朱彤[1]2002年在《数字成像声纳中数据采集系统的设计与实现》文中进行了进一步梳理水下声成像技术在水下探测领域中的诸多场合发挥着不可替代的作用，具有广泛的应用前景，日益得到人们的重视。但是由于高分辨率的要求，增加了实现的难度。近年来，数字技术得到飞速发展，成为一种趋势。因此，研究实现数字化的声成像系统十分具有意义。本文的工作就是在这个方面进行探索和尝试。 要想获得高的分辨率就必须使用高的信号频率形成窄而密的波束，如果按照常规的数字时延波束形成办法，则系统的硬件在采样率、存储容量以及处理速度等多方面是很难实现的。数字内插波束形成技术是一种可行的方法，它能够在低的采样率下，通过内插滤波，获得与高速采样相同的结果，前提是满足奈奎斯特采样定律和内插滤波器的频率响应足够好。本文对数字内插原理进行了较为详细的说明，并论证了声成像系统的可行性。 声成像系统的作用距离通常都比较近，这种情况下就必须要考虑近场聚焦的问题，否则波束的指向性会老化。文中对此问题也进行了讨论。 多通道数据采集系统是水下声成像系统的关键组成部分，本文完成了一套基于水下声成像系统的数据采集系统的设计和实现研究。主要工作包括：系统结构的确定、各部分电路的设计(包括调理、采样、缓存、传输以及控制等)，以及器件的选择、时序的确定等等，并在文章中讨论了在设计和实现过程中遇到的一些问题。实际证明，对于一个较大规模的较高速的电路系统，信号的完整性问题会有很大的影响，因此在这方面必须采取措施。
王晓峰[2]2004年在《高频二维成像声纳硬件系统的设计与实现》文中研究表明传统声纳主要以对远程目标的距离和方位进行探测为主，常常把目标看成是点目标。因而接收基阵大多在一个方向上形成固定波束，受此限制，其仅在一个方向(水平或垂直) 上形成分辨率。随着水下智能机器人(AUV)技术的发展，对探测系统的功能要求越来越高，需要它对物体进行细微的形状分辨，因而探测和识别的任务日显迫切。水下高频二维声成像声纳通过获取水下目标的二维声信息，并在此基础上对目标进行二维声成像，实现对探测目标的二维识别和分类，而对于静止目标还能通过信息重构形成目标的叁维图像，从而完成声视觉的任务。 本论文对二维成像声纳水下接收与处理单元的硬件系统的设计和实现进行了研究。由于声纳系统工作在高频率，并且具有高分辨率和128个接收通道，所以水下单元的设计不仅要能够对接收的声信号进行高速采集、存储、处理和传输，而且还要具有低功耗的性能。同时，为了增加系统的稳定性和可维护性，采用了模块化的设计思想。本论文主要研究内容为： 1．模拟信号处理模块的设计和实现。首先从水声信道的特点出发，通过设计模拟信号处理子系统，滤除接收弱信号中的各种干扰和噪声，提取出有用的声信息，同时给予一定的放大，使输出信号达到A／D转换的电平要求，并通过合理的设计保证了各路间相位一致性的要求。其次进行了系统电源模块的设计与实现，为整个系统提供了稳定可靠的电源供应。 2．数字信号处理模块的设计和实现。由于系统采用数字声纳方案，所以设计了采集与存储子系统完成模拟信号的采集并进行存储，设计了数字信号处理子系统完成数字信号的处理。 3．系统控制模块的设计和实现。分别设计了控制子系统和数字信号处理子系统，控制子系统根据水上单元传送的命令配置参数后，就控制数字信号处理模块开始对接收的声信号进行A／D转换，把模拟信哈尔滨工程大学硕士学位论文 号转换成数字信号并存储在存储器当中，实现数据的高速采集存储 和处理，完成处理后，处理结果还要上传系统控制模块继续处理， 后处理结束后，再通过串行传输器件7B923把结果高速上传水上单 元，提高了系统的实时性。所有这些工作都是在控制子系统的控制 下完成的。4一进行了实验室系统联调试验，通过叁个单项试验分别对声纳的模拟 信号处理模块，数字信号处理模块和系统控制模块进行了调试，证 明了水下接收系统工作稳定、可靠，达到了系统的设计要求。最后 进行了水池成像实验，证明系统开发成功。关键词:二维声成像;高速采集;高分辨率:声图像f
