CN105974399B - 一种相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法，包括：步骤1，主要芯片上电启动状态检测；步骤2，系统数据链路传输状态检测；步骤3，前端大规模信号调理电路及A/D采集电路状态检测；步骤4，复杂高速数字系统的波束形成算法模块状态检测。本发明设计以BIT设计要求为原则，实现自动准确定位三维声学摄像声纳系统故障，检测覆盖率高，故障定位周期短，极大地提高了设备的可测试性。

Description

一种相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法

技术领域

本发明涉及三维声学摄像技术领域，具体涉及一种相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法。

背景技术

相控阵三维声学摄像声呐系统是一种新型的实时三维成像声呐，它用一个声脉冲透射整个观察体积，利用相控阵技术同时产生上万个实时接收的波束信号，经过实时信号处理得到三维声呐图像。相控阵三维声学摄像声呐系统是一个相当庞大的电子产品，它是一个由数以千万计的元器件、零部件、结构件组成的具有特定功能的大型电子设备。它的特点是，系统复杂，由水上和水下两大部分组成，机电一体，数字模拟兼备，安装和工作环境差，因此对其可测试性要求较高。

传统的测试及故障定位方法会将设备从水下提起至岸边实验平台，打开设备机盖，对大量的元器件，包括CPU、FPGA、前端大规模信号调理电路、板间连接线等进行逐一测试，进行故障定位。传统的测试及故障定位方法定位故障操作复杂，周期长，还需要有经验的调试人员，故传统的测试已经不能满足系统或设备的测试性要求。

目前机内测试，简称BIT(Built-in Test)技术已成为改善系统或设备测试性与诊断能力的重要途径。BIT是指设备依靠自身的电路和程序来完成对系统的故障诊断和隔离，BIT也是提高系统可测试性，保证系统工作可靠性，减少系统维护费用的关键技术，它通过附加在系统内的软件和硬件对系统进行在线的故障检测。

国内对BIT的研究起步较晚，BIT的方法研究相对薄弱，对于相控阵三维声学摄像声呐系统的BIT研究尚处于空白，故亟需一种相控阵三维声学摄像声呐系统的BIT机内测试方法。

BIT设计的基本要求如下：

(l)BIT应该作为系统设计的一部分，从系统设计开始就加以考虑，BIT设计应该贯穿于产品设计的各个阶段；

(2)根据使用维修和测试要求，系统、分系统和设备都可分别设计必要的BIT电路；

(3)BIT故障检测器的设计应保证满足操作人员和维修人员的要求；

(4)BIT电路的可靠性必须高于被测设备的可靠性。BIT电路的故障率在任何情况下都不能超过被测试设备故障率的10％；

(5)BIT电路中的故障不影响系统功能；

(6)BIT必须设计成故障安全的，BIT电路本身的故障或连线错误应导致一个故障指示；

(7)BIT容差的设计应保证在预期的工作环境中故障检测率最大而虚警率低；

(8)BIT电路应尽可能应用微处理器和微诊断器用于测试与监控；

(9)设计增量限制，BIT电路和装置组成的电子系统设计的增量不应超过电子系统电路的10％；

(10)BIT电路或装置的重量、体积和功耗应不超过设计要求的限制；

(11)BIT设计费用要求：在满足设计要求的前提下，BIT的设计成本应该最低。

发明内容

本发明提供了一种相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法，以BIT设计要求为原则，实现自动准确定位三维声学摄像声纳系统故障，检测覆盖率高，故障定位周期短，极大地提高了设备的可测试性。

一种相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法，所述相控阵三维声学摄像声呐系统包括主控机PC、与主控机PC通讯连接的通讯处理器CPU、与通讯处理器CPU通讯连接的主信号处理机FPGA、与主信号处理机FPGA连接的至少一个子信号处理机FPGA，每个子信号处理机FPGA依次连接有信号调理和同步A/D采样电路，以及水声换能器，所述相控阵三维声学摄像声呐系统还包括：芯片状态检测器、模拟多路选择器、以及回波模拟器，其中芯片状态检测器与主控机PC、通讯处理器CPU、主信号处理机FPGA和各子信号处理机FPGA通信连接，模拟多路选择器与信号调理和同步A/D采样电路通讯连接，水声换能器通过模拟多路选择器与信号调理和同步A/D采样电路通讯连接，回波模拟器和模拟多路选择器通讯连接，所述的故障检测方法包括：

