CN104360340A

CN104360340A - 多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器

Info

Publication number: CN104360340A
Application number: CN201410581938.7A
Authority: CN
Inventors: 陈祥余; 李海森; 邓平; 陈宝伟; 周天; 周雷; 朱建军; 孟元栋; 杜伟东; 魏玉阔; 王巍巍
Original assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; Harbin Engineering University; Offshore Oil Engineering Co Ltd
Current assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; Harbin Engineering University; Offshore Oil Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2015-02-18

Abstract

一种多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，包括：产生多波束海底数据的数据产生模块、与数据产生模块相连的控制模块、分别与控制模块相连的数据存储模块及数模转换模块、与数模转换模块相连的多通道海底回波信号；其中，控制模块上的控制接口和同步信号分别与被测试的多波束声纳相连，并多通道海底回波信号；而数据产生模块在接收到同步信号后，实时产生运动姿态和运动位置数据，并通过输出接口输出给需要测试的设备，同时，从控制模块上的秒脉冲信号接口输出秒脉冲信号。本发明能够在实验室里就可模拟真实的测量过程，解决了需将多波束声纳装置和辅助设备运输到特定海域进行实际测量的调试、测试方式所带来的高成本、周期长的问题。

Description

多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器

技术领域

本发明涉及信号模拟器，尤其涉及一种用于产生多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器。

背景技术

多波束声纳设备在探测海底地形地貌、建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学以及维护海洋权益等方面发挥着极其重要的作用。

现有的多波束声纳设备主要包括：多波束测深声纳装置、多波束侧扫声纳装置、多波束浅地层剖面仪等，其中，多波束声纳装置控制信号源和发射机，通过发射换能器阵向水体辐射声波信号，经探测目标散射的声信号由接收换能器阵接收，经过信号接收机的调理后被转换成数字信号，再经过一系列数字信号处理后，得到需要的测量结果。

由于测量载体的实时运动，其运动姿态和位置会对测量结果产生不可忽略的影响，因此，必须配备用于辅助测量的姿态传感器和定位系统，以便对测量结果进行实时或事后修正。而这类设备的研制生产过程中，设备各部分的调试以及性能测试是极其重要的环节。

目前，现有的调试、测试方式是将多波束声纳装置、多波束侧扫声纳装置、多波束浅地层剖面仪等设备和辅助设备运输到特定海域，并安装到测量载体上进行实际测量，因此，既耗费大量的人力、物力和财力成本，设备的生产、调试和测试周期也会相应增长，不利于设备的研制生产。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其不仅能够在实验室里就可模拟真实的测量过程，解决了需将多波束声纳装置和辅助设备运输到特定海域进行实际测量的调试、测试方式所带来的高成本、周期长的问题；而且，在测试过程中，能够方便的改变模拟信号的形式，以便于在不同测量条件下评估设备的性能；同时，节省了生产成本、缩短了调试周期。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：包括：产生多波束海底数据的数据产生模块、与数据产生模块相连的控制模块、分别与控制模块相连的数据存储模块及数模转换模块、与数模转换模块相连的多通道海底回波信号；其中，控制模块上的控制接口和同步信号分别与被测试的多波束声纳相连，控制模块在接收到同步信号后，从数据存储模块中读出海底回波数据，并写入数模转换模块中，进而，输出多通道海底回波信号；而数据产生模块在接收到同步信号后，实时产生运动姿态和运动位置数据，并通过运动姿态输出接口和运动位置输出接口输出给需要测试的设备，同时，从控制模块上的秒脉冲信号接口输出秒脉冲信号。

所述数据产生模块采用TMS320VC5509A型数字信号处理器(DSP)芯片作为主处理器，并通过EMIF接口和中断信号与控制模块相连，在获取海底回波、运动姿态和运动位置数据各种参数后，计算产生相应形式的多波束海底回波数据、运动姿态数据和运动位置数据；然后，再通过EMIF接口将数据传递给控制模块。

所述控制模块为：EP2C35F484C8N型大规模现场可编程门阵列(FPGA)芯片，其中的EMIF总线接口逻辑负责把现场可编程门阵列(FPGA)芯片内部的数据和命令存储空间映射到主处理器(DSP)的EMIF总线上，使得主处理器(DSP)能够访问这些空间。