陈志纯[3]2009年在《成像声纳信号源与信号采集系统设计实现》文中研究说明近年来,随着海洋开发和水下探测需求的日益增加,成像声纳的研究越来越受到重视,其中信号源和信号采集系统作为成像声纳中不可缺少的组成部分,对其进行深入的研究具有重要的现实意义。高性能的信号源是高性能成像声纳系统得以实现的基本保证。DDS(直接数字频率合成)技术具有频率分辨率高、切换速度快、切换时相位连续等优点,因此将该技术应用于信号源的实现有利于保证信号源的性能。传统的DDS采用ROM查找表实现相幅转换,但通过这种方法实现高性能的DDS需要很庞大的ROM表,论文针对其这一缺陷,使用CORDIC算法代替ROM表实现相幅转换,不仅能够获得较高的精度,还可以节省硬件资源。多通道信号采集系统在成像声纳系统中起到承上起下的作用。为了充分体现在高性能FPGA平台上设计SOC系统的思路,本文提出了多片由A/D转换芯片、高性能FPGA、CPCI总线接口、HOTLink串行数据传输接口组成的多通道信号采集硬件系统设计方案,同时对其实现方法进行了系统的研究;并在该硬件平台基础上完成了其逻辑设计,使其具有了信号采集、数据缓存和数据上传的功能。为了得到成像声纳所需的正交信号,需要获得信号的同相分量和正交分量。本文在研究了带通采样定理及正交变换理论的基础上,分析了数字正交变换的几种实现方法;利用Verilog HDL语言与IP Core调用相结合的方法,采用低通滤波器法实现了正交变换,在保证正确性和尽可能快的处理速度的同时实现了资源合理优化。论文使用FPGA作为控制处理核心和传输桥梁,使系统具有良好的通用性、可适应性、可扩展性和可调试性。
归美[4]2008年在《高分辨率成像声纳数据接收系统的设计与实现》文中研究表明近年来随着海洋开发和水下探测需求的日益增加,高分辨率成像声纳的研究越来越受到重视。目前,使用电子电路的传统高分辨率声纳通常具有较大的体积、较高的功耗和较低的图像更新率,而透镜声纳使用声透镜形成图像,能够克服这些缺点。本文研究了透镜声纳的工作原理、系统结构及技术指标,在此基础上设计了用于透镜声纳的数据接收系统。本文的重点是数据采集板和中央控制板的硬件设计,实现了A/D转换、FPGA控制、DSP处理、数据缓存、数据打包及传输。软件方面,完成了FPGA控制程序、DSP接口程序的编写,Windows下的PCI设备驱动程序以及与驱动程序进行通信的应用程序的编写及调试是软件设计的重要内容,采用DMA传输方式、缓冲区乒乓缓存的技术,有效地实现了人机交互和对板卡的实时控制,满足了数据海量存储的要求。
