基于FPGA多波束成像的声纳系统设计

摘要：给出了一种基于FPGA的多波束成像声纳整机的硬件电路设计方案，介绍了该方案中各分系统的具体电路实现，以Xilinx公司的FPGA芯片作为核心器件，根据干端PC下发的控制指令实现对180个基元的发射接收电路的控制，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。系统电路设计简洁，具有较强的灵活性和扩展性。文中介绍了系统的硬件架构，论证了多波束成像声纳系统接收前端和数字信号处理模块的硬件设计方案。实际测试结果表明，系统能够清晰地对水底地形特征进行实时成像，具有15帧/s的刷新率。

引言

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。

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。

图中深色部分为声纳的发射和接收声基阵。系统工作时，通过发射声基阵将发射模块产生的震荡信号转换成脉冲声波发射出去，信号在水底形成反射，反射的声波信号再经接收声基阵转换为电信号，进入接收电路。接收声基阵具有180个基元，每个基元输出的回波信号通过接口板进入接收电路进行信号的调理与采集。采集后的180路数字信号再进入信号处理模块，该模块对采集数据进行复解调、抽样和数字滤波等一系列的处理，实现数字波束形成以及控制千兆网传输系统上发最终的波束数据。同时干端PC实时下发控制命令，对发射接收电路和波束形

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。

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。

功放电路在由频率合成器产生的工作频率信号、脉宽控制电路和功率控制电路的共同作用下，产生不同强度、不同脉宽的振荡信号，此信号加载在发射基阵上，转换成脉冲波发射出去。接收基阵通过FPGA的控制信号同步地将声纳回波转换成电信号，送入接收机前端的调理采集电路中进行小信号的前置放大、TVG/AGC放大、滤波和采集等处理，产生180通道的数字信号。FPGA根据PC下发的指令控制增益控制放大模块和ADC模块，对信号进行时间增益放大和自动增益控制。

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。

声纳接收模块的信号调理采集电路同时采集各接收阵元的回波信号，产生180路数字差分信号。在数信号处理模块中，对采集的信号依次作复解调、滤波抽取和波束形成等处理，最终输出512个波束数据。具体的信号处理流程如图5所示。

本系统采用Xilinx公司Virtex 6的XC6VLX550T芯片作为实时数据处理及波束形成的核心器件。实际算法所需的资源数量和XC6VLX550T的资源数量略——编者注。

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。