所述数据存储模块和数模转换模块接口逻辑负责将数据产生模块在数据初始化阶段产生的多通道海底回波数据存入数据存储模块，同时，在正常工作阶段，把数据存储模块中的数据按顺序写入数模转换模块；运动姿态输出接口逻辑和运动位置输出接口逻辑用于实现2个标准的RS232接口协议，并发送模拟的姿态仪和定位设备发出的姿态和位置数据。

所述秒脉冲信号接口逻辑模拟了定位设备的秒脉冲信号；控制接口逻辑实现了一个标准的RS422接口协议，以接收声纳设备的控制命令并解码；同步信号接口逻辑接收了声纳设备的同步信号，经过处理后，发送给其它逻辑使用。

所述数据存储模块为：由数片IS61LV51216型大容量异步存储器组成；数模转换模块由数片AD5405型14位双通道并行同步加载数模转换器与低通滤波器连接组成。

所述数片大容量异步存储器中，每片大容量异步存储器存储8个通道的数据，每片大容量异步存储器与4个数模转换(DAC)芯片相连。

所述大容量异步存储器共用地址线和控制线，共用地址线和控制线由现场可编程门阵列(FPGA)芯片控制；所有大容量异步存储器的数据线单独连接到现场可编程门阵列(FPGA)芯片上，4个数模转换(DAC)芯片与对应的大容量异步存储器共用数据线；对应位置数模转换(DAC)芯片的控制线共用，由现场可编程门阵列(FPGA)芯片控制，分别连接到现场可编程门阵列(FPGA)芯片上。

所述多通道海底回波信号的数据由单个主处理器(DSP)计算产生，在初始化阶段将这些数据存储于大容量异步存储器(RAM)中，发送信号时，再读出写入DAC芯片中。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，不仅能够在实验室里就可模拟真实的测量过程，解决了需将多波束声纳装置和辅助设备运输到特定海域进行实际测量的调试、测试方式所带来的高成本、周期长的问题；而且，在测试过程中，能够方便的改变模拟信号的形式，以便于在不同测量条件下评估设备的性能；同时，节省了生产成本、缩短了调试周期。

附图说明

图1为本发明结构方框示意图。

图2为本发明主处理器(DSP)内部程序流程图。

图3为本发明利用大规模现场可编程门阵列(FPGA)实现的控制模块内部逻辑功能框图。

图4为本发明数据存储模块和数据转换模块功能框图。

图中主要标号说明：

1.数据产生模块、2.控制模块、3.数据存储模块、4.数模转换模块、5.控制接口、6.同步信号、7.运动姿态输出接口、8.运动位置输出接口、9.秒脉冲信号接口、10.多通道海底回波信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：产生多波束海底回波数据、运动姿态数据和运动位置数据的数据产生模块1、与数据产生模块1相连的控制模块2、分别与控制模块2相连的数据存储模块3及数模转换模块4、与数模转换模块4相连的多通道海底回波信号10，其中，控制模块2上的控制接口5和同步信号6分别与被测试的多波束声纳装置相连，控制模块2在接收到同步信号后，从数据存储模块1中读出海底回波数据，并写入数模转换模块4中，进而，输出多通道海底回波信号；而数据产生模块1在接收到同步信号6后，实时产生运动姿态和运动位置数据，并通过运动姿态输出接口7和运动位置输出接口8输出给需要测试的设备，同时，从控制模块2上的输出秒脉冲信号接口9输出秒脉冲信号。

为实现数据产生模块1的功能，本方案采用了TI公司的低功耗TMS320VC5509A型数字信号处理器(DSP)芯片作为主处理器，并通过EMIF接口和中断信号与控制模块2相连，在获取海底回波、运动姿态和运动位置数据的各种参数信息后，计算产生相应形式的多波束海底回波数据、运动姿态数据和运动位置数据；然后，再通过EMIF接口将数据传递给控制模块；控制模块2上设有控制接口5、同步信号6、运动姿态输出接口7、运动位置输出接口8、秒脉冲信号9；且上述各功能模块是采用数字信号处理器+现场可编程门阵列+静态存储器+数模转换器(DSP+FPGA+SRAM+DAC)方式实现的其各模块的功能。

