CN103207396A - 基于fpga模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统，该系统使用FPGA完成对多普勒计程仪发射信号的处理和回波信号的产生。FPGA通过串口接收PC机的指令，根据PC的指令参数，对回波信号进行调整。系统利用1片模数转换器，对多普勒计程仪的发射信号进行采集，在FPGA内进行处理，同时进行波形的存储。系统利用8路独立的回波波形信号输出通道，对波束依次按照相位差进行发送。再经过干端的相控阵多普勒计程仪进行接收，从而在陆地环境下，对相控阵多普勒计程仪的运行可靠性能进行检验。

Description

基于FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统

技术领域

本发明涉及FPGA技术，多普勒频移以及相控阵技术，具体来说是一种使用FPGA对多普勒计程仪是否正常运行进行快速测试的系统。 

背景技术

多普勒计程仪基于声波的多普勒效应进行测速的，利用发射的声波和接收的海底反射波之间的多普勒频移测量船舶相对于水底的航速和累计航程。 

多普勒计程仪与电磁计程仪相比较，具有测量精度高，门限速度小，能够测量船舶横向移动速度等优点。主要用于巨型船舶在狭水道航行、进出港、靠离码头时提供船舶纵向和横向运动的精确数据。多普勒计程仪受作用深度限制，超过数百米时，利用水层中的水团质点作反射层，变成对水计程仪，其测速门限0.0lkn，测速精度0.2%～0.5%，0.1kn。 

多普勒计程仪模拟海底回波的对接系统的原理是采用数字波束形成器采用延时（模拟频率偏移）的运算模拟海底的回波信号。 

以前的检测多普勒计程仪的方式是采用将多普勒计程仪携带在船舶上进行实地的海试和湖试，进行一般的功能测试,不能模拟不同海底环境的信息。而且实现起来麻烦耗费大量金钱、人力和物力外还会花费大量时间。 

最近几年，有研发多普勒计程仪测试仪的方式采用数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）实现。DSP具有技术较为成熟、实现工具完善、编程简单等优点，但由于其内部结构的限制，在进行计算时经常会出现缓存扑空（Cache Miss）等现象，影响系统计算性能。DSP技术的设计通常持续计算性能只能维持在其峰值计算性能的10％～33％，无法取得很高的计算性能。 

近年来FPGA技术取得了飞速发展，已经从最初只能面向纯逻辑替代的应用转变为能够面向复杂的计算密集型应用。最新推出的FPGA器件中，不仅集成有丰富的可配置逻辑块资源（Configurable Logic Block，CLB），还包括大量面向计算密集应用的DSP单元、块状RAM（Block RAM，BRAM）和用于高速串行通信的RocketIO GTP收发器单元。同时为方便FPGA的调试，各FPGA厂商还推出了片内逻辑分析测试工具（如 Xilinx公司的ChipScope），在软硬件上保证了在FPGA上实现高性能计算的可行性。 

使用FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号，能够在精确的模拟回波信号。用在陆地环境中，对接系统可以提供给计程仪不同海域环境、不同船舶形式速度的海底回波特性的模拟信号，提供接近海上测试的环境。 

发明内容

本发明克服现有检测多普勒计程仪的方式只能在船舶上进行实地的海试和湖试，耗费大量金钱、人力和物力外还会花费大量时间的不足，提供了能够经过实时信号处理在陆地环境下模拟不同海域信息的海底回波信号的一种基于FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统。 

该系统对多普勒计程仪发射信号使用1路模数转换器进行采集，经过实时信号处理，根据PC机发送的参数指令，产生8路的模拟海底回波的波束信号，在陆地环境，检验多普勒计程仪的工作是否正常。 

一种基于FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统，其特征在于：系统由信号处理器（110）、发射信号触发通道（120）、发射信号采样器（130）与回波波形输出通道（140）四部分组成。其中，信号处理器（110）连接PC上位机（150），接收来自上位机的人工输入模拟参数的命令，并将数据上传上位机。所述的信号处理器（110）控制发射信号触发通道（120）、发射信号采样器（130）与回波波形输出通道（140）。 