刘鑫[5]2014年在《宽带图像声纳高速浮点信号处理技术研究》文中提出图像声纳是水下目标搜索、定位成像、避险救生、警戒安防等应用领域中的主要探测设备,在国民生产、国家安全领域均发挥着不可替代的作用。随着图像声纳技术和电子信息技术的不断发展,其信号处理方式已由全模拟器件波束形成变为全数字化实时波束形成,其工作体制已逐渐由机械单波束扫描发展为电子多波束成像,工作频率由窄带单频开始向宽频带过渡。随着应用领域和工作环境的不断扩展延伸,图像声纳在设备体积逐渐小型化的同时,对于数字信号处理的动态范围、计算精度等要求也在不断提高。然而由于浮点运算速度相对较慢、计算结构相对复杂,在水声信号处理领域内有关高速大规模浮点处理算法及应用的研究较少见,尤其是在宽带图像声纳中的研究成果就更少。可以预见,随着图像声纳的不断发展,宽带化、浮点化、高速化、小型化已成为其未来必然的技术选择。因此有必要提前展开适合于宽带图像声纳采用的高速浮点信号处理技术研究,以便为未来宽带图像声纳的设计工作提供指导性意见。本文在回顾了窄带图像声纳技术发展、宽带图像声纳定点信号处理研究以及传统浮点信号处理研究的基础上,以高速浮点宽带图像声纳信号处理应用为背景,对多通道浮点脉冲压缩、分布式浮点分数时延滤波和多通道浮点波束形成进行了理论和试验研究。结合匹配滤波理论,分析比较了在DSP及FPGA器件上分别进行单通道时域和频域脉冲压缩的主要性能。针对多通道频域脉冲压缩资源占用大、控制设计复杂难以实际应用的问题,提出了基于片内可编程系统(SOPC)的多通道信号处理框架。利用该框架设计实现了可灵活配置与剪裁的浮点多通道脉冲压缩系统。分析实验了不同工作参数下,该浮点多通道脉冲压缩系统的主主要性能与关键参数。为实现列高精度的时延波束形成,结合分数时延滤波原理,对适合FPGA应用的分数时延滤波器系数设计算法进行了比较。分析了经典的Farrow结构分数时延滤波器,针对其结构复杂、难于浮点化改造的问题,基于分布式算法原理提出了分布式浮点时延滤波器。研究了不同时间优化和空间优化方案下分布式浮点时延滤波器的计算精度、动态范围及资源占用等关键性能。为完成高速浮点波束形成运算,分析了传统浮点乘法器、浮点累加器等运算单元存在的诸多问题。提出了更适于在FPGA上应用的快速移位树、浮点4-2压缩器、分布式浮点累加器等关键运算单元。综合设计了不同构型下的几种多通道浮点波束形成器,通过与分布式浮点时延滤波器相结合,仿真分析了浮点分数时延波束形成器的主要性能。研究了直接扇形地址产生和数据缓存算法,从而对宽带图像声纳数字信号处理结构进行优化、提高整体处理速度。通过对浮点多通道脉冲压缩系统、分布式浮点时延滤波器及多通道浮点波束形成器进行综合,构成了一个宽带图像声纳的浮点信号处理测试系统,通过硬件测试和水池实验对其工作原理及主要性能进行了分析验证。
王永恒[6]2012年在《成像声纳接收和发射单元的设计与实现》文中指出成像声纳作为声纳系统的分支，在海底地貌测绘，声视觉导航，堤坝的监测，桥墩探伤，管道检测以及海床探测等多方面有着广泛的应用。论文以此为背景，通过研究低噪声检测理论和大功率发射技术，设计完成了成像声纳系统接收和发射单元。论文从低噪声的设计角度出发，结合系统技术指标，设计了160通道信号预处理电路，实现了低噪声放大、增益控制以及滤波等功能。采用合理的手段和方法，经过精心的调试，保证多通道预处理电路的一致特性。此外，论文从噪声和干扰的来源出发，对系统的屏蔽和接地进行设计，有效地降低了系统的电路噪声和干扰，保证了系统性能。数据采集电路以FPGA为核心芯片，完成了A/D采集，高速数据传输以及大容量数据存储等硬件电路的设计，并通过程序验证了电路的可靠性。论文从系统技术指标和成像发射机的特点出发，结合电路理论和工程实践，给出了发射单元的详细设计过程，包括功放主电路和功率MOSFET的选取、驱动电路设计、变压器设计以及各功能电路设计，实现了高频率、大功率的发射电路。测试数据和水池实验表明，设计完成的硬件电路能够稳定可靠地工作，各项技术指标均达到系统要求。