如图2所示，给出了主处理器(DSP)内部的程序流程图，当控制模块2探测到需要重新产生多通道海底回波数据或者同步信号到达时，通过主处理器(DSP)外部中断通知主处理器(DSP)，主处理器(DSP)在中断服务程序中设置相应标志；主程序循环判断两个标志位是否有效，当初始化标志有效时，根据读取的参数信息重新计算多通道海底回波数据并把数据写入数据存储模块3，清除初始化标志，当同步信号标志有效时，根据读取的参数信息计算运动姿态和位置数据并把数据写入运动姿态输出接口7和运动位置输出接口8。

如图3所示，控制模块2是其它各模块之间的桥梁，根据所要实现的功能的特点，本发明选用Altera公司的EP2C35F484C8N型大规模现场可编程门阵列(FPGA)芯片来实现。其中的EMIF总线接口逻辑负责把现场可编程门阵列(FPGA)内部的命令和数据存储空间映射到主处理器(DSP)的EMIF总线上，使得数字信号处理器(DSP)芯片能够像访问通用异步存储器一样访问这些空间；数据存储模块3和数模转换模块4接口逻辑负责将数据产生模块1在数据初始化阶段产生的多通道海底回波数据存入数据存储模块3，同时，在正常工作阶段，把数据存储模块3中的数据按顺序写入数模转换模块4；运动姿态输出接口7接口逻辑和运动位置输出接口8接口逻辑用于实现2个标准的RS232接口协议，并发送模拟出的姿态和位置数据；秒脉冲信号9接口逻辑模拟了定位设备的秒脉冲信号；控制接口5逻辑实现了一个标准的RS422接口协议，以接收声纳设备的控制命令并解码；同步信号6接口逻辑接收声纳设备的同步信号，经过必要的处理后，发送给其它逻辑使用。

如图4所示，数据存储模块3的功能是存储多通道海底回波数据，同时，将多通道海底回波数据转换成多通道海底回波信号10。考虑到数据量、存取速度、信号质量等因素，本发明选用了数片IS61LV51216型大容量异步存储器组成了数据存储模块3；数模转换模块4由数片AD5405型14位双通道并行同步加载数模转换器与低通滤波器连接组成。

根据单片大容量异步存储器的容量和访问速度、信号采样频率等因素，每片大容量异步存储器存储8个通道的数据，每片大容量异步存储器与4个数模转换(DAC)芯片相连，总共80路的模拟信号，需要10片存储器和40片数模转换(DAC)芯片。

所有大容量异步存储器共用地址线和控制线，共用地址线和控制线由现场可编程门阵列(FPGA)芯片控制；所有大容量异步存储器的数据线单独连接到现场可编程门阵列(FPGA)芯片上，4个DAC芯片与对应的大容量异步存储器共用数据线；对应位置DAC芯片的控制线共用，由现场可编程门阵列(FPGA)芯片控制，分别连接到现场可编程门阵列(FPGA)芯片上。

本发明充分考虑了现场可编程门阵列(FPGA)芯片的多I/O特点，利用现场可编程门阵列(FPGA)芯片构建数个大容量异步存储器(SRAM)和并行DAC芯片总线接口，以数量换取时间，实现了多路信号的同时发送。

多通道海底回波信号有80路，产生80路的海底回波信号的数据需要大量的运算，如果利用主处理器(DSP)实时计算，由于主处理器(DSP)外部总线速度的限制，势必会增加设计中主处理器(DSP)的数量，本发明使用单个主处理器(DSP)计算，在初始化阶段将这些数据存储于大容量异步存储器(RAM)中，发送信号时，再读出写入DAC芯片中，这样的设计思想，降低了对主处理器(DSP)的要求，节省了硬件成本。

本发明的基本工作原理是：

使用时，将控制模块2上的控制接口5和同步信号6分别与被测试的多波束声纳装置相连，本发明将按照控制模块2上同步信号6的节拍工作，受控制接口5的命令控制。本发明上电后，处于初始化状态，数据产生模块1根据默认的参数产生多波束海底回波数据，把数据通过控制模块2存入数据存储模块3中，本发明进入工作状态。

