0 引言

    被動聲探測技術(shù)使用傳感器陣列接收各種目標輻射的噪聲信號，運用陣列信號處理和信號識別等技術(shù)，確定目標的方位、航跡和類型。被動聲探測技術(shù)具有全被動、隱蔽性強、全天候和低功耗、低成本的優(yōu)點，特別適合夜間、霧霾天等能見度不良、通視性差或電磁環(huán)境復(fù)雜條件下對運動目標的感知，是戰(zhàn)場信息偵查及城市安全防護領(lǐng)域不可或缺的信息獲取手段。

    聲音信號容易受到周圍環(huán)境噪聲的干擾，引起虛警或探測性能下降。為了提高被動聲探測的準確性，需要引入噪聲抑制、目標分類識別等算法，這對信號處理器的硬件性能提出了較高的要求。傳統(tǒng)的被動聲探測系統(tǒng)往往需要使用多片DSP并行處理的硬件架構(gòu)來滿足需求^[1-2]，因而帶來了產(chǎn)品體積功耗的增加以及生產(chǎn)工藝復(fù)雜度的提升。近年來，陣列信號處理和聲探測領(lǐng)域都有很大的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的技術(shù)和算法^[3-4]，受限于嵌入式處理平臺的性能，這些技術(shù)并未實現(xiàn)工程化批量應(yīng)用。

    隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式應(yīng)用中的多核DSP芯片應(yīng)運而生，給高性能數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計帶來了新的解決方案。TMS320C6657[5]是德州儀器（TI）公司推出的一款以KeyStone多內(nèi)核架構(gòu)為基礎(chǔ)的雙C66x內(nèi)核數(shù)字信號處理器，非常適合高性能低功耗可編程應(yīng)用。本文基于近幾年聲探測領(lǐng)域的新技術(shù)，提出了一種以TMS320C6657為信號處理單元，使用24位高分辨率ADC采樣的被動聲探測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、目標定向和分類識別等功能，具有高實時性、良好的功能擴展性等特點，性能指標較原有系統(tǒng)有了較大的提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    系統(tǒng)由聲傳感器陣列和聲探測主機兩部分組成。

    聲傳感器陣列是由若干個傳聲器按照一定規(guī)則組成的陣列，接收探測目標輻射的噪聲信號。

    聲探測主機由模擬電路、數(shù)字電路和控制電路組成。模擬電路對聲傳感器陣列接收的微弱信號進行放大、調(diào)理、均衡，并將預(yù)處理后的信號送至數(shù)字電路進行處理；數(shù)字電路實現(xiàn)對目標聲信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換以及定向、識別算法；控制電路用于實現(xiàn)系統(tǒng)的人機操作和外部接口功能。

    系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 模擬電路

    根據(jù)目標信號特征和陣列信號處理對信號拾取的要求，聲傳感器陣列各傳感器及其對應(yīng)的模擬通道之間的幅頻和相頻特性應(yīng)具有較高的一致性。

    設(shè)計中選用高品質(zhì)低噪聲運算放大器作為模擬電路的核心器件，設(shè)計了固定增益的放大電路和四階巴特沃斯濾波器電路。在工藝上，選用優(yōu)質(zhì)電路板材，并通過對關(guān)鍵位置的阻容元件進行嚴格的環(huán)境應(yīng)力篩選和一致性挑選，以控制電路的一致性和穩(wěn)定性。

    傳統(tǒng)的聲探測系統(tǒng)采用16位以下ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而受分辨率的影響，為了達到較高的轉(zhuǎn)換精度，需要根據(jù)信號的幅度對模擬電路的放大增益進行自動調(diào)整。由于模擬電路是電噪聲敏感性單元，為了避免數(shù)字噪聲的影響，增益控制信號需要進行隔離設(shè)計。此外，在增益改變的瞬間，會產(chǎn)生非正常的數(shù)據(jù)突變，對系統(tǒng)的探測性能產(chǎn)生不確定的影響。

    為了避免這些問題，本設(shè)計根據(jù)目標聲信號的特征和系統(tǒng)對探測距離的要求，選定了一個固定的增益倍數(shù)，而分辨率問題則由高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換來解決。模擬電路功能組成如圖2所示。