所述的信号处理器（110）是数据处理的核心单元，以FPGA作为中央处理器，包含了波形采集与回放功能模块（210）、信号检测功能模块（220）、信号编码功能模块（230）、应答信号的产生功能模块（240）。波形采集与回放功能模块（210）、信号检测功能模块（220）都与存储控制器（250）相连，PC端信号交互控制器（260）是通过信号处理器（110）内的串口协议定义； 

所述的信号检测功能模块（220），用于快速接收并解码多普勒计程仪的发射信号。 

所述的应答信号的产生功能模块（240），应答信号的产生根据接收到PC机模拟的船舶行驶方向的速度（V_x），船舶垂直于行驶方向的速度（V_y） 以及船舶行驶海域的深度（h）的数据指令。按照相应的指令，形成算法模拟不同方向的海底的回波信号。产生模拟多普勒计程仪的海底回波信号依据多普勒效应，多普勒效应的数学形式由式（1）所示： 

Δf=2Vsin(φ)×f₀/C……(1) 

Δf为偏移的频率值，V为船舶行驶速度，f₀为发射信号频率，C为海水中的声速。产生模拟不同方向的回波信号的频率，各个方向的回波信号频率设置由式2所示： 

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{h+x}=f_s(1+{2V}_x\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\\ f_{h-x}=f_s(1-2V_x\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\\ f_{h+y}=f_s(1+{2V}_y\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\\ f_{h-y}=f_s(1-{2V}_y\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\end{array}\right....\left(2\right)$

f_h+x，f_h-x为船舶行驶方向的速度，f_h+y，f_h-y为船舶垂直行驶方向的速度，φ为波束与船舶中垂线的夹角，f_s为多普勒计程仪发射信号频率，V_x为船舶行驶方向的速度，V_y为船舶垂直于行驶方向的速度。 

所述的发射信号触发通道（120）主要完成对多普勒计程仪小功率发射进行可靠触发，选择合适的采样时间点，避免了误触发； 

所述的发射信号采样器（130）包含了高速高精度的模数转换器（310）和发射信号所需信号调理电路（320）。模数转换器（310）用于对发射信号波形的采样，信号调理电路连接在模数转换器（310）的前端。 

所述的回波波形输出通道（140）包含了DAC通道（410）、回波波形回放所需的信号调理电路（420）、参考电源（430）。DAC通道使用高精度的数模转换芯片用于对模拟海底的回波信号。 

使用该系统在非海域环境下模拟多普勒计程仪测速所需的海底回波信号，系统工作有如下几个步骤： 

（1）发射信号首先由发射信号采样器（130）进行采样后，将采样后的信号送到波形采集与回放功能模块（210），信号处理器（110）对存储采样到的波形数据存储，同时将存储的波形上传到PC机； 

（2）步骤（1）采集到的波形信号同时作为信号处理器（110）的信号检测功能模块（220）的信号来源，用于对多普勒计程仪发射信号的频率和脉宽等参数进行检测，检验多普勒计程仪发射机工作是否正常； 

（3）步骤（2）检测的发射信号，按照PC机端操作人员发送的参数指令，信号处理器（110）通过相应的处理，通过信号编码功能模块（230），控制相位差和脉冲时间宽度以适应模拟的不同海域的海底回波信号； 

（4）经过步骤（3）处理的模拟海底回波信号，最后通过应答信号的产生功能模块（240），输出8路模拟海底回波的数字信号，同时应答信号也可以由存储在存储器的波形数据作为来源，应答信号采用循环方式分时应答，相邻两个波束应答信号间隔时间采用软件时延的方法，模拟的海底回波信号最终通过回波波形输出通道（140）输出。 

模拟的多普勒频移的应答信号通过改变数模转换器的输出频率来实现，应答信号输出频率改变方式是通过软件时延方法调用；应答信号产生时刻的判别条件是根据多普勒计程仪发射信号的脉冲宽度与模拟的海底深度值的两个参数值进行比对计算后得出； 

进一步，所述的发射信号触发通道（120）采用单稳态触发电路，触发脉宽约为0.07ms。信号编码功能模块（230）由FPGA芯片其内部单元设计相应的算法结构完成对信号的处理以及解算，完成接收并解码多普勒计程仪的发射信号。 