步骤1，通讯处理器CPU、主信号处理机FPGA、子信号处理机FPGA启动并向芯片状态检测器反馈启动状态，芯片状态检测器向主控机PC传输启动状态，若启动状态均为正常，则进行步骤2；

步骤2，对主控机PC和通讯处理器CPU的通讯链路，以及通讯处理器CPU和主信号处理机FPGA的通讯链路进行串行测试，对主处理机FPGA与各子处理机FPGA之间的通讯链路进行并行测试，测试结果反馈至芯片状态检测器，芯片状态检测器向主控机PC传输通讯链路测试结果，若测试结果均合格，则进行步骤3；

步骤3，回波模拟器产生各阵元间幅度相位已知的信号，并将该信号输出至阵元，经信号调理和同步A/D采样电路采样后，子信号处理机FPGA对采样数据进行处理，将得到的各通道的采样信号的幅度与相位，与回波模拟器产生的信号的幅度与相位进行比较，并将比较结果反馈至芯片状态检测器，芯片状态检测器向主控机PC传输比较结果，若幅度或相位均未超出阈值，则进行步骤4；

步骤4，回波模拟器产生二维空间中任意方向的回声信号，经信号调理和同步A/D采样电路采样后，子信号处理机FPGA和主信号处理机FPGA计算波束结果，并通过通讯处理器CPU传输至主控机PC，主控机PC将波束结果与理论计算结果进行比较，若波束计算结果和理论计算结果相符，则相控阵三维声学摄像声呐系统正常。

步骤1用于检测上电后，各主要部件是否能够正常启动，若能够正常启动，进行后续故障检测，若不能正常启动，则定位不能正常启动的部件。通过设置芯片状态检测器，满足BIT电路应尽可能应用微处理器和微诊断器用于测试与监控的要求。

步骤2用于检测通讯链路是否正常，即数据的传输是否正常，若数据传输正常，则进行后续故障检测，若数据传输不正常，则定位不正常的链路。

步骤3用于前端大规模信号调理电路及A/D采集电路的状态是否正常，若数据采样正常，则进行后续故障检测，若数据采样不正常，则定位有问题的采样通道。

作为优选，所述回波模拟器包括回波模拟器FPGA、x轴方向模数转换器(即模拟信号激励模块)、y轴方向模数转换器、以及模拟加法器构成，每个阵元对应连接一个模拟加法器，每个模数转换器对应一行或一列模拟加法器。

相控阵声纳前端设置分布式回波模拟器，分别在x轴方向和y轴方向进行相位幅度一致性检测。对于阵元数为M×N的二维平面接收阵列，此分布式回波模拟器只需M+N个模数转换器(DAC)，与传统回波模拟器所需M×N个DAC的方式相比，大大降低了硬件复杂度。

本发明提供的分布式测试方法，能够在庞大的采集阵列中快速定位有问题的模拟通道，同时，与传统单通道测试方法相比，大大简化了硬件电路复杂度，满足BIT设计增量限制。

作为优选，所述主控机PC和通讯处理器CPU之间通过千兆以太网通讯连接，通讯处理器CPU和主信号处理机FPGA之间通过PCIe通讯连接，主信号处理机FPGA和各子信号处理机FPGA之间通过LVDS接口进行通讯连接。

对千兆以太网，PCIe总线进行串行链路测试，同时，LVDS接口进行测试。千兆以太网与PCIe总线链路测试都与通讯处理器CPU连接，故两者需依次串行测试，而LVDS接口为主处理机FPGA与各子处理机FPGA之间的通讯接口，故可以与千兆以太网、PCIe总线进行串行链路测试并行执行，缩短测试时间。

作为优选，步骤4中，主控机PC将波束结果和理论计算结果以三维图像方式进行显示。

本发明对三维声学摄像声纳系统嵌入式硬件和嵌入式软件两个方面进行检测，包括主要器件、数据传输链路、前端大规模信号调理电路、A/D采集电路以及波束形成算法模块的检测，具有故障检测全面，覆盖故障多的特点。