2.2 數(shù)字電路

    數(shù)字電路首先對多個通道的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將得到的數(shù)字信號送入雙核DSP進行實時處理，完成對目標的定向和識別，并把處理的結(jié)果發(fā)送給控制電路。數(shù)字電路原理框圖如圖3所示。

    本系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用TI公司的8路同步采樣24位分辨率的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1278，保證了在不改變前端放大電路增益條件下的轉(zhuǎn)換分辨率，避免了增益檔跳變所帶來的影響。為達到最佳性能，每路輸入信號經(jīng)過差分驅(qū)動轉(zhuǎn)換成差分信號供給ADS1278的輸入端。差分驅(qū)動器選用TI的低功耗全差分4路放大器THS4524。

    本系統(tǒng)將兩片ADS1278用菊花鏈的方式級聯(lián)，實現(xiàn)了16路模擬通道的同步采樣。ADS1278工作在SPI模式下，使用FPGA對其進行控制。

    FPGA主要有3個功能：一是用于DSP的復(fù)位、上電順序控制以及啟動加載模式的選擇；二是完成數(shù)據(jù)采集，包括ADC芯片工作時鐘產(chǎn)生、SPI總線控制等；三是將數(shù)據(jù)通過Upp接口發(fā)送給DSP進行處理。FPGA選用XILINX公司的Spartan6系列芯片XC6SLX9FTG256。

    實現(xiàn)定向、識別算法的核心器件是雙核處理器芯片TMS320C6657。外掛SPI接口的NOR Flash用于存儲固件，一片128 MB的DDR3用作擴展內(nèi)存。DSP的兩個內(nèi)核運行在1 GHz的主頻下，core0用于引導(dǎo)加載固件、內(nèi)核及外設(shè)的初始化配置、數(shù)據(jù)采集以及定向算法，core1用于分類識別算法。

    最終的處理結(jié)果由UART接口發(fā)送給控制電路。

2.3 控制電路

    控制電路用于人機交互，包括當前工作狀態(tài)指示、OLED顯示屏和小鍵盤的菜單操作，顯示包括自檢結(jié)果、目標方位、目標類型在內(nèi)的各種狀態(tài)信息，監(jiān)控電源電壓、電量以及聲音報警。同時，控制電路將探測結(jié)果通過標準的RS232接口輸出，方便系統(tǒng)擴展多站融合、遠程監(jiān)控等功能。控制電路的核心器件為微控制器芯片MSP430F5438A，該芯片存儲資源和外設(shè)資源豐富，僅需少量的外圍器件就可完成控制電路的功能。

    控制電路的原理框圖如圖4所示。

3 探測軟件設(shè)計

    聲探測軟件的核心功能是實現(xiàn)對目標的聲學(xué)定向和識別，相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設(shè)置、通信和自檢等軟件接口用以確保系統(tǒng)運行時的正常工作。

    探測軟件的全部功能可以分為定向模塊、識別模塊、自檢模塊和信息交互接口模塊。軟件構(gòu)成如圖5所示。本文重點介紹定向和識別兩個模塊。

3.1 定向模塊

    諸如空中飛行器、地面車輛等目標，由于在結(jié)構(gòu)上具有周期轉(zhuǎn)動機制（發(fā)動機、螺旋槳等），其輻射噪聲信號的功率譜主要是由離散譜疊加在連續(xù)譜上，呈現(xiàn)較強的線譜特征，且線譜之間具有明顯的諧波關(guān)系。

    定向軟件模塊針對目標聲信號的特征，采用相應(yīng)空時信號處理方法實現(xiàn)對目標的定向功能。輸入為16個通道的陣列信號，處理后獲得目標個數(shù)信息、各個目標的方位、能量標記信息。

    針對環(huán)境中有強噪聲干擾的情況，軟件在開機初始時間進行短時環(huán)境噪聲學(xué)習(xí)，判斷是否需要運用自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)提升信噪比。之后綜合運用小波線譜檢測和傅里葉線譜檢測，加強目標線譜集信號的檢測能力，提高發(fā)現(xiàn)概率。線譜集檢測流程如圖6所示。

