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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。 
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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。 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。 |
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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。 2.2 数字信号处理及传输模块设计 根据设计要求，数字信号处理及传输模块主要实现对回波数据进行波束形成，以及通过千兆网口上发波束数据和下发PC端的控制命令。该模块电路的总体框图如图4所示。 数字信号处理模块输出的波束在100 m的量程范围内具有58.007 Mbps的数据传输率，本系统采用2倍以上的设计余量，通过千兆网来实现波束数据的网络传输。设计中采用Xilinx公司的Vitex-5 FX70T的FPGA为平台，基于该芯片内部的PowerPC440硬核处理器，在该处理器上移植VxWorks操作系统，完成数据的网络传输功能。片上系统的设计框图如图6所示。 该模块通过千兆网口可以接收到干端PC下发的控制命令，实现对发射接收模块、信号调理采集模块、信号处理及波束形成模块和千兆网数据传输等模块的控制。 2.3 系统电源设计 根据系统技术指标要求，多波束成像声纳的电源由干端电源盒产生的48 V直流电压供应，通过电缆传输到水下声纳头内部的电源板上。电源板对系统中各模块供电，既要达到功耗要求，又要满足各模块之间的电源隔离。因此电源板中采用了砖形隔离模块，产生了发射机所需的+95 V、+15 V和+5 V，以及接收机所需的±5.5 V、+2.1V。其中发射机电源地和接收机电源地隔离，以避免发射机噪声通过地信号进入接收机中。 接收机所需的电源通过板间接线从电源板连到数字信号处理板上。调理采集板所需的电源信号则从数字信号处理板通过层间接插座向各个调理采集小板分发。在每块调理采集小板上，上述电源信号经过低噪音的LDO线性低压降电源芯片进行稳压。 数字信号处理板的电源地和调理采集板的电源地通过磁珠在电源板上单点共接。数字信号处理板中电流的回流路径比调理采集板中电流的回流路径短，数字部分的地相对于系统地的阻抗更低，因此数字信号处理板地上的噪声不能通过电流回流到信号调理采集板中，从而避免了模拟信号受到数字信号的干扰。从电源板过来的电源信号在数字信号处理板上通过LT公司的LTM4600进行电平转换，得到FPGA及其外嗣设备所需的电源信号。 2.4 系统架构设计 如上所述，本系统的硬件平台由发射机、信号调理采集板、数字信号处理板、电源板以及一些接口板和连接器件组成。系统工作时，声纳回波信号从接收基阵上通过转接板传输到各调理采集板中进行采集，完成采集后的信号再通过板对板层叠连接器汇总到数字信号处理板中做波束形成处理，最后波束数据从以太网口输出，通过千兆网传输线上传到干端PC进行成像显示，按照这种信号通路来设计系统硬件平台的架构。 在设计时，为了减小系统体积和设计风险，将180路信号调理采集模块分成6块小板实现，每块调理采集小板按照32路设计。6块小板分成两个区，每个区层叠三层，并通过1 mm脚间距的层叠连接器将小板上采集的信号传输到数字信号处理板上。发射机放置在声纳头部，和声纳舱中的接收模块隔离，以减小相互之间的信号干扰。电源板为系统中发热量最大的设备，方案中将电源板放在系统最顶部，板上的各电源模块紧贴声纳头壁，在系统运行时可以将电源板产生的热量及时地引导到机壳上，散发到周同的水体中。系统的整体架构如图7所示。 本系统中各层调理采集板采集32个通道的数据，通过6块层叠接插座实现板间信号的传输。 |
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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。 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。 |
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基于采用FPGA控制MV-D1024E系列相机的图像采集系统设计
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