基于FPGA的多波束成像聲納整機硬件電路設計

引言

多波束成像聲納利用了數字成像技術(shù)，在海底探測范圍內形成距離一方位二維聲圖像，具有很高的系統穩定性和很強的信號處理能力。但是由于數字成像系統數據運算量大、需要實(shí)時(shí)成像等特點(diǎn)，對處理器性能要求很高。隨著(zhù)適用于并行處理的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件的快速發(fā)展，采用大規模FPGA為核心處理器的圖像聲納，在提高了整體性能的同時(shí)，其系統結構也更加簡(jiǎn)單。

1 系統概況

該成像聲納的電路系統處于一個(gè)密封的水密艙內部，由180路基元的收發(fā)模塊、實(shí)時(shí)信號處理模塊、數據傳輸與控制模塊、電源模塊以及接口板和一些連接器組成。具體聲納頭內部的構成如圖1所示。

圖1 聲納頭內部構成

圖中深色部分為聲納的發(fā)射和接收聲基陣。系統工作時(shí)，通過(guò)發(fā)射聲基陣將發(fā)射模塊產(chǎn)生的震蕩信號轉換成脈沖聲波發(fā)射出去，信號在水底形成反射，反射的聲波信號再經(jīng)接收聲基陣轉換為電信號，進(jìn)入接收電路。接收聲基陣具有180個(gè)基元，每個(gè)基元輸出的回波信號通過(guò)接口板進(jìn)入接收電路進(jìn)行信號的調理與采集。采集后的180路數字信號再進(jìn)入信號處理模塊，該模塊對采集數據進(jìn)行復解調、抽樣和數字濾波等一系列的處理，實(shí)現數字波束形成以及控制千兆網(wǎng)傳輸系統上發(fā)最終的波束數據。同時(shí)干端PC實(shí)時(shí)下發(fā)控制命令，對發(fā)射接收電路和波束形

成過(guò)程進(jìn)行控制。電源模塊則負責給成像聲納系統中各個(gè)分模塊供電。該系統的功能框圖如圖2所示。

圖2 水下系統功能框圖

2 系統硬件模塊設計

2.1 發(fā)射接收模塊設計

發(fā)射接收電路性能的好壞直接影響了多波束聲納成像的質(zhì)量。發(fā)射接收模塊的原理框圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射接收模塊原理框圖

功放電路在由頻率合成器產(chǎn)生的工作頻率信號、脈寬控制電路和功率控制電路的共同作用下，產(chǎn)生不同強度、不同脈寬的振蕩信號，此信號加載在發(fā)射基陣上，轉換成脈沖波發(fā)射出去。接收基陣通過(guò)FPGA的控制信號同步地將聲納回波轉換成電信號，送入接收機前端的調理采集電路中進(jìn)行小信號的前置放大、TVG/AGC放大、濾波和采集等處理，產(chǎn)生180通道的數字信號。FPGA根據PC下發(fā)的指令控制增益控制放大模塊和ADC模塊，對信號進(jìn)行時(shí)間增益放大和自動(dòng)增益控制。

2.2 數字信號處理及傳輸模塊設計

根據設計要求，數字信號處理及傳輸模塊主要實(shí)現對回波數據進(jìn)行波束形成，以及通過(guò)千兆網(wǎng)口上發(fā)波束數據和下發(fā)PC端的控制命令。該模塊電路的總體框圖如圖4所示。

圖4 數字信號處理模塊總體框圖

聲納接收模塊的信號調理采集電路同時(shí)采集各接收陣元的回波信號，產(chǎn)生180路數字差分信號。在數信號處理模塊中，對采集的信號依次作復解調、濾波抽取和波束形成等處理，最終輸出512個(gè)波束數據。具體的信號處理流程如圖5所示。

圖5 數字信號處理流程圖

本系統采用Virtex 6 XC6VLX550T芯片作為實(shí)時(shí)數據處理及波束形成的核心器件。實(shí)際算法所需的資源數量和XC6VLX550T的資源數量略——編者注。

數字信號處理模塊輸出的波束在100 m的量程范圍內具有58.007 Mbps的數據傳輸率，本系統采用2倍以上的設計余量，通過(guò)千兆網(wǎng)來(lái)實(shí)現波束數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸。設計中采用Xilinx公司的Vitex-5 FX70T的FPGA為平臺，基于該芯片內部的PowerPC440硬核處理器，在該處理器上移植VxWorks操作系統，完成數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸功能。片上系統的設計框圖如圖6所示。

