基于FPGA的高精度三維成像聲吶系統(tǒng)

基于FPGA的高精度三維成像聲吶系統(tǒng)摘要：高精度三維成像聲吶的實現(xiàn)需要完成大規(guī)模信號同步采集和海量數(shù)據(jù)并行計算，為此，提出基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的并行計算系統(tǒng)。在使用同源時鐘的前提下，利用Spartan-3對平面陣2304路換能器信號進(jìn)行同步采樣，通過離散傅里葉變換降采樣以減小采樣數(shù)據(jù)規(guī)模，采用Virtex-5重新計算換能器權(quán)重以降低運(yùn)算量，使用分步的波束形成算法以減小系統(tǒng)所消耗的存儲器規(guī)模，同時在PC上實現(xiàn)三維圖像實時顯示。實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性。1概述高精度三維成像技術(shù)是目前水聲設(shè)備研究的重要創(chuàng)新領(lǐng)域，在海底勘探、沉船打撈、海洋研究等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。目前研制高精度三維聲吶成像系統(tǒng)需要克服的關(guān)鍵技術(shù)難點在于大規(guī)模換能器數(shù)據(jù)的同步采集和海量數(shù)據(jù)的并行計算所帶來的巨大的硬件開銷[1]。為此，文獻(xiàn)[2]提出使用稀疏矩陣換能器陣列，對平面陣內(nèi)不同索引號的換能器進(jìn)行權(quán)重分配，對權(quán)重為0的換能器做忽略處理從而減少前端信號采集通道和后端的數(shù)據(jù)運(yùn)算量。從減少波束形成過程中參與并行運(yùn)算矩陣的大小出發(fā)，文獻(xiàn)[3]提出將大陣列進(jìn)行多子陣劃分，通過換能器發(fā)射機(jī)和接收機(jī)做一定的匹配設(shè)計，使用波束多級合成的辦法形成最終的波束，也能做到減少運(yùn)算量。本文基于波束形成算法原理，針對大規(guī)模二維換能器信號進(jìn)行同步采樣和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，設(shè)計并實現(xiàn)48×48路信號的同步采樣，使用高性能現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列為系統(tǒng)平臺，采用優(yōu)化后的模擬退火算法[4]，實現(xiàn)128×128個空間波束形成，用于海底狀況成像。2系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)三維聲學(xué)成像聲吶使用的波束形成器可以看成一個空間濾波器，它可以濾去空間某些方向的信號，只讓指定方向的信號通過。本系統(tǒng)利用M×N(M=N=48)平面陣接收水下物體反射回的聲學(xué)信號并做波束形成運(yùn)算形成P×Q個波束，求出開角范圍內(nèi)的波束形成能量值，再根據(jù)不同的能量值進(jìn)行立體繪圖，從而得到一幅三維圖像。系統(tǒng)需要完成換能器信號的調(diào)理、信號采集、波束形成運(yùn)算，最終計算結(jié)果上傳。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為前端信號調(diào)理采集子系統(tǒng)和后端數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端信號調(diào)理采集子系統(tǒng)由48塊子信號電路板組成，實現(xiàn)前端模擬信號調(diào)理采樣，并進(jìn)行初步的信號處理。每塊子板上有1片XilinxSpartan-3，由它控制多路AD以實現(xiàn)多路信號的同步采集，并對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行多點的離散傅里葉變換。變換所得數(shù)據(jù)經(jīng)LVDS高速信號接口傳遞到后端的信號電路板上。后端數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)即圖1中的塊信號處理電路板，是由4片用于信號處理高端領(lǐng)域的XilinxVirtex-5、1片Spartan-3(接口FPGA)和1片PowerPC嵌入式處理器構(gòu)成。Virtex-5之間使用高速LVDS信號進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各自從其他3片Virtex-5得到所要數(shù)據(jù)以實現(xiàn)波束形成算法，并最終將計算完成的結(jié)果傳輸給接口FPGA。每片Virtex-5需要管理12塊信號采集子板，在系統(tǒng)配置階段需要通過IIC來對信號采集子板進(jìn)行配置，在數(shù)據(jù)處理時需要處理來自12塊信號采集子板的數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)與PowerPC處理器數(shù)據(jù)通信，接口FPGA需將上傳的數(shù)據(jù)做格式轉(zhuǎn)換。PowerPC處理器外圍擴(kuò)展有NorFlash用于存儲系統(tǒng)代碼，NandFlash用于存儲有效傳感器的編號和相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)等系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)。PC主控機(jī)通過千兆以太網(wǎng)接口與信號處理電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并調(diào)用OpenGL相關(guān)函數(shù)，實現(xiàn)三維圖像的實時顯示[5]。3大規(guī)模平面陣換能器信號采集為實現(xiàn)對大規(guī)模平面陣進(jìn)行信號的同步采樣，信號采集子板需要完成以下任務(wù)：換能器輸出模擬信號的信號調(diào)理，整陣列信號的同步采集，AD信號的離散傅里葉變換。使用XilinxSpartan-3作為信號采集子板的主控芯片，負(fù)責(zé)1條線陣48路換能器的信號采集，整個成像聲吶系統(tǒng)使用300kHz的聲學(xué)信號，系統(tǒng)采用900kHz的采樣率。如圖2所示，換能器將聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，該信號通過一