本发明可以允许三维声学摄像声纳系统在水下工作，或者现场不具备打开设备的条件下，仅通过千兆以太网和RS485通讯接口准确定位出复杂的系统故障，极大提高了系统的可测试性。

本发明对三维声学摄像声纳系统检测阶段进行优化，缩短时间周期，提高故障检测效率。

附图说明

图1为本发明三维声学摄像声纳系统组成示意框图；

图2为本发明总体故障检测的流程示意图；

图3为本发明上电检测流程示意图；

图4为本发明系统数据链路传输状态检测示意图；

图5为本发明前端大规模信号调理电路示意图；

图6(a)和图6(b)为本发明波束形成算法检测结果示意图。

具体实施方式

为了更详细地描述本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明的方法做详细描述。

如图1所示，三维声学摄像声纳系统包含主控机PC、通讯处理器CPU、主信号处理机FPGA、子信号处理机FPGA、芯片状态检测器(采用高可靠性单片机)、模拟多路选择器、回波模拟器和水声换能器。

上电后，通讯处理器CPU、主信号处理机FPGA、子信号处理机FPGA将OK信号发送至芯片状态检测器，芯片状态检测器通过RS485串口发送信号至主控机PC。主控机PC与通讯处理器CPU之间通过千兆以太网进行数据交互，通讯处理器CPU与主信号处理机FPGA之间通过PCIE总线进行数据交互，主信号处理机FPGA与多个子信号处理机FPGA之间通过LVDS接口进行数据交互。

如图2所示，总体故障检测的流程如下：

首先，进行芯片上电启动状态检测，若各主要芯片启动成功，都发出OK信号时，则检测通过，进行下一步检测，否则停止检测，芯片状态检测器将未成功启动的芯片信息上传至主控机PC，由主控机PC显示检测状态；

其次，进行数据链路传输状态检测，当各数据链路检测通过时，进行下一步检测，否则停止检测，芯片状态检测器将错误链路信息上传至主控机PC，由主控机PC显示检测状态；

然后，进行前端模拟电路检测，当各个通道信号的幅度和相位检测通过时，进行下一步检测，否则停止检测，芯片状态检测器将错误通道信号上传至主控机PC，由主控机PC显示检测状态；

最后，进行波束形成算法模块检测，由回波模拟器产生二维空间中任意方向的回声信号，经过波束形成算法模块运算，将运算结果图像在主控机PC上显示，将其与理论计算图像进行比较，即可判断波束形成算法模块的正确性。

如图3所示，进行数据链路状态检测时，先后对千兆以太网、PCIe总线进行链路测试，同时，对LVDS接口进行测试。因千兆以太网与PCIe总线链路测试都与通讯处理器CPU连接，故两者需依次串行测试，而LVDS接口为主处理机FPGA与各子处理机FPGA之间的通讯接口，故可以并行执行，测试完成后，将链路状态经芯片状态检测器发送至主控机PC，主控机PC显示各个链路的测试状态。

如图4所示，回波模拟器由回波模拟器FPGA、x轴方向数模转换器DAC、y轴方向数模转换器DAC以及模拟加法器构成，由回波模拟器FPGA控制x轴方向数模转换器DAC与y轴方向数模转换器DAC，分别在x轴方向与y轴方向产生任意方向的模拟信号，经过模拟加法器将两信号叠加，即可产生二维空间中任意方向的回声信号。主信号处理机FPGA控制模拟多路选择器，在测试模式下，将回波模拟器的信号输出至阵元；在正常工作模式下，将水声换能器的信号输出至阵元。

如图5所示，回波模拟器的结构图，为方便起见，未画出模拟多路选择器。每个数模转换器DAC串行连接一行或一列模拟加法器，对于阵元数为M×N的二维平面接收阵列，沿x轴方向排列N行阵元，沿y轴方向排列M列阵元，每个阵元与对应的模拟加法器连接。回波模拟器FPGA只需控制M+N个DAC，即可产生二维空间中任意方向的回声信号。