并且，回波波形输出通道（140）中，包含8路独立通道，每个通道包含有1片高精度高速度串行D/A转换芯片及其后端的信号放大电路，将处理器产生的数字应答信号进行转换。模拟的多普勒频移信号通过改变数模转换器的输出频率来实现，应答信号输出频率改变方式是通过时延方法调用，应答信号的产生时刻的判别条件是根据多普勒计程仪发射信号的脉冲宽度与模拟的海底深度值的两个参数值进行比对计算后得出。 

更进一步，所述的系统的同步时钟脉冲控制利用了一路由FPGA产生时钟，时钟经过8路同步分配方法。 

而且，所述的系统采用独立的电路设计，其中包括对信号放大电路的分开设计和对电源基准的分开设计。 

本发明优点为：系统利用1个信号处理器，1路发射信号触发通道，1路信号采样器与8路波形通道，经过实时信号处理直接在陆地环境下模拟海底回波信号。 

附图说明

图1为本发明系统的结构示意框图； 

图2为本发明信号处理器的结构示意框图； 

图3为本发明发射信号采集器的结构示意框图； 

图4为本发明回波波形输出的结构示意框图； 

图5为本发明系统的软件工作流程图； 

具体实施方式

参照附图进行说明： 

一种基于FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统，其特征在于：系统由信号处理器（110）、发射信号触发通道（120）、发射信号采样器（130）与回波波形输出通道（140）四部分组成。其中，信号处理器（110）连接PC上位机（150），接收来自上位机的人工输入模拟参数的命令，并将数据上传上位机。所述的信号处理器（110）控制发射信号触发通道（120）、发射信号采样器（130）与回波波形输出通道（140）。 

所述的信号处理器（110）是数据处理的核心单元，以FPGA作为中央处理器，包含了波形采集与回放功能模块（210）、信号检测功能模块（220）、信号编码功能模块（230）、应答信号的产生功能模块（240）。波形采集与回放功能模块（210）、信号检测功能模块（220）都与存储控制器（250）相连，PC端信号交互控制器（260）是通过信号处理器（110）内的串口协议定义； 

所述的信号检测功能模块（220），用于快速接收并解码多普勒计程仪的发射信号。 

所述的应答信号的产生功能模块（240），应答信号的产生根据接收到PC机模拟的船舶行驶方向的速度（V_x），船舶垂直于行驶方向的速度（V_y）以及船舶行驶海域的深度（h）的数据指令。按照相应的指令，形成算法模拟不同方向的海底的回波信号。产生模拟多普勒计程仪的海底回波信号依据多普勒效应，多普勒效应的数学形式由式（1）所示： 

Δf=2Vsin(φ)×f₀/C……(1) 

Δf为偏移的频率值，V为船舶行驶速度，f₀为发射信号频率，C为海水中 的声速。产生模拟不同方向的回波信号的频率，各个方向的回波信号频率设置由式2所示： 

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{h+x}=f_s(1+{2V}_x\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\\ f_{h-x}=f_s(1-2V_x\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\\ f_{h+y}=f_s(1+{2V}_y\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\\ f_{h-y}=f_s(1-{2V}_y\sin \left(\mathrm{\φ}\right)/C)\end{array}\right....\left(2\right)$

f_h+x，f_h-x为船舶行驶方向的速度，f_h+y，f_h-y为船舶垂直行驶方向的速度，φ为波束与船舶中垂线的夹角，f_s为多普勒计程仪发射信号频率，V_x为船舶行驶方向的速度，V_y为船舶垂直于行驶方向的速度。 

所述的发射信号触发通道（120）主要完成对多普勒计程仪小功率发射进行可靠触发，选择合适的采样时间点，避免了误触发； 

所述的发射信号采样器（130）包含了高速高精度的模数转换器（310）和发射信号所需信号调理电路（320）。模数转换器（310）用于对发射信号波形的采样，信号调理电路连接在模数转换器（310）的前端。 

所述的回波波形输出通道（140）包含了DAC通道（410）、回波波形回放所需的信号调理电路（420）、参考电源（430）。DAC通道使用高精度的数模转换芯片用于对模拟海底的回波信号。 

使用该系统在非海域环境下模拟多普勒计程仪测速所需的海底回波信号，系统工作有如下几个步骤： 

使用该系统在非海域环境下模拟多普勒计程仪测速所需的海底回波信号，系统工作有如下几个步骤： 

（1）发射信号首先由发射信号采样器（130）进行采样后，将采样后的信号送到波形采集与回放功能模块（210），信号处理器（110）对存储采样到的波形数据存储，同时将存储的波形上传到PC机； 