工作过程中，本发明将按照控制模块2上同步信号6的节拍工作，控制模块2在接收到同步信号6后，从数据存储模块3中读出海底回波数据，并写入数模转换模块4，进而，输出多通道海底回波信号10；而数据产生模块1在接收到同步信号6后，实时产生运动姿态数据和运动位置数据，并通过运动姿态输出接口7和运动位置输出接口8输出给需要测试的设备，同时，输出秒脉冲信号9。当需要变换信号形式时，多波束声纳通过控制接口5传输信号参数给数据产生模块1和控制模块2，并使模拟器处于初始化状态，重新产生各种模拟数据并更新数据存储模块3，进入工作状态后即可响应同步信号6继续工作。

本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故不再进行赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：包括：产生多波束海底数据的数据产生模块、与数据产生模块相连的控制模块、分别与控制模块相连的数据存储模块及数模转换模块、与数模转换模块相连的多通道海底回波信号；其中，控制模块上的控制接口和同步信号分别与被测试的多波束声纳相连，控制模块在接收到同步信号后，从数据存储模块中读出海底回波数据，并写入数模转换模块中，进而，输出多通道海底回波信号；而数据产生模块在接收到同步信号后，实时产生运动姿态和运动位置数据，并通过运动姿态输出接口和运动位置输出接口输出给需要测试的设备，同时，从控制模块上的秒脉冲信号接口输出秒脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述数据产生模块采用TMS320VC5509A型数字信号处理器(DSP)芯片作为主处理器，并通过EMIF接口和中断信号与控制模块相连，在获取海底回波、运动姿态和运动位置数据各种参数后，计算产生相应形式的多波束海底回波数据、运动姿态数据和运动位置数据；然后，再通过EMIF接口将数据传递给控制模块。

3.根据权利要求1所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述控制模块为：EP2C35F484C8N型大规模现场可编程门阵列(FPGA)芯片，其中的EMIF总线接口逻辑负责把现场可编程门阵列(FPGA)芯片内部的数据和命令存储空间映射到主处理器(DSP)的EMIF总线上，使得主处理器(DSP)能够访问这些空间。

4.根据权利要求1所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述数据存储模块和数模转换模块接口逻辑负责将数据产生模块在数据初始化阶段产生的多通道海底回波数据存入数据存储模块，同时，在正常工作阶段，把数据存储模块中的数据按顺序写入数模转换模块；运动姿态输出接口逻辑和运动位置输出接口逻辑用于实现2个标准的RS232接口协议，并发送模拟的姿态仪和定位设备发出的姿态和位置数据。

5.根据权利要求1所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述秒脉冲信号接口逻辑模拟了定位设备的秒脉冲信号；控制接口逻辑实现了一个标准的RS422接口协议，以接收声纳设备的控制命令并解码；同步信号接口逻辑接收了声纳设备的同步信号，经过处理后，发送给其它逻辑使用。

6.根据权利要求1或4所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述数据存储模块为：由数片IS61LV51216型大容量异步存储器组成；数模转换模块由数片AD5405型14位双通道并行同步加载数模转换器与低通滤波器连接组成。

7.根据权利要求6所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述数片大容量异步存储器中，每片大容量异步存储器存储8个通道的数据，每片大容量异步存储器与4个数模转换(DAC)芯片相连。

8.根据权利要求6或7所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述大容量异步存储器共用地址线和控制线，共用地址线和控制线由现场可编程门阵列(FPGA)芯片控制；所有大容量异步存储器的数据线单独连接到现场可编程门阵列(FPGA)芯片上，4个数模转换(DAC)芯片与对应的大容量异步存储器共用数据线；对应位置数模转换(DAC)芯片的控制线共用，由现场可编程门阵列(FPGA)芯片控制，分别连接到现场可编程门阵列(FPGA)芯片上。

9.根据权利要求1所述的多波束声纳多通道海底回波及运动姿态位置模拟器，其特征在于：所述多通道海底回波信号的数据由单个主处理器(DSP)计算产生，在初始化阶段将这些数据存储于大容量异步存储器(RAM)中，发送信号时，再读出写入DAC芯片中。