CN108267744A - 一种模块化嵌入式侧扫声纳系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块和通信与显控模块；所述的模拟信号处理模块包括换能器、发射机模块以及接收机模块，所述的数字信号处理模块包括信号处理模块和数据存储模块，所述的通信与显控模块包括实现信号采集处理，以及侧扫声纳数据传输存储的硬件逻辑电路以及与系统相匹配的声纳数据显示软件。本发明中，采用ARM+FPGA的SoC嵌入式系统，实现了高频率、宽范围的水下探测，系统可灵活的搭载在多种有缆或者无缆水下作业平台上，具有很强的适用性。

Description

一种模块化嵌入式侧扫声纳系统

技术领域

本发明属于水下探测领域，涉及一种侧扫声纳系统，具体地说是一种模块化嵌入式侧扫声纳系统。

背景技术

侧扫声纳是海洋探测重要工具之一，其成像分辨率高，能得到连续的实时二维海底图像，因此在海洋研究中被广泛应用。侧扫声纳的基本工作原理是：侧扫声纳系统的换能器阵安装在水下拖曳体的两侧，左右两条换能器线阵分别向水中倾斜发射声脉冲，照射出一条垂直航行方向的窄梯形海底，其中脉冲信号以球面波的形式向外传播，遇到水中物体或是碰到海底后，反射波或反向散射波返回到接受换能器，回波信号幅度的大小反映海底起伏情况以及地质类型的软硬信息。

从七十年代开始侧扫声纳经历了从舷挂式到拖曳式，从单频到多频、从单波束到多波束的发展过程，目前已经从传统型侧扫声纳拓展为测深侧扫声纳、相干侧扫声纳、多波束侧扫声纳等多类型多元化的侧扫声纳系统。但是，目前这些侧扫声纳系统基本都是专门针对特定的拖曳体或者水下运动平台设计，不仅电路结构分复杂，其造价和成本高，而且其通用性和灵活性受到很大限制。随着科技的发展，水下作业平台趋向于多样化，同时声纳系统的结构也根据搭载平台的特性进行着功能优化。传统的侧扫声呐只能拖曳工作，并需要有电缆实时的把数据传给上位机，而像AUV、UUV这类无缆水下机器人作业平台，无法实时的上传声纳数据，因此研究一种模块化、嵌入式的适用性更强、可灵活搭载在多种水下作业平台上的新型侧扫声纳系统很有必要。

发明内容

针对上述问题，本发明结合传统侧扫声纳提供了一种精简、优化的模块化嵌入式侧扫声纳系统。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种模块化嵌入式侧扫声纳系统包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、通信与显控模块；所述的模拟信号处理模块包括发射机模块、接收机模块以及换能器，其中，所述的发射机模块对数字脉冲信号进行处理并送至发射换能器，所述的接收机模块对换能器接收到的海底散射信号进行放大、滤波等处理，并送至数字信号处理模块，所述的换能器实现电信号与声波信号之间的转换，采用收发合置的形式；所述的数字信号处理模块包括信号处理模块和数据存储模块，所述的信号处理模块对声纳信号进行采集、处理，所述的数据存储模块对声纳信号存储以及对各种传感器数据采集和存储；所述的通信与显控模块包括实现信号采集处理、侧扫声纳数据传输存储的硬件逻辑电路以及与系统相匹配的嵌入式声纳数据显示软件。

本发明还包括这样一些特征：

所述的发射机模块包括：信号驱动转换电路、功率放大器以及变压器，其中，信号驱动转换电路、功率放大器、变压器依次电信号连接。

所述的接收机模块包括：信号转换电路、前置差分放大电路、程控增益放大电路、混频电路、滤波器以及后置放大电路，其中信号转换电路、前置差分放大电路、程控增益放大电路、混频电路、滤波器、后置放大电路依次电信号连接。

所述的信号处理模块包括：FPGA处理器、ADC模块、DAC模块、DDS模块以及传感器模块，其中，以FPGA处理器为中心分别与ADC模块、DAC模块、DDS模块以及传感器模块电信号连接。