（2）步骤（1）采集到的波形信号同时作为信号处理器（110）的信号检测功能模块（220）的信号来源，用于对多普勒计程仪发射信号的频率和脉宽等参数进行检测，检验多普勒计程仪发射机工作是否正常； 

（3）步骤（2）检测的发射信号，按照PC机端操作人员发送的参数指令，信号处理器（110）通过相应的处理，通过信号编码功能模块（230），控制相位差和脉冲时间宽度以适应模拟的不同海域的海底回波信号； 

（4）经过步骤（3）处理的模拟海底回波信号，最后通过应答信号的产生功能模块（240），输出8路模拟海底回波的数字信号，同时应答信号也可以由存储在存储器的波形数据作为来源，应答信号采用循环方式分时应答，相邻两个波束应答信号间隔时间采用软件时延的方法，模拟的海底回波信号最终通过回波波形输出通道（140）输出。 

模拟的多普勒频移的应答信号通过改变数模转换器的输出频率来实现，应答信号输出频率改变方式是通过软件时延方法调用；应答信号产生时刻的判别条件是根据多普勒计程仪发射信号的脉冲宽度与模拟的海底深度值的两个参数值进行比对计算后得出； 

如图1、2所示，一种基于FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统，数据信号处理器（110）采用Xilinx公司的FPGA，配置相应的外围存储电路。 

信号处理器（110）服从PC机发送的命令，控制信号采样器（130）和波形输出通道（140）。工作过程中，所述系统在发射信号触发通道（120）有触发信号的情况下，对多普勒计程仪发射信号的频率和脉宽等参数通过信号采样器进行采样，采样得到的信号存储在DDR中，并且上传到PC机终端。同时，数据经过信号处理器（110）通过相应的处理，按照PC机发送的指令，在8路回波波形输出通道上分别输出模拟海底回波的信号，该信号之间的相位差依次相差90°，脉冲时间宽度遵循模拟不同海底深度（h）的需求而不同。 

如上所述的实现过程，因此，FPGA作为核心处理器按照式（2）的频率要求，针对PC机发送的数据参数，通过时延的方法，发送回波的数字信号以及8个通道的控制信号。更具体地，FPGA的工作流程为： 

i.接收数模采样电路的数字信号，判断发射信号的频率； 

ii.将发射信号上传到PC端的上位机，便于操作人员直观识别； 

iii.根据PC端的上位机的指令，控制时延时间模拟出船舶行驶海域环境中行驶速度和海底深度的回波信号的频率； 

iv.以数字信号的方式回放回波信号，在同步时钟驱动下，将不同通道的数字信号分配到8片DAC上； 

如图3所示，发射信号采样器（130）内部有1片高精度高速度的模数转换器（310），采用串行的数据传输方式，将多普勒计程仪的发射信号 进行数据采样后的数据，逐位传送到FPGA处理器中，多普勒计程仪的发射信号的频率较高，因此高速度和高精度的性质保证了采样的快速性能和准确性能，不丢失波形数据且精度高。 

模数转换器前端的信号调理电路（320）是对发射信号的衰减处理，大功率的多普勒计程仪的发射信号需要进行一定的信号衰减，将电压值幅度符合模数转换器的操作电压值。 

如图4所示，回波波形输出通道（140）内部有8片高精度高速度的数模转换器（410），将FPGA处理器中传送的模拟海底回波波束的数字信号，进行转换。回波信号是在发射信号频率的基础上叠加相应的频率偏移值，因此高速度和高精度的性质也同样保证了回波信号的快速性能和准确性能。 

数模转换器后端的信号调理电路（420）是对模拟的回波信号进行放大，使回波信号的幅值与多普勒计程仪的换能器的转换电压值相符合。 

实现过程中，为了保证波形的稳定性能，采用增加了参考电源（430），其功能是将数模转换器的转换误差维持在相应的误差范围内，减小实际操作环境中的电压波动给数模转换器带来的不良影响。 

Claims (6)