在测试前端大规模信号调理电路时，由回波模拟器FPGA产生各阵元间幅度相位已知的信号，并经数模转换器DAC及模拟加法器输出至各阵元，经过信号调理电路及A/D采样后，子信号处理机FPGA对采样数据进行DFT运算(离散傅里叶变换)，可得到各个通道采集信号的幅度和相位，因回波模拟器FPGA产生的信号幅度相位已知，将两者进行比较判断，当幅度或相位误差超出预设的阈值时，发出报警信息，并提示具体的阵元号。

波束形成算法状态检测，由回波模拟器FPGA产生二维空间中任意方向的回声信号，经过信号调理电路及A/D采样通道，子信号处理机FPGA和主信号处理机FPGA的波束形成算法的运算，将波束结果通过通讯处理器CPU上传至主控机PC，主控机PC进行实时三维图像显示，将显示的图像与理论计算图像进行比较，能够迅速判断波束形成算法的正确性。

如图6(a)、图6(b)所示，当回波模拟器FPGA产生二维空间中任意方向的回声信号时，图6(a)为正确波束形成算法模块的结果，图6(b)为错误波束形成算法的结果。

Claims (4)

1.一种相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法，所述相控阵三维声学摄像声呐系统包括主控机PC、与主控机PC通讯连接的通讯处理器CPU、与通讯处理器CPU通讯连接的主信号处理机FPGA、与主信号处理机FPGA连接的至少一个子信号处理机FPGA，每个子信号处理机FPGA依次连接有信号调理和同步A/D采样电路，以及水声换能器，其特征在于，所述相控阵三维声学摄像声呐系统还包括：芯片状态检测器、模拟多路选择器、以及回波模拟器，其中芯片状态检测器与主控机PC、通讯处理器CPU、主信号处理机FPGA和各子信号处理机FPGA通信连接，模拟多路选择器与信号调理和同步A/D采样电路通讯连接，水声换能器通过模拟多路选择器与信号调理和同步A/D采样电路通讯连接，回波模拟器和模拟多路选择器通讯连接，所述的故障检测方法包括：

步骤1，通讯处理器CPU、主信号处理机FPGA、子信号处理机FPGA启动并向芯片状态检测器反馈启动状态，芯片状态检测器向主控机PC传输启动状态，若启动状态均为正常，则进行步骤2；

步骤2，对主控机PC和通讯处理器CPU的通讯链路，以及通讯处理器CPU和主信号处理机FPGA的通讯链路进行串行测试，对主处理机FPGA与各子处理机FPGA之间的通讯链路进行并行测试，测试结果反馈至芯片状态检测器，芯片状态检测器向主控机PC传输通讯链路测试结果，若测试结果均合格，则进行步骤3；

步骤3，回波模拟器产生各阵元间幅度相位已知的信号，并将该信号输出至阵元，经信号调理和同步A/D采样电路采样后，子信号处理机FPGA对采样数据进行处理，将得到的各通道的采样信号的幅度与相位，与回波模拟器产生的信号的幅度与相位进行比较，并将比较结果反馈至芯片状态检测器，芯片状态检测器向主控机PC传输比较结果，若幅度或相位均未超出阈值，则进行步骤4；

步骤4，回波模拟器产生二维空间中任意方向的回声信号，经信号调理和同步A/D采样电路采样后，子信号处理机FPGA和主信号处理机FPGA计算波束结果，并通过通讯处理器CPU传输至主控机PC，主控机PC将波束结果与理论计算结果进行比较，若波束计算结果和理论计算结果相符，则相控阵三维声学摄像声呐系统正常。

2.如权利要求1所述的相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法，其特征在于，所述回波模拟器包括回波模拟器FPGA、x轴方向模数转换器、y轴方向模数转换器、以及模拟加法器构成，每个阵元对应连接一个模拟加法器，每个模数转换器对应一行或一列模拟加法器。

3.如权利要求2所述的相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法，其特征在于，所述主控机PC和通讯处理器CPU之间通过千兆以太网通讯连接，通讯处理器CPU和主信号处理机FPGA之间通过PCIe通讯连接，主信号处理机FPGA和各子信号处理机FPGA之间通过LVDS接口进行通讯连接。

4.如权利要求3所述的相控阵三维声学摄像声呐系统的故障检测方法，其特征在于，步骤4中，主控机PC将波束结果和理论计算结果以三维图像方式进行显示。