水面艦船目標檢測識別系統設計

黃其培

（昆明船舶設備研究中心 云南 昆明　650051）

水面艦船目標檢測識別系統設計

黃其培

（昆明船舶設備研究中心 云南 昆明650051）

文中詳細論述了系統的工作原理和研制內容，根據系統的功能及實際工程應用需求，在研究艦船輻射噪聲的產生機理及其特性基礎上，該系統采用超低功耗硬件實現方案，采用LOFAR分析方法對水面艦船目標進行檢測。最終通過運用湖上艦船航行的實測數據及海上的工程應用，對系統性能進行了有效論證，證明了系統的可靠性和穩定性，符合系統設計要求，具有較高的工程應用價值。

艦船輻射噪聲；目標檢測；低功耗；LOFAR

在我國近海岸輸油、氣管道常常會因為不明船只在附近施工、作業或拋錨等危險行為而造成破壞，為了更好的保護海底管道，因而需要在沿管道附近的水域建立一套安防系統，檢測過往船只航行狀態，對危險目標進行實時預警，并把報警信息實時傳送給上位機系統進行處理，以便安防管理人員快速響應報警情況，從而有效保護海底管道的安全。目前，國內外有許多使用圖像和視頻的方法來檢測艦船，但在功耗、硬件實現等方面受到制約［1］。

鑒于此，通過結合水聲技術，提出了采用水聲與雷達、視頻聯合自動監測方案，利用水聲被動測量可長期工作的特點，實現對海管沿線水面、水下目標的前期聲學預警，再利用岸基雷達的短期主動掃描，獲取水面可疑目標的準確參數，而視頻監測設備則用于雷達近端監測盲區的補充測量，以實現對海底管道附近水域進行全天候無死角的全方位監測。

文中主要論述水聲監測分系統的信號處理軟硬件設計，即基于浮標的海上艦船目標預警系統設計。其主要功能包括：實現海上目標聲學監測和自動識別，判斷目標有無及目標狀態；根據船只航行和作業等不同的頻譜特性判斷監測點附近是否有船只長時間停留或作業等危險存在；如有危險存在，通過北斗數據傳輸設備向指控中心機房傳送報警信息。此外該預警系統還具有位置、電池電壓等信息讀取和發送功能以及對北斗模塊的控制功能。艦船目標檢測及識別分系統結合其它的監測系統，可有效降低海管被外部不明船只在附近施工、作業或拋錨等危險行為造成破壞的風險，具有明顯的經濟效益和社會意義。

1　系統總體設計

艦船目標檢測及識別系統的設計思想是由浮標系統陣來完成對目標信號的初步監測，并將結果以無線通信的方式上傳至岸基顯控系統，岸基系統對結果進行評估，以決定是否開啟雷達掃描。

系統工作原理為：首先在海上沿管道走向布放浮標陣，每個浮標上安裝水聽器，通過將水聽器接收到的聲信號傳送到信號處理系統（模擬和數字）處理，實現對目標信號的檢測和識別，當發現危險目標時通過北斗模塊上傳報警信息。整個系統由基陣、浮標系統、顯控系統3部分組成，如圖1所示。

2　系統硬件設計

2.1信號處理機設計

信號處理機是艦船目標檢測及識別系統的一個重要組成部分，其的主要功能包括：進行信號的實時采集、處理，并完成目標的檢測和作業狀態識別；在設定時間開啟北斗模塊電源，完成電池電壓測量，并將電壓信息、北斗位置信息以及報警信息等傳回；定時或在收到新指令時關閉北斗模塊電源；通過串口（或其它）可對工作中的設備在線調整識別門限、選擇識別準則，以保證設備工作的狀態最佳。根據上述功能要求，硬件系統框圖，如圖2所示。

