郭冉 夏明（第七一五研究所，杭州，310023）

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相控陣聲學(xué)多普勒計程儀應(yīng)用程序開發(fā)

郭冉 夏明
（第七一五研究所，杭州，310023）

摘要介紹了VxWorks操作系統(tǒng)下，相控陣聲學(xué)多普勒計程儀信號處理應(yīng)用程序的開發(fā)。湖試中，采用高精度的差分GPS作為比對設(shè)備，驗證了方案的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞相控陣聲學(xué)多普勒計程儀；VxWorks操作系統(tǒng)；應(yīng)用程序開發(fā)

聲學(xué)多普勒計程儀是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)獲取載體（通常為水下運載器）三維運動速度的設(shè)備。其具有大深度、高精度等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外水下航行器常用的導(dǎo)航設(shè)備。采用相控技術(shù)的聲學(xué)多普勒計程儀，可以從原理上消除聲速帶來的誤差，其四個波束的指向性、波束寬度以及換能器的參數(shù)和靈敏度也可以保持高度一致，而且，在同樣聲性能情況下，采用相控技術(shù)還可以減小聲吶基陣的尺寸和重量。本文介紹了在VxWorks操作系統(tǒng)平臺下對相控陣聲學(xué)多普勒計程儀的信號處理應(yīng)用軟件的開發(fā)。

1　硬件平臺及開發(fā)環(huán)境簡介

本文中應(yīng)用程序的開發(fā)建立在以PowerPC G4處理器為核心的信號處理硬件平臺之上。PowerPC G4采用Motorola公司的MPC7410 RISC微處理器，其時鐘高達500 MHz，并且具有高性能的矢量運算單元，有利于大批量數(shù)據(jù)的處理，能夠滿足系統(tǒng)實時性的要求[1]。

相控陣聲學(xué)多普勒計程儀通過主動發(fā)射聲信號并且對采集到的回波信號進行處理，得到底跟蹤的信息，其硬件架構(gòu)如圖1所示。上位機和信號處理板有三種接口方式可供選擇：網(wǎng)絡(luò)、串口和CAN，本文以網(wǎng)絡(luò)通信為例介紹其開發(fā)過程。

圖1　系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

信號處理板接收來自上位機的開機命令后，通過FPGA產(chǎn)生相應(yīng)脈寬的編碼信號，通過發(fā)射電路完成發(fā)射。發(fā)射結(jié)束后，回波信號經(jīng)過前置預(yù)處理、AD采集、搬移到特定的緩存中。G4處理器將8路AD信號通過波束形成算法形成四個波束，然后經(jīng)過復(fù)解調(diào)、降采樣、滑動窗搜底、復(fù)相關(guān)算法測頻等一系列步驟得到底跟蹤的深度和速度信息。

本文以VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)為平臺進行信號處理應(yīng)用軟件的開發(fā)。VxWorks是一款用于實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的軟件，具有實時性強、支持多任務(wù)、體積小、可裁剪等特點。其開發(fā)環(huán)境Tornado為風(fēng)河公司推出的圖形化開發(fā)工具，包括調(diào)試器CrossWind、命令行界面WindShell、資源查看器Browser、模擬器Simulator等。在該環(huán)境中可編譯生成BootRom，創(chuàng)建并配置VxWorks，編輯、編譯、下載和調(diào)試代碼，隨時查看目標機的系統(tǒng)資源[2]。

2　應(yīng)用程序框架搭建

相控陣聲學(xué)多普勒計程儀應(yīng)用程序主要包括接口程序（在本文中以網(wǎng)絡(luò)通信為例）、控制程序和算法實現(xiàn)程序三部分。接口程序的主要功能是接收來自上位機的命令、將信號處理板的運算結(jié)果上傳到上位機進行顯示以及將采集到的原始回波信號上傳?？刂瞥绦蛑饕强刂瓢l(fā)射信號的脈寬、功率；采集回波信號時選擇合適的時間增益控制曲線；對采集到的回波信號調(diào)用對應(yīng)的算法實現(xiàn)子函數(shù)并且控制相應(yīng)的工作周期。算法實現(xiàn)程序主要是對接收到的回波信號進行AD采集、波束形成、復(fù)解調(diào)、降采樣濾波、滑動窗搜底和復(fù)相關(guān)速度解算。

任務(wù)是VxWorks的核心概念，所有任務(wù)的運行、交互過程完成了整個VxWorks系統(tǒng)的功能。因此，應(yīng)用程序框架搭建時，需要考慮系統(tǒng)需求，確立任務(wù)的個數(shù)和優(yōu)先級[3]。創(chuàng)建一個新的Tornado工程后系統(tǒng)自動生成一個用戶應(yīng)用程序初始化函數(shù)，在該函數(shù)中可以進行板卡網(wǎng)口IP綁定、系統(tǒng)時鐘速率設(shè)置等初始化工作，然后程序跳轉(zhuǎn)到用戶程序接口函數(shù)處（用戶程序接口函數(shù)主要是進行任務(wù)的創(chuàng)建和激活）。系統(tǒng)創(chuàng)建5個優(yōu)先級不同的任務(wù)，其優(yōu)先級設(shè)置和主要功能如表1所示。

表1　系統(tǒng)主要任務(wù)

VxWorks中多任務(wù)共享一個CPU。操作系統(tǒng)的調(diào)度算法將CPU時間適當分配給各任務(wù)，以使多任務(wù)協(xié)調(diào)運行。系統(tǒng)采用優(yōu)先級搶占調(diào)度算法，即高級待命狀態(tài)的任務(wù)可以搶占正在運行的低級任務(wù)，中斷可以搶占任何任務(wù)。算法使得高優(yōu)先級任務(wù)和中斷處理可以得到及時響應(yīng)，以保證系統(tǒng)的實時性。

