基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统

基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统

1 概述

本文提出基于三维声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统，设计并实现48×48 路信号的同步采样，128×128 个空间波束形成的大规模数据处理和实时水下三维场景成像。

2 系统总体设计

2.1 系统技术特点

目前，实时高分辨率的三维声纳系统面临2 个问题[6]：

(1)大量前端信号通道的硬件成本昂贵；(2)进行波束形成算法所需的乘累加计算量大。

首先，该系统采用了优化后的模拟退火算法[7]，对二维平面上的每一个换能器分配权重系数，在最大旁瓣可以接受的条件下，部分换能器的权重系数可以分配为0，即达到对换能器稀疏化，减小系统运算量的效果[8]。最终实现系统2 304(48×48)个换能器组成的声学信号接收平面阵。

同时，该系统采用优化后的分步波束形成算法，将空间入射的声波信号进行空间分解，对相移参数进行优化，从而减小相移参数储存空间，并将声学信号接收平面阵划分成48 条线性子阵，分组并行实现分步波束形成，最终完成128×128 个波束形成[9]。

2.2 系统总体构架

水下三维场景实时成像系统总体结构如图1 所示，由48 块子板、主板和主控PC 组成。子板负责完成信号采集功能，主板负责完成波束形成与数据汇总，并实现对子板的采样控制和与主控PC 通信的功能，最终在主控PC 上完成实时三维成像。其中，每块子板有48 个信号接收通道。

3 系统硬件设计

3.1 子板硬件设计

3.2 主板硬件设计

主板主要由1 片PowerPC 嵌入式处理器MPC8313、1 片Xilinx Spartan-3E 系列FPGA XC3S1200E 和4 片高性能Xilinx Virtex-5 系列FPGA XC5VSX95T，以及其他外围电路组成。