基于FPGA的多波束成像声纳整机硬件电路设计 硬件, 整机

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引言
多波束成像声纳利用了数字成像技术，在海底探测范围内形成距离一方位二维声图像，具有很高的系统稳定性和很强的信号处理能力。但是由于数字成像系统数据运算量大、需要实时成像等特点，对处理器性能要求很高。随着适用于并行处理的现场可编程门阵列(FPGA)器件的快速发展，采用大规模FPGA为核心处理器的图像声纳，在提高了整体性能的同时，其系统结构也更加简单。

1 系统概况

该成像声纳的电路系统处于一个密封的水密舱内部，由180路基元的收发模块、实时信号处理模块、数据传输与控制模块、电源模块以及接口板和一些连接器组成。具体声纳头内部的构成如图1所示。



图1 声纳头内部构成



图中深色部分为声纳的发射和接收声基阵。系统工作时，通过发射声基阵将发射模块产生的震荡信号转换成脉冲声波发射出去，信号在水底形成反射，反射的声波信号再经接收声基阵转换为电信号，进入接收电路。接收声基阵具有180个基元，每个基元输出的回波信号通过接口板进入接收电路进行信号的调理与采集。采集后的180路数字信号再进入信号处理模块，该模块对采集数据进行复解调、抽样和数字滤波等一系列的处理，实现数字波束形成以及控制千兆网传输系统上发最终的波束数据。同时干端PC实时下发控制命令，对发射接收电路和波束形

成过程进行控制。电源模块则负责给成像声纳系统中各个分模块供电。该系统的功能框图如图2所示。



图2 水下系统功能框图



2 系统硬件模块设计

2.1 发射接收模块设计

发射接收电路性能的好坏直接影响了多波束声纳成像的质量。发射接收模块的原理框图如图3所示。



图3 发射接收模块原理框图



功放电路在由频率合成器产生的工作频率信号、脉宽控制电路和功率控制电路的共同作用下，产生不同强度、不同脉宽的振荡信号，此信号加载在发射基阵上，转换成脉冲波发射出去。接收基阵通过FPGA的控制信号同步地将声纳回波转换成电信号，送入接收机前端的调理采集电路中进行小信号的前置放大、TVG/AGC放大、滤波和采集等处理，产生180通道的数字信号。FPGA根据PC下发的指令控制增益控制放大模块和ADC模块，对信号进行时间增益放大和自动增益控制。