圖6 片上系統的設計框圖

PowerPC440處理器利用PLB總線(xiàn)控制外圍設備IP核，將FIFO中的波束數據通過(guò)NPI接口搬移到DDR2中，達到一定的數據量后，再通過(guò)DMA通道將數據從千兆以太網(wǎng)發(fā)送出去。由于FPGA內部BlockRAM的容量無(wú)法滿(mǎn)足VxWorks對存儲空間的需求，因此使用一片32 MB的FLASH來(lái)存儲VxWo rks映像和引導程序，以及一片256 MB的DDR為其提供運行程序的空間，RS232串口作為調試時(shí)的輸入/輸出。

該模塊通過(guò)千兆網(wǎng)口可以接收到干端PC下發(fā)的控制命令，實(shí)現對發(fā)射接收模塊、信號調理采集模塊、信號處理及波束形成模塊和千兆網(wǎng)數據傳輸等模塊的控制。

2.3 系統電源設計

根據系統技術(shù)指標要求，多波束成像聲納的電源由干端電源盒產(chǎn)生的48 V直流電壓供應，通過(guò)電纜傳輸到水下聲納頭內部的電源板上。電源板對系統中各模塊供電，既要達到功耗要求，又要滿(mǎn)足各模塊之間的電源隔離。因此電源板中采用了磚形隔離模塊，產(chǎn)生了發(fā)射機所需的+95 V、+15 V和+5 V，以及接收機所需的±5.5 V、+2.1V。其中發(fā)射機電源地和接收機電源地隔離，以避免發(fā)射機噪聲通過(guò)地信號進(jìn)入接收機中。

接收機所需的電源通過(guò)板間接線(xiàn)從電源板連到數字信號處理板上。調理采集板所需的電源信號則從數字信號處理板通過(guò)層間接插座向各個(gè)調理采集小板分發(fā)。在每塊調理采集小板上，上述電源信號經(jīng)過(guò)低噪音的LDO線(xiàn)性低壓降電源芯片進(jìn)行穩壓。

數字信號處理板的電源地和調理采集板的電源地通過(guò)磁珠在電源板上單點(diǎn)共接。數字信號處理板中電流的回流路徑比調理采集板中電流的回流路徑短，數字部分的地相對于系統地的阻抗更低，因此數字信號處理板地上的噪聲不能通過(guò)電流回流到信號調理采集板中，從而避免了模擬信號受到數字信號的干擾。從電源板過(guò)來(lái)的電源信號在數字信號處理板上通過(guò)LT公司的LTM4600進(jìn)行電平轉換，得到FPGA及其外嗣設備所需的電源信號。

2.4 系統架構設計

如上所述，本系統的硬件平臺由發(fā)射機、信號調理采集板、數字信號處理板、電源板以及一些接口板和連接器件組成。系統工作時(shí)，聲納回波信號從接收基陣上通過(guò)轉接板傳輸到各調理采集板中進(jìn)行采集，完成采集后的信號再通過(guò)板對板層疊連接器匯總到數字信號處理板中做波束形成處理，最后波束數據從以太網(wǎng)口輸出，通過(guò)千兆網(wǎng)傳輸線(xiàn)上傳到干端PC進(jìn)行成像顯示，按照這種信號通路來(lái)設計系統硬件平臺的架構。

在設計時(shí)，為了減小系統體積和設計風(fēng)險，將180路信號調理采集模塊分成6塊小板實(shí)現，每塊調理采集小板按照32路設計。6塊小板分成兩個(gè)區，每個(gè)區層疊三層，并通過(guò)1 mm腳間距的層疊連接器將小板上采集的信號傳輸到數字信號處理板上。發(fā)射機放置在聲納頭部，和聲納艙中的接收模塊隔離，以減小相互之間的信號干擾。電源板為系統中發(fā)熱量最大的設備，方案中將電源板放在系統最頂部，板上的各電源模塊緊貼聲納頭壁，在系統運行時(shí)可以將電源板產(chǎn)生的熱量及時(shí)地引導到機殼上，散發(fā)到周同的水體中。系統的整體架構如圖7所示。