所述的数据存储模块包括：声纳数据接收/发送模块、ARM处理器控制模块、可扩展数据存储模块以及数据导出模块，其中，声纳数据接收/发送模块、ARM处理器控制模块、可扩展数据存储模块以及数据导出模块依次电信号连接。

本发明的有益效果是：其一、模块化嵌入式侧扫声纳系统的精简和优化，既可以兼顾常规直接有缆拖曳方式工作，也可以灵活的嵌入到多种水下作业平台上，实现了资源的灵活性，具有很强的通用性；其二、实现了高频率、宽范围的水下探测，能够得到连续的实时二维海底图像；其三、为无缆作业的水下设备提供了高效地记录声纳数据的功能，用户可以实时使用或后期对存储的声纳数据进行下载；其四、ARM模块化嵌入式系统与FPGA 处理器集成在一个SoC芯片上协同工作，灵活性高，控制能力强，节约了传统侧扫声纳的成本和空间，FPGA与ARM之间的数据传输，采用Cyclone V SoC系统所特有的高速桥接传输协议，使系统的数据传输速度较传统侧扫声纳系统提高了20%左右。

附图说明

图1是模块化嵌入式侧扫声纳系统设计框图；

图2是发射机结构框图；

图3是接收机结构框图；

图4是数字信号处理模块结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的工作原理，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块以及通信与显控模块；参照图1并结合图4所示，所述的模拟信号处理模块由发射机模块、接收机模块以及换能器组成，其中，所述的换能器实现电信号与声波信号之间的转换，采用收发合置的形式；所述的数字信号处理模块由信号处理模块和数据存储模块组成，所述的信号处理模块包括FPGA处理器、DAC模块、ADC模块以及传感器模块，所述的数据存储模块包括声纳数据接收/发送模块、ARM处理器控制模块、可扩展数据存储模块、数据导出模块。

本发明提供的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统中，所述的发射机模块由信号驱动转换电路、功率放大电路、变压器组成；参照图2所示，所述的发射机模块接收FPGA产生的脉冲信号，经信号驱动转换电路、功率放大电路、变压器处理后，传送至发射换能器，其中功率放大电路采用D类功放电路，发射机频率为100kHz/500kHz，发射信号类型为CW/Chrip信号，脉冲宽度根据信号类型而定。

本发明提供的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统中，所述的接收机模块由信号转换电路、前置放大电路、程控增益电路、混频电路、滤波器、后置放大电路组成；参照图3所示，信号转换电路输入由接收换能器传送的信号，经前置差分放大电路、程控增益电路、混频电路、滤波器、后置放大电路处理后，传送至所述的信号处理模块的ADC模块进行模数转换，其中滤波器为低通滤波器和带通滤波器。

参照图4所示，本发明提供的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统中，所述的数字信号处理模块采用模块化嵌入式SoC系统，包括信号处理模块和数据存储模块，信号处理模块基于FPGA处理器对数据进行采集处理；数据存储模块采用ARM的嵌入式系统，完成对传感器数据的采集、声纳工作参数的调控、声纳数据的存储记录等工作任务。

本发明提供的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统中，所述的通信与显控模块包括实现信号采集处理，以及侧扫声纳数据传输存储的硬件逻辑电路以及与系统相匹配的声纳数据显示软件。参照图4并结合图1所示，在信号采集模块中，通过硬件描述语言实现FPGA对DAC模块、ADC模块、DDS模块、传感器模块的驱动与控制，完成对基阵两侧采集到的回波信号数据野值剔除以及包络检波等信号处理；数据存储模块中，通过C语言设定ARM处理器实时接收搭载平台控制系统发送的操作指令，接收到工作指令后，ARM向FPGA处理器发送请求数据交互的指令，FPGA处理器对请求指令进行判断后，FPGA发送左/右舷数据给ARM系统，ARM存储数据；在设备结束工作后用户可以将存储的侧扫声纳数据进行下载，导出的数据由指定的显控软件进行显示。