    在定向環(huán)節(jié)，采用波束域濾波技術(shù)，通過對其他方向噪聲的抑制，增強對目標方向的接收信噪比。定向算法流程如圖7所示。

3.2 識別模塊

    目標識別軟件是采用數(shù)學(xué)和智能方法對目標信號的特征進行提取和選擇，對模式特征進行分類決策后得到目標類型。通過對多種螺旋槳飛機、固定翼飛機和地面車輛等目標的輻射噪聲進行分析可知，其功率譜特征能夠區(qū)分各類目標。

    在遠距離目標探測時，聲信號經(jīng)過長距離傳播衰減較大，聲傳感器陣列接收到的信號信噪比較低，必須進行信號增強。信號增強方法可以與定向模塊中的線譜集檢測方法復(fù)用。

    目標識別分類流程包含了信號采集、信號預(yù)處理、特征提取及選擇、識別分類、融合識別5大部分，每個部分包含了若干細節(jié)流程。各通道的目標聲信號都包含有環(huán)境噪聲、風(fēng)噪聲等其他噪聲，這些噪聲有的屬于白噪聲，有的屬于色噪聲，噪聲的存在降低了有效聲信號的信噪比，在時域?qū)Ω魍ǖ佬盘栠M行濾波可提高信噪比，提取能充分體現(xiàn)目標類型的特征，基于不同領(lǐng)域的特征設(shè)計子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模板匹配分類器，各目標分類器都輸出目標識別類型置信度，利用融合識別技術(shù)對各目標類型置信度進行融合識別，最終輸出目標類型。整體識別分類流程圖如圖8所示。

3.3 雙核并行處理設(shè)計

    本系統(tǒng)主要完成定向和識別算法。根據(jù)計算量，將兩個算法分到兩個核中。Core0主要完成定向算法，Core1主要完成識別算法。因為目標識別需要用到定向算法的結(jié)果，兩個Core采用串行計算的方式，Core1在第3秒輸出第1秒的定向和識別結(jié)果。并行處理的軟件時序圖如圖9所示。

    并行處理設(shè)計中，數(shù)據(jù)的共享和核間通信尤為重要。TMS320C6657片內(nèi)集成了1 024 KB的共享內(nèi)存，用于存儲Core0采集的每秒聲陣列數(shù)據(jù)以及定向算法的結(jié)果。核間通信的內(nèi)容有：Core0通知Core1數(shù)據(jù)準備完畢；Core0通知Core1已出定向結(jié)果；Core1通知Core0數(shù)據(jù)已經(jīng)使用完畢。Core1只有在Core0通知后才能訪問共享內(nèi)存，把數(shù)據(jù)搬移到自己的L2內(nèi)存中，而Core0在收到Core1讀取完數(shù)據(jù)后，就可以隨時更新共享內(nèi)存中的相應(yīng)內(nèi)容。

    核間通信（IPC）的功能可以使用中斷的方式，也可以使用查詢的方式。TMS320C6657具有IPC發(fā)生寄存器和IPC應(yīng)答寄存器，可以產(chǎn)生IPC中斷和應(yīng)答。中斷的方式不需要Core的干預(yù)，可以最大限度地節(jié)省處理時間。查詢方式在軟件實現(xiàn)上較為簡單，但會浪費一些指令周期。本設(shè)計中，通過實測發(fā)現(xiàn)每個核運行各自的算法，1秒內(nèi)的計算還留有較大的時間裕量，因此IPC選用查詢的方式。在程序中定義全局標志位變量，當每個Core完成操作后對標志位置位，另一個Core在需要操作共享內(nèi)存時就對標志位進行查詢，確保操作的正確性。

4 系統(tǒng)驗證

    本設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用到了實際的聲探測領(lǐng)域，實現(xiàn)了對多種目標的定向識別。經(jīng)過大量的實際測量證明，系統(tǒng)各項指標較傳統(tǒng)聲探測系統(tǒng)有了明顯提高。

    雙核DSP的并行數(shù)據(jù)處理解決了多通道大數(shù)據(jù)量的實時處理和多種不同目標分類識別、定向算法的處理帶寬問題，使得很多創(chuàng)新型算法得以在嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中實現(xiàn)。

參考文獻

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作者信息：

程  宇，周印龍，袁  彥，王志峰

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京100015）