3　應(yīng)用程序開發(fā)

3.1接口程序開發(fā)

上位機和信號處理板有三種接口方式可供選擇：網(wǎng)絡(luò)、串口和CAN總線，本文以網(wǎng)絡(luò)通信為例介紹其開發(fā)過程。系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式進行工作命令傳達、計算結(jié)果與原始數(shù)據(jù)上傳等數(shù)據(jù)交互。程序在信號處理板上進行網(wǎng)絡(luò)客戶端的開發(fā)。首先調(diào)用socket建立流式套接字，然后調(diào)用connect函數(shù)向服務(wù)器端發(fā)起連接請求，建立連接后即可在此套接字上進行數(shù)據(jù)交互。

3.2控制程序開發(fā)

小深度時，采用PING-PONG交替緩存式進行數(shù)據(jù)搬移，而大深度時相控陣聲學(xué)多普勒計程儀針對提取到的底回波信號解算速度。水深不同，回波信號的信噪比和到達時間不同，因此需要根據(jù)深度信息設(shè)置合理的發(fā)射脈寬、信號采集長度、發(fā)射功率和時間增益控制曲線。底跟蹤時，通?？梢詮男【嚯x檔向大距離檔分檔依次搜索。但是在大深度情況下，搜索的效率就會降低。因此，本系統(tǒng)設(shè)置淺水工作和深水工作兩種模式：在沒有深度校準值時，默認為淺水工作模式，直接從小功率、短脈寬、小時間增益的最低檔位開始進行底跟蹤搜索；深水工作模式時，可通過顯示控制平臺手動輸入深度校準值，從輸入的校準深度的檔位開始進行底跟蹤搜索。搜索完成后，采用門限法對其有效性進行判斷，如果無效就調(diào)整到下一檔位重新搜索，有效則停留在當前檔。程序的邏輯框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制流程邏輯框圖

3.3算法實現(xiàn)程序開發(fā)

大深度時，原始信號數(shù)據(jù)量很大，采用PING、PONG交替緩存式的數(shù)據(jù)搬移模式無法滿足系統(tǒng)對實時性的要求。因此在采集回波數(shù)據(jù)的時間間隔內(nèi)分批對數(shù)據(jù)進行波束形成、復(fù)解調(diào)和降采樣濾波處理，分批處理完成后再將一次發(fā)射對應(yīng)的回波信號進行拼接。對拼接完整的回波信號進行滑動窗搜底，并截取相應(yīng)的底回波信號進行復(fù)自相關(guān)算法測頻，從而得到該次發(fā)射對應(yīng)的底跟蹤速度。具體的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3　測頻算法流程框圖

應(yīng)用程序編譯調(diào)試完成后，可以將創(chuàng)建完成的VxWorks映像文件固化到信號處理模塊內(nèi)的Flash中。設(shè)備上電后，系統(tǒng)完成初始化，應(yīng)用程序從Flash加載到SDRAM中，設(shè)備就進入到正常工作狀態(tài)。

4　試驗結(jié)果分析

2014年6月在千島湖進行了相控陣聲學(xué)多普勒計程儀的精度考核試驗。試驗中采用高精度的差分GPS作為比對設(shè)備，將相控陣聲學(xué)多普勒計程儀（DVL）、GPS和羅經(jīng)同時接入工控機，進行實時底跟蹤流速顯示和數(shù)據(jù)存儲，并且確保三者能夠同步記錄數(shù)據(jù)以便于對數(shù)據(jù)進行處理。設(shè)備的實時顯示界面如圖4所示。

圖4　DVL工作顯示界面

試驗結(jié)束后將存儲的DVL數(shù)據(jù)與羅經(jīng)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)進行處理。圖5給出了DVL底跟蹤深度值隨樣本點的變化曲線，根據(jù)工作周期設(shè)置，一個樣本點代表1 s，由于載體處于航行狀態(tài)，該深度的時間歷程圖代表的也就是不同地理位置處的湖底深度曲線。

圖5　底跟蹤深度曲線

圖6給出了GPS和DVL的東向和北向速度的比對曲線，其中，每一樣本點代表的時間間隔為1 s，可以看出DVL測得的速度和高精度差分GPS的數(shù)據(jù)非常吻合。其軌跡比對圖如圖7所示，可以看出兩者得到的載體運動軌跡基本一致。

圖6　GPS-DVL速度比對

圖7　GPS-DVL軌跡比對

5　結(jié)論

本文介紹了基于VxWorks實時操作系統(tǒng)下相控陣聲學(xué)多普勒計程儀的應(yīng)用軟件開發(fā)過程，并進行了相控陣聲學(xué)多普勒計程儀精度考核試驗。試驗中采用高精度的差分GPS作為比對設(shè)備，將差分GPS測量得到的軌跡和對地速度和相控陣聲學(xué)多普勒計程儀測得的數(shù)據(jù)分別進行了比對，其速度分量和測得的軌跡均保持高度一致。

參考文獻:

[1] 曹永紅. 相控陣聲學(xué)多普勒計程儀的信號處理模塊設(shè)計[J]. 聲學(xué)與電子工程,2009,(1): 44-46.

[2] 陳智育,溫彥軍. VxWorks程序開發(fā)實踐[M]. 北京:人民郵電出版社,2004: 107-227.

[3] 張楊,于銀濤. VxWorks內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動與BSP開發(fā)詳解[M]. 北京:人民郵電出版社,2011: 103-119.