基于FPGA的多波束成像声纳整机硬件电路设计 处理器, 稳定性, 硬件, 整机, 技术

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关键字：多波束成像声纳   发射接收电路   波束形成器   千兆网传输   控制指令  



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。3 系统显控设计

干端软件有控制和显示的功能，控制部分主要是通过网口向水下设备发送控制命令，显示部分则是将波束形成后的数据经过处理后呈现图像，实现声纳成像的功能。考虑到图像显示的速度，采用多线程工作模式，分别创建数据接收线程和数据显示线程，同时完成成像功能。

干端主控软件对外数据接口有网口和串口两种，以太网口主要传输控制命令、参数及图形数据，三路RS232串口分别接收来自外部的定位信息如测深仪、GPS、姿态仪等。



图9 波束图像转换示意图



干端主控软件接收到的波束数据为方位一距离向的二维数组，即原始一帧数据为矩形图像，其中方位向为512个波束值。而实际的数据为扇形的，以接收点为圆心，512个波束值为同一距离90度扇形上的点。所以在进行图像显示的时候需要将原始数据进行转换。具体的转换过程如图9所示。设原始矩形中的点(j，k)，经过转换算法后对应扇形图像上点的坐标为(x，y)，方位角α(单位弧度)，则：





其中width为扇形角对应的弦长，t为图像上近场盲区中的像素点数，pointnum为最大量程接收到的距离向上的点数，则pointnum+t表示对应最大量程时图像距离向上的像素点。

4 测试结果及分析

测试信号为脉冲调制正弦波，信号脉宽为0.2 ms，脉冲重复周期为67 ms，测试结果表明系统可正常工作，PC端显示出测试信号所形成的512个波束，根据信号的幅度变化，窗口内的条纹信号也可相应低由暗到明。

综合测试结果，水下被测目标清晰可见，其外形尺寸和实物十分吻合，系统性能优良。

结语

文中给出了一种基于FPGA的多波束成像声纳整机的系统设计方案。该系统基于Xilinx公司的FPGA芯片，根据干端PC下发的控制指令对180个基元的发射接收电路进行控制，实现对180路通道的水声信号的调理和采集，完成数字波束形成，并将波束数据通过千兆网上传至干端PC进行显示。该系统架构紧凑，整机集成度高，且测试结果表明该系统性能优良，可满足实际的水下目标探测的需要。