声呐浮标传感器信号采集与处理系统 的一种实现方法 。实验 结果表 明， 该系统有效地解 决了声呐浮标 多通 道同时数据采集、实时数据处理等 问题 ，并在浮标 内部 实现 了多路数据 平滑 、波束形成 、方位估计等复杂信号处理 ，提高 了单枚浮标的处理能力。 关键词 声呐浮标 ：垂直线列 阵；数据采集 ；信 号处理
全向数据 ｌ ｌ定向数据 ｌ ｌ罗盘数据
框 图见 图 １ 。其 中复合 传感 器组 又包含 全 向水 听器 组 成 的垂直 线 列阵 、矢量 水听 器及 罗盘 传感器 。全 向水 听器 垂直布 放成 不均 匀线 列 阵 ，通 过 垂直波 束
方位 估计 等相 关计 算 。单 片机控 制模 块完 成浮 标工
作 状 态 参 数 、遥 控 指 令 参数 及 信 号 处理 参 数 的执
多 ，功能 强大 ，单枚 即可 实现 以往 多枚 联合 布放 传
统浮 标 的探测 和 定位 功 能。比如单 枚新 型浮 标将 多 枚水 听器 以一 定 阵形布 放 ，对 接收 声信 号在 浮标 内
混 频等 处理 ，最 终输 出表 示东 西和 南北 两路地 磁 强
度 的直流 电压信 号 。电路设计 时，为 了提 高 罗盘传 感 器 的输 出准 确度 ，要 注意 避 开铁磁物 质 的影 响 。
系统 的软 件包括 控制 程序 、数据 采集程 序及 信 号 处理程 序 。控制 模块 程序 主要 完成 相关控 制 参数
设置 ，浮标上电后顺序执行 ，当浮标进行 目标探测 时 ，处于 中 断等待 状态 ，ＤＳ Ｐ则进 入 数据 采集和 信
号处 理 ，并将 处理 结果通 过 无线通 信 模块传 输 至机 载 设 备 。数据 采集 程序 及信 号处 理程序 是 系统 软件
其 中对全 向信 号要 进行 波束 形成 处理 ；对 矢量 信 号 进 行互谱 法 方位估 计 ； 罗盘信 号进 行滤波 、 滑 、 对 平
虑上 述 因素 ，详 细介 绍 了全数 字垂 直线 列 阵声呐 浮 标信 号采 集 与处 理系统 的一 种 实现方 法 ，并 进行 了
湖上 试验 ，充 分验 证 了系统 的 实用性 和可 靠性 。
２ １年 第 ２ 期 ０ １
声学 与 电子 工程
总第 １２ 期 ０
全数字垂直线列阵声呐浮标信号采集与处理系统研究
丁 立 超 赵 海 潮
（ 第七一五研 究所 ，杭 州 ，３ １ ） １ ０ ２ ０
摘 要 运 用 低 噪 声 、 低 功 耗运 算放 大器 构成 传 感 器 前 端 信 号调 理 电路 ，采 用 具 有 ８通 道 实 时数 据 采 集
行 。无 线通 信模 块主 要完成 声 信息和 控制 信息 的上
下行 传输 。
图 １信 号 采 集 与 处 理 系 统 框 图
形 成 技术 ，可 大大 提 高整枚 浮标 在 浅海 高噪 声区域
或航道条件下对 目标的检测和跟踪能力；通过俯仰 控 制 技术 ，该 线列 阵可 以接 收会 聚 区传输 的 目标 声 信 号 ，从而 提 高在深 海 区的作 用距 离 ；矢 量水 听器 和 罗 盘 传感 器 构 成 Ｄ Ｆ ＩＡＲ （ 向性 频 谱 分析 或 记 指