2.2DSP與FPGA外設接口設計

TMS320C5535提供的外設接口有兩個 SD外設、4個I2SBusTM模塊、一個具有多達4種芯片選擇的SPI接口、一個I2C接口、一個通用異步收發器（UART）以及多達20個通用I/O（GPIO）引腳（與其他器件功能多路復用）［2］。對于本系統，DSP通過FPGA與外設進行數據的交互，而DSP接口多為串行接口與FPGA連接方便擴展。包括DSP給FPGA進行參數設定和將FPGA完成簡單處理的數據傳送給DSP。

DSP與FPGA的外部接口電路，如圖3所示。本次設計在DSP提供的眾多外設IO中，我們最主要用到了UART接口、I2S接口以及GPIO來與FPGA進行交互。其中，UART接口用來與北斗模塊進行基于RS232的串口通信；I2S接口用來與FPGA進行數據交互；GPIO則用來控制北斗模塊電源的開關以及AGC增益的輸出。其他沒有用到的GPIO引腳都將它連至FPGA的IO上，方便系統以后的擴展與修改。而SPI接口和I2C接口作為片外存儲器接口，也通過零電阻連至FPGA，在不使用時不焊接零電阻即可，增加了系統的靈活性與擴展性。

圖1　艦船目標檢測及識別系統的框圖

圖2　信號處理機硬件框圖

圖3　DSP與FPGA接口電路圖

3　LOFAR分析

利用高階統計量可以證明艦船輻射噪聲信號是非平穩、非高斯的。因此，單純地依靠時域或頻譜分析方法來提取輻射噪聲的特征在很多時候可能會掩蓋目標的某些局部時頻特征。而且由于艦船噪聲主要集中于低頻端，軸頻及其倍頻等低頻端譜特征可能淹沒在海洋噪聲背景中，而無法直接獲?。?］。

LOFAR譜圖是根據水聲目標輻射噪聲的局部平穩特性，通過信號短時傅立葉變換獲得的時變功率譜在時間、頻率平面上投影形成的，反映了信號的非平穩特性，能夠提取信號中的線譜分布特征［4］。

LOFAR譜圖分析實際上就是短時傅立葉后，在頻譜圖上進行目標檢測的一種方法。對艦船目標進行LOFAR譜圖分析時，一個關鍵問題就是如何進行數據的分段處理。數據的分段大小與需要進行的任務密切相關，當需要進行目標的種類或者更精細的目標特征分析時，希望LOFAR譜圖的分辨率越高越好，但是分辨率高需要付出較高的硬件代價。如果僅僅是檢測目標大小或者有無目標，LOFAR圖的頻率分辨率可以適當降低以適應相應的硬件條件［5］。

4　系統軟件設計

4.1軟件總體設計

艦船目標檢測及識別系統的硬件構成是DSP+FPGA的經典方式，因此，系統軟件也由兩大部分組成，即FPGA的軟件設計和DSP的軟件設計。FPGA負責數據的AD采集與預處理［6］。DSP則負責系統的數據流程控制、信號處理算法的實時實現，以及與上位機的通信交互。艦船目標檢測及識別系統的程序流程圖，如圖4所示。

圖4　艦船目標檢測及識別系統的程序流程框圖

4.2基于線譜的目標檢測及識別

線譜特征是運動艦船的固有特征，通過檢測艦船的線譜特征可以進行有無運動艦船的判別及其目標狀態的識別。圖5給出了基于線譜的目標檢測及識別流程圖。

圖5　基于線譜的目標檢測及識別流程圖

通過艦船線譜特征，首先通過檢測線譜幅度，判斷是否有目標出現，然后根據線譜的數目和頻率，進一步區別不同的目標，最后通過目標出現時間和目標消失的時間，判斷目標船只是否停航拋錨、作業等危險情況，或是目標船只航行遠離監測區域。

5　試驗結果分析

為了驗證LOFAR方法的檢測性能，進行了湖上試驗驗證。在試驗中，湖況為三級，并將接收系統置于位于湖中的測量船上，接收水聽器入水4 m，接收系統的放大倍數2 500倍，接收頻帶50 Hz～5 kHz。測量過程中目標船按圖6的規劃路徑行徑。