进一步地说明本发明的工作原理为：利用DDS在FPGA平台开发的波形信号发生器，产生的信号由DA转换器转换为模拟信号通过发射机处理后，经发射换能器转换为声波信号发射，声波信号向外传播，遇到水中物体或是碰到海底，反射波或反向散射波返回到接收换能器，接收换能器将接收的回波信号转换为电信号，经接收机模块放大、滤波等处理后传递至ADC模块，AD转换电路将模拟信号转换为数字信号传送至FPGA处理器，FPGA对两侧采集到的回波信号进行数据野值剔除以及包络检波等信号处理，其中为了得到高质量的图像，每一侧取1024点数据；同时ARM处理器接收搭载平台控制系统预置的操作指令，其中包括对侧扫声纳工作参数和对存储模块工作状态的设置，当接收到工作指令后，ARM处理器向FPGA处理器发送请求数据交互的指令，其指令主要作用是对频率、测量范围、增益等声纳工作参数进行设定，同时请求左/右舷数据。FPGA处理器对请求指令进行判断，然后发送左/右舷数据给ARM系统，由ARM系统存储。

ARM处理器用于采集来自GPS和姿态等传感器的数据，对GPS数据的经纬度信息、航速信息进行解析，以及记录实时的姿态信息，包括俯仰角、横滚角、偏航角。ARM处理器将接收到的声纳数据和GPS数据实时记录在存储设备中，在设备结束工作后用户可以将存储的侧扫声纳数据进行下载，导出的数据由指定的显控软件进行显示，可以根据航行时间，经纬度等信息来对侧扫声纳声图进行分析和判读。

Claims (7)

1.一种模块化嵌入式侧扫声纳系统其特征在于：可以灵活方便地以模块化形式、嵌入到各种有缆或者无缆水下作业平台，它包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、通信与显控模块，所述的模拟信号处理模块包括换能器、发射机模块以及接收机模块，其中，换能器采用收发合置的形式，所述的数字信号处理模块采用模块化嵌入式SoC系统，包括信号处理模块和数据存储模块，所述的通信与显控模块包括实现信号采集处理，以及侧扫声纳数据传输存储的硬件逻辑电路，以及与系统相匹配的嵌入式声纳数据显示软件。

2.根据权利要求1所述的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，其特征在于：所述的发射机模块包括信号驱动转换电路、功率放大器以及变压器，其中，信号驱动转换电路、功率放大器、变压器依次电信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，其特征在于：所述的接收机模块包括信号转换电路、前置差分放大电路、程控增益放大电路、混频电路、滤波器以及后置放大电路，其中信号转换电路、前置差分放大电路、程控增益放大电路、混频电路、滤波器、后置放大电路依次电信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，其特征在于：所述的信号处理模块基于FPGA处理器对数据进行采集处理，包括FPGA处理器、ADC模块、DAC模块、DDS模块以及传感器模块，其中，以FPGA处理器为中心分别与ADC模块、DAC模块、DDS模块以及传感器模块电信号连接。

5.根据权利要求1所述的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，其特征在于：所述的数据存储模块采用ARM的嵌入式系统，包括声纳数据接收/发送模块、ARM处理器控制模块、可扩展数据存储模块以及数据导出模块，其中，声纳数据接收/发送模块、ARM处理器控制模块、可扩展数据存储模块以及数据导出模块依次电信号连接。

6.根据权利要求2所述的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，其特征在于：所述的发射模块接收FPGA产生的信号，经信号驱动转换电路、功率放大电路、变压器传输给发射换能器。

7.根据权利要求3所述的一种模块化嵌入式侧扫声纳系统，其特征在于：所述的接收机模块的信号转换电路输入由接收换能器传递的信号，经前置差分放大电路、程控增益电路、混频电路、滤波器、后置放大电路处理后，传送至所述的信号采集模块的ADC模块进行模数转换，其中滤波器为低通滤波器和带通滤波器。