1.一种基于FPGA模拟多普勒计程仪海底回波信号的对接系统，其特征在于：系统由信号处理器（110）、发射信号触发通道（120）、发射信号采样器（130）与回波波形输出通道（140）四部分组成。其中，信号处理器（110）连接PC上位机（150），接收来自上位机的人工输入模拟参数的命令，并将数据上传上位机。所述的信号处理器（110）控制发射信号触发通道（120）、发射信号采样器（130）与回波波形输出通道（140）。 

所述的信号处理器（110）是数据处理的核心单元，以FPGA作为中央处理器，包含了波形采集与回放功能模块（210）、信号检测功能模块（220）、信号编码功能模块（230）、应答信号的产生功能模块（240）。波形采集与回放功能模块（210）、信号检测功能模块（220）都与存储控制器（250）相连，PC端信号交互控制器（260）是通过信号处理器（110）内的串口协议定义； 

所述的信号检测功能模块（220），用于快速接收并解码多普勒计程仪的发射信号。 

所述的应答信号的产生功能模块（240），应答信号的产生根据接收到PC机模拟的船舶行驶方向的速度（V_x），船舶垂直于行驶方向的速度（V_y）以及船舶行驶海域的深度（h）的数据指令。按照相应的指令，形成算法模拟不同方向的海底的回波信号。产生模拟多普勒计程仪的海底回波信号依据多普勒效应，多普勒效应的数学形式由式（1）所示： 

Δf=2Vsin(φ)×f₀/C……(1) 

Δf为偏移的频率值，V为船舶行驶速度，f₀为发射信号频率，C为海水中的声速。产生模拟不同方向的回波信号的频率，各个方向的回波信号频率设置由式2所示： 

f_h+x，f_h-x为船舶行驶方向的速度，f_h+y，f_h-y为船舶垂直行驶方向的速度，φ为波束与船舶中垂线的夹角，f_s为多普勒计程仪发射信号频率，V_x为船舶行驶方向的速度，V_y为船舶垂直于行驶方向的速度。 

所述的发射信号触发通道（120）主要完成对多普勒计程仪小功率发射进行可靠触发，选择合适的采样时间点，避免了误触发； 

所述的发射信号采样器（130）包含了高速高精度的模数转换器 （310）和发射信号所需信号调理电路（320）。模数转换器（310）用于对发射信号波形的采样，信号调理电路连接在模数转换器（310）的前端。 

所述的回波波形输出通道（140）包含了DAC通道（410）、回波波形回放所需的信号调理电路（420）、参考电源（430）。DAC通道使用高精度的数模转换芯片用于对模拟海底的回波信号。 

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：按照如上所述的模块，使用该系统在非海域环境下模拟多普勒计程仪测速所需的海底回波信号，系统工作有如下几个步骤： 

（1）发射信号首先由发射信号采样器（130）进行采样后，将采样后的信号送到波形采集与回放功能模块（210），信号处理器（110）对存储采样到的波形数据存储，同时将存储的波形上传到PC机； 

（2）步骤（1）采集到的波形信号同时作为信号处理器（110）的信号检测功能模块（220）的信号来源，用于对多普勒计程仪发射信号的频率和脉宽等参数进行检测，检验多普勒计程仪发射机工作是否正常； 

（3）步骤（2）检测的发射信号，按照PC机端操作人员发送的参数指令，信号处理器（110）通过相应的处理，通过信号编码功能模块（230），信号处理器（110）控制相位差和脉冲时间宽度以适应模拟的不同海域的海底回波信号； 

（4）经过步骤（3）处理的模拟海底回波信号，最后通过应答信号的产生功能模块（240），输出8路模拟海底回波的数字信号，同时应答信号也可以由存储在存储器的波形数据作为来源，应答信号采用循环方式分时应答，相邻两个波束应答信号间隔时间采用软件时延的方法，模拟的海底回波信号最终通过回波波形输出通道（140）输出。 

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：波形输出通道（140）包含8路独立通道，每一个通道都采用一片高精度并且高速度的数模转换芯片，将处理器产生的数字应答信号进行转换。 

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：模拟的多普勒频移信号通过改变数模转换器的输出频率来实现，应答信号输出频率改变方式是通过软件时延方法调用。 

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：应答信号的产生时刻的判别条件是根据多普勒计程仪发射信号的脉冲宽度与模拟的海底深度值的两个参数值进行比对计算后得出。 

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统工作在PC主机的内部PCI插槽上，不需要扩充外部电路。 

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