王静娇[7]2013年在《成像声纳数据实时传输与显示控制技术研究》文中研究指明随着海洋事业的发展，各国都大力发展水下探测技术。成像声纳以直观、实时的图像显示探测区域的信息，在水下探测中的应用越来越广泛，因此成像声纳技术成为当前一个研究热点。声纳系统主要包括发射接收声基阵、信号调理模块、信号处理模块、数据传输模块、干端显示控制模块。本文主要研究了数据传输系统与显示控制软件的设计与实现，具体工作主要包括以下两个方面：1)为了提高成像声纳系统的数据传输速率，基于FPGA设计并实现了湿端和干端的千兆以太网数据传输。在FPGA上构建SOPC片上系统，并移植VxWorks操作系统进行网络编程。重点研究了以太网接口硬件设计、网卡驱动设计、数据传输性能优化等关键技术。经测试，设计的数据传输系统速度达到了247Mbps的传输速率，是设计指标的2倍。2)完成了显示控制软件需求分析和模块划分，在Microsoft VC++环境下开发了显示控制软件。显控软件具备国外同类软件的功能，如图像数据的实时接收与显示、伪彩色映射、数据存储和回放、参数测量等，而且加入了声纳发射参数实时修改、声纳设备测试功能。由于成像声纳数据量大，本文重点研究了大容量数据文件处理技术、声纳图像实时接收处理方法、图像转换和缩放算法，提升了图像转换质量，提高了图像处理和显示的速度，100m量程时达到22.1帧/s，是设计指标的3倍。目前成像声纳系统通过水池测试，湿端声纳设备和干端显示控制软件整体运行稳定可靠，各个模块均达到并且部分超过设计指标。已经获得的水池环境实时声纳图像，验证了本文数据传输与显示控制软件设计方案的正确性。
黄慧[8]2013年在《多波束成像声纳信号处理机的设计与FPGA实现》文中提出海洋资源开发和海况监测等需求的发展使得水下声成像技术愈来愈重要，特别是在较浑浊的水域，更需要使用高分辨率成像声纳系统。为了提高成像声纳在分辨率、体积以及实时性方面的性能，本文设计并实现了具有高达180路接收信号的高速数字多波束成像信号处理机。本文主要的工作如下：首先，根据系统设计指标确定了成像声纳信号处理机的系统架构。第二，对多波束形成进行了算法仿真与分析。基于圆阵提出了一种计算量小，占用内存少，能产生高数量密集波束的旋转多波束形成方法，该方法通过阵元等效弦的转动，采用同一组加权系数矢量产生90个波束，与常规移相多波束形成相比，可使存储需求降低两个数量级，特别适用于多焦点近场聚焦的场合。第叁，在FPGA上构建了整个信号处理机系统：根据接收的命令进行水下系统控制，完成180通道回波信号的同步采集，并进行数字多波束形成处理实时产生波束数据用于成像显示。通过多通道多系数复用乘法器和模块复用技术，分别采用234个（180倍复用）和24个（8190倍复用）乘法器，完成了180通道实虚部数据的FIR滤波和538个波束形成，保证实时性的同时减少了硬件开销；并通过乒乓操作、流水线作业与并行处理相结合的技术，提高系统处理速度，实时产生高达538个窄波束，保证了成像声纳的高分辨率。最后，对成像声纳信号处理机系统进行了大量的水池测试验证，测试结果表明，该处理机实现了90°视野范围内的538个窄波束覆盖，波束图像能够达到1.1°的方位分辨率和2.5cm的距离分辨率，具有实时性好、成像分辨率高、系统工作稳定等特点。