目標船從A點啟動，沿AB段規劃路徑航行。對該段航行的水聲數據進行短時傅立葉分析，得到其LOFAR圖，如圖7所示。在250 Hz以下，主要表現為連續譜噪聲，而從250 Hz到800 Hz，輻射噪聲以線譜為主，比較明顯的線譜有10余根常，隨著目標接近，線譜的越來越大，隨著目標漸遠，線譜也慢慢消失。

目標船從B點轉彎，沿BD段規劃路徑航行，在C點停車。整個航行過程的LOFAR圖如圖7所示，其輻射噪聲的頻率分布清晰可見，由于目標船在航行點（C點）停車，圖示可知，在約1 010秒附近，艦船輻射噪聲突然消失，尤其是線譜，其主要線譜變成6根，通過AB段航行輻射噪聲與C停車的線譜對比分析，線譜的頻率不完全一致，說明艦船的速度有急劇變化，由此可判斷A點到D點航行過程中，C點停車。

圖6　艦船噪聲測量試驗跑船示意圖

圖7　目標船AD段航行過程中的LOFAR圖譜

目標船從D點加速、轉彎，沿DF段規劃路徑航行，在約2 km處的E點停車。目標船的加速、轉彎過程的LOFAR圖如圖8所示。由LOFAR圖可以明顯看出，目標船開始航行進行了比較大加速、轉彎，其線譜變成一條連續變化的曲線。

圖8　目標船加速航行、轉彎及停車

綜上所述，通過對研制樣機的試驗，基于LOFAR的目標線譜檢測和狀態識別系統能夠很好的反應目標船的運動狀態和距離，通過海上現場調試、試驗和運行，系統運行狀態良好，穩定、可靠，最終本系統通過了工程驗收。

6　結束語

系統樣機首先通過湖上試驗，通過LOFAR分析，能夠很好檢測目標船只，并判斷目標的運動狀態，隨后在海上進行了系統聯調，經過多次測試，能較好的檢測和識別目標船只的航行狀態，并對危險情況實時上傳海岸監控中心，系統檢測概率達到90%以上，現場實際應用效果良好，系統運行穩定、可靠，系統經測試功耗約150 mW，可以長時間工作，滿足系統技術設計要求，并通過了最后工程驗收，具有較高的工程應用價值。

［1］趙延安，張效民，姚運啟，等.艦船輻射噪聲功率譜特征提取及系統實現［J］.計算機測量與控制，2010（8）:1821-1824.

［2］彭啟琮，武樂琴，張艦，等編譯.TMS320VC55X系列DSP的CPU與外設［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理［M］：哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，1993.

［4］宋振宇，丁勇鵬，趙秀麗，等.基于LOFAR譜圖的水下目標識別方法［J］.海軍航空工程學院學報，2011，26（3）:283-286.

［5］李秀坤，楊士莪.水下目標特征提取方法研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2001，22（1）:25-29.

［6］高西全，丁玉美.數字信號處理［M］：西安:西安電子科技大學出版社，2008.

Detection and recognition system design of ship on the water surface

HUANG Qi-pei
（Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center，Kunming 650051，China）

This paper discusses in detail the research contents and the working principle of the system，according to the function of the system and the practical application demand，in the research of ship radiated noise generation mechanism and characteristic foundation，the system uses ultra low power hardware implementations，to detect the surface ship target using LOFAR and correlation detection method.Finally through the engineering application of the lake ship measured data and the sea，on the performance of the system effectively demonstrated，the reliability and stability of the system is proved，meet the design requirements of the system，has high engineering application value.

ship radiated noise；target detection；ultra low power consumption；LOFAR

TN929.5

A

1674-6236（2016）14-0161-04

2015-07-08稿件編號：201507070

黃其培（1986—），男，四川內江人，碩士，工程師。研究方向：水下航行體軌跡跟蹤。