[发明专利]一种适用于小型平台的低功耗水下声学目标探测系统

说明书

本发明公开了一种适用于小型平台的低功耗水下声学目标探测系统。本发明适用于小型平台，有着低功耗、小尺寸的特征，可实现长期、大尺度的海洋观测；可为各类水下无人航行器等提供目标信息，为无人潜水器组网协同探测打下基础；同时实现了窄带、宽带声呐的目标探测功能，能在检测目标有无、目标的方位的同时，对目标类型进行识别；能在非平稳时变噪声环境下工作，自适应计算检测门限。本发明硬件采用多芯片封装技术的CPU与FPGA实现；采用的CPU自身集成了大容量存储，降低了电路系统的复杂度，缩小了电子系统的体积；本发明系统整体通过低功耗CPU与FPGA实现，与采用传统DSP芯片实现的检测系统相比，整体功耗大幅下降。

技术领域

本发明属于水下目标探测领域，尤其涉及一种适用于小型平台的低功耗水下声学目标探测系统。

背景技术

水下目标探测在民用、国防安全等领域有着极为广泛的应用。由于电磁波在水中衰减较大，一般使用声学手段对水下目标进行探测。传统声学目标探测设备体积较大、能耗较高、智能化程度较低。一般情况下，传统的目标探测系统搭载在船只或军舰等大型平台上，先通过大孔径阵列采集声学信号，再通过操作人员手动进行监听识别。操作人员首先根据接收信号判断目标是否出现，再确定目标方位角，最后根据信号特征对目标进行鉴定识别。

随着无人平台小型化、智能化、网络化的发展趋势，目标探测在各类小型水下/水面无人平台中的应用得到了越来越多的关注。小型平台由于不需要人员操作，可在海洋中进行长期观测。

直接将传统的探测系统应用到小型平台中，存在探测方法自主性不强、能耗大等缺点。低自主性降低了小型平台的探测和目标参数估计性能，能耗过大会减少小型平台的续航时间。因此一种低功耗、高自主、适用于小平台的水下声学基阵目标探测系统是极其必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于小型平台的低功耗水下声学目标探测系统。本发明在目标探测算法上实现了目标的检测、定向与识别；在硬件上实现了嵌入式实时处理与低功耗长期值守小型化、低功耗的硬件电路。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于小型平台的低功耗水下声学目标探测系统，包括前置调理滤波模块、A/D转换模块、CPU和FPGA；其中，CPU包括单通道能量测试模块、FFT模块、门限检测模块和聚类识别模块；FPGA包括波束形成模块和中值滤波模块；

前置调理滤波模块：滤除N个通道的模拟信号中的低频及高频干扰信号；

A/D转换模块：将前置调理滤波模块输出的N个通道的模拟信号转换为数字信号；

单通道能量检测模块：单通道能量检测模块从A/D转换模块输出的数字信号中抽取一个通道，检测信号能量变化；

FFT模块：当单通道能量检测模块检测到某个通道的信号能量超过阈值时，FFT模块对所有通道的数据进行傅里叶变换，输出频域数据；

波束形成模块：对FFT模块输出的频域数据，进行频域波束形成，得到角度-频率平面；

中值滤波模块：估计波束形成模块输出的角度-频率平面的背景噪声；

门限检测模块：根据中值滤波模块输出的估计背景噪声，计算当前时刻检测门限平面，并寻找可疑值，得到检测结果点集合；

聚类识别模块：根据门限检测模块输出的检测结果点集合，分辨目标并输出目标识别结果，包括目标方位、频率与目标类型。

进一步地，CPU还包括LPDDR2和多媒体指令集；在FFT模块运算时，利用多媒体指令集，加速FFT运算速度；LPDDR2为CPU提供计算内存；FPGA还包括RAM，RAM为FPGA提供计算内存；A/D转换模块由多个低功耗、低噪声A/D芯片组成；A/D转换模块输出的N通道的数字信号以总线的形式接入CPU。