圖7 系統硬件平臺架構

6塊調理小板的電路結構完全一致，通過(guò)層間接插座傳遞信號。接插座的層疊設計需要滿(mǎn)足在調理板堆疊次序任意的情況下，使得不同的板層輸出不同通道的采集信號。圖8為層疊結構示意圖，圖中F1、F2、F3分別代表不同接插座所在層為第一層、第二層和第三層，TOP和BOTT OM則表示接插座布于同層板的不同面。裝配時(shí)，上一層板的BOTTOM插座接下一層板的TOP插頭，第一層板的BOTTOM插座插在數字信號處理板的插頭上。圖中每一層板的TOP和BOTTOM接插座上具有相同網(wǎng)絡(luò )標號的引腳在電氣上是相連的，如P5的“1”號引腳和P6的“3”號引腳在電氣上屬于同一網(wǎng)絡(luò )“A”。

圖8 層疊結構中的信號傳遞示意圖

現不妨假設每一層板采集兩個(gè)通道的信號，各層板采集的兩個(gè)通道信號分別輸入到插頭P1、P3和P5的2、6腳(標有黑色圈)，再由P2、P4和P6插座依次傳遞到母板上。如圖所示，三層板總共采集和傳輸了6個(gè)通道的信號：A、B、C、D、E和F。第一層板采集到通道A和通道D的信號，第二層板采集到通道B和通道E的信號，第三層板采集到通道C和通道F的信號。第三層板上TOP插頭和第一層板的BOTTOM插座信號對應關(guān)系完全一致。最后調試的時(shí)候，只要對應好網(wǎng)絡(luò )便可以在任何一層板的接插座上測試到每一層板上兩個(gè)通道采集的數據。

本系統中各層調理采集板采集32個(gè)通道的數據，通過(guò)6塊層疊接插座實(shí)現板間信號的傳輸。

3 系統顯控設計

干端軟件有控制和顯示的功能，控制部分主要是通過(guò)網(wǎng)口向水下設備發(fā)送控制命令，顯示部分則是將波束形成后的數據經(jīng)過(guò)處理后呈現圖像，實(shí)現聲納成像的功能?？紤]到圖像顯示的速度，采用多線(xiàn)程工作模式，分別創(chuàng )建數據接收線(xiàn)程和數據顯示線(xiàn)程，同時(shí)完成成像功能。

干端主控軟件對外數據接口有網(wǎng)口和串口兩種，以太網(wǎng)口主要傳輸控制命令、參數及圖形數據，三路RS232串口分別接收來(lái)自外部的定位信息如測深儀、GPS、姿態(tài)儀等。

圖9 波束圖像轉換示意圖

干端主控軟件接收到的波束數據為方位一距離向的二維數組，即原始一幀數據為矩形圖像，其中方位向為512個(gè)波束值。而實(shí)際的數據為扇形的，以接收點(diǎn)為圓心，512個(gè)波束值為同一距離90度扇形上的點(diǎn)。所以在進(jìn)行圖像顯示的時(shí)候需要將原始數據進(jìn)行轉換。具體的轉換過(guò)程如圖9所示。設原始矩形中的點(diǎn)(j，k)，經(jīng)過(guò)轉換算法后對應扇形圖像上點(diǎn)的坐標為(x，y)，方位角α(單位弧度)，則：

其中width為扇形角對應的弦長(cháng)，t為圖像上近場(chǎng)盲區中的像素點(diǎn)數，pointnum為最大量程接收到的距離向上的點(diǎn)數，則pointnum+t表示對應最大量程時(shí)圖像距離向上的像素點(diǎn)。

4 測試結果及分析

測試信號為脈沖調制正弦波，信號脈寬為0.2 ms，脈沖重復周期為67 ms，測試結果表明系統可正常工作，PC端顯示出測試信號所形成的512個(gè)波束，根據信號的幅度變化，窗口內的條紋信號也可相應低由暗到明。

綜合測試結果，水下被測目標清晰可見(jiàn)，其外形尺寸和實(shí)物十分吻合，系統性能優(yōu)良。

結語(yǔ)

文中給出了一種基于FPGA的多波束成像聲納整機的系統設計方案。該系統基于Xilinx公司的FPGA芯片，根據干端PC下發(fā)的控制指令對180個(gè)基元的發(fā)射接收電路進(jìn)行控制，實(shí)現對180路通道的水聲信號的調理和采集，完成數字波束形成，并將波束數據通過(guò)千兆網(wǎng)上傳至干端PC進(jìn)行顯示。該系統架構緊湊，整機集成度高，且測試結果表明該系統性能優(yōu)良，可滿(mǎn)足實(shí)際的水下目標探測的需要。