赵鑫[9]2005年在《模拟成像声纳的数字化技术研究》文中研究表明对模拟声纳进行数字化离不开数据采集系统。本论文针对模拟成像声纳的上行信号的特点,以Seabat6012声纳为研究对象,开发了一套能够对声纳上行模拟信号进行实时采集的数据采集系统。 文中首先介绍了数据采集系统的原理、发展状况和Seabat6012声纳,然后给出了模拟声纳信号数据采集系统的实现方案和设计调试过程。系统的硬件采用了计算机内置PCI总线板卡,使用赛普拉斯公司生产的CY7C09449-AC作为PCI总线接口芯片和ALTERA公司的CPLD芯片EPM7256,应用ALTERA公司的QuatusⅡ软件进行系统的逻辑设计。根据信号的特点讨论了A/D转换电路的形式,对于数据采集中的缓冲结构进行了讨论和设计。 从WDM驱动程序的概念、功能等方面入手介绍,系统的说明了WDM驱动程序的基本情况和特点,并且结合系统的特点选择了一种驱动开发环境Driverworks,针对本设计中的数据采集系统与接口芯片开发了一个运行于Windows2000操作系统下的驱动程序,详细给出了驱动程序的结构,将设计思想和具体实现的方法结合起来。并简要介绍了驱动程序安装、调试的过程,对于调试过程中出现的问题进行讨论并给出解决的方法。 最后介绍了该采集系统在水下智能机器人声引导系统上的应用情况。该系统在水下智能机器人外场实验中完成了实验任务,并通过了实验验证。
吕云曾[10]2010年在《机械扫描式成像声纳设计与实现》文中认为水下声成像技术在水下目标探测领域中的诸多场合发挥着不可替代的作用,具有广泛的应用前景,日益得到人们的重视。本文研究机械扫描式成像声纳设备的系统设计与实现,主要包括硬件平台设计和软件实现。硬件平台的设计包括接收机、发射机、数据采集与网络接口电路设计、步进电机驱动模块的控制电路。数字系统的核心器件由FPGA与DSP构成,其中接收机在数字电路的配合下实现自动增益控制。针对硬件平台电源种类的要求,设计了系统供电电源电路。系统软件是在硬件平台的基础之上构建起来的,包括FPGA软件与DSP软件两部分。FPGA软件包括数据采集、FIR滤波器的实现、产生步进电机控制信号与发射机的发射信号。DSP软件包括网络数据传输的实现、建立与计算机通信协议、控制接收机的增益。设备完成了系统调试与水池试验,给出了试验结果。根据试验过程中遇到的问题和基于以后系统升级考虑,给出了改进建议。试验表明设计实现的硬件电路及软件程序运行情况良好,实现了预定的功能需求。
参考文献：
[1]. 数字成像声纳中数据采集系统的设计与实现[D]. 朱彤. 哈尔滨工程大学. 2002
[2]. 高频二维成像声纳硬件系统的设计与实现[D]. 王晓峰. 哈尔滨工程大学. 2004
[3]. 成像声纳信号源与信号采集系统设计实现[D]. 陈志纯. 哈尔滨工程大学. 2009
[4]. 高分辨率成像声纳数据接收系统的设计与实现[D]. 归美. 哈尔滨工程大学. 2008
[5]. 宽带图像声纳高速浮点信号处理技术研究[D]. 刘鑫. 哈尔滨工程大学. 2014
[6]. 成像声纳接收和发射单元的设计与实现[D]. 王永恒. 哈尔滨工程大学. 2012
[7]. 成像声纳数据实时传输与显示控制技术研究[D]. 王静娇. 南京航空航天大学. 2013
[8]. 多波束成像声纳信号处理机的设计与FPGA实现[D]. 黄慧. 南京航空航天大学. 2013
[9]. 模拟成像声纳的数字化技术研究[D]. 赵鑫. 哈尔滨工程大学. 2005
[10]. 机械扫描式成像声纳设计与实现[D]. 吕云曾. 哈尔滨工程大学. 2010