CN110954908B - 基于fpga的探鱼器多普勒频移快速搜索系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统及方法，该系统包含FPGA控制芯片、复位模块、晶振模块、保险丝模块、滤波模块、电源模块、FIFO缓存模块、通信模块、ADC模数转换模块、发射模块、接收模块和换能器，该方法包含以下具体步骤：1接收到的信号经过ADC模数转换模块完成数据的采集，并将数据存入FIFO缓存模块；2利用FPGA控制芯片将数据进行多路重采样，同时解调；3将得到的数据进行相关运算之后的结果进行比较，最后确定最优值。本发明解决的探鱼器的待机时间较短的问题，通过使用低功耗的FPGA硬件，极大提高运算效率，可以极大地降低电力损耗，从而延长探鱼器的工作时间，而且在复杂数据环境下的适应能力显著提升。

Description

基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统及方法，属于海洋测绘技术领域。

背景技术

随着海洋探测开发事业的发展，解决水下目标的感知和传递的问题，越来越受到人们的重视。水声学就是解决海洋中信息的传递和处理的科学。水声学主要研究声波在水下的辐射、传递与接受，用以解决与水下目标探测和信息传递过程有关的各种声学问题。作为信息载体的声波，在海洋中形成声场的时空结构，成为近代水声学的基础研究内容，而提取海洋中声场信息的时空结构式我们用来进行水下探测、识别、通讯及环境监测等的手段，例如远距离目标探测海洋资源开发及鱼群探测等。

伪随机序列码有近似噪声的特性、抗干扰、抗侦破能力强。伪随机序列码可以用M序列发生器实现。M序列有很好的伪随机性和相关特点，但数量较少，Gold码是R.Gold提出的，产生Gold码的方法很多，它是用一对优选的周期和速率相同的M序列的移位寄存器串联或并联得到的，通常采用并联结构，即将两个M序列进行‘模二加’后输出。而基于M序列产生的Gold码继承了M序列的许多优点，更重要的是Gold码序列的数量较多，因此广泛应用于扩频通信系统中。

扩频通信技术是一种信息传输方式，基带信号经过伪随机码的调制，变成大带宽的扩频信号,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的扩频码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的。扩谱系统中载波的同步包括捕获和跟踪两个过程，载波捕获即多普勒频移的粗略估计通常包含在伪码同步过程中，而精确的载波相位及多普勒频移变化跟踪则通过载波参数估计器或反馈跟踪控制环实现。

多普勒频移（Doppler Shift）是指当移动目标以一定地速率沿径向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。

现有技术中多普勒频移的搜索是通过单片机的CPU里基本的逻辑控制单元来串行执行程序的，占用时间较长，而FPGA的并行运行可以显著地提升搜索的速度。FPGA的并行计算原理则是设计相互并列的多组计算单元，在进行数据处理和计算时，每组需要处理的数据分配一个计算单元，多组计算单元同时进行数据处理和运算，既是同时进行了多组数据的处理，大大缩短了计算时间，由此实现了FPGA的并行运行。

现有探鱼器不能快速准确判断鱼群的当前位置，不能判断当前鱼群的速度和方向，如果能够利用FPGA的运算特点那么探鱼器可以快速获取当前鱼群的位置，极大地降低电力损耗，延长工作时间。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服现有技术中存在的不足，提供了一种基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统及方法，便于对鱼类目标在水下进行目标信息的采集，针对环境要求较高的鱼类提供了一种生物远程监测手段，提高实验检测效率和精度。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明的本发明涉及一种基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统，包含FPGA控制芯片、复位模块、晶振模块、保险丝模块、滤波模块、电源模块、FIFO缓存模块、通信模块、ADC模数转换模块、发射模块、接收模块和换能器，所述的复位模块、晶振模块、保险丝模块、滤波模块、电源模块、FIFO缓存模块、通信模块和ADC模数转换模块分别与FPGA控制芯片电性连接，电源模块为整个系统供电。

所述的FPGA控制芯片用于将FIFO缓存模块中的大量数据同步进行多路数据重采样，并且同时进行信号的解调，做与参考信号求相关性的运算之后，对结果和数据阈值进行判断，并将合格的结果进行发射，以此作为参考信号参与多普勒频移的搜索过程。

所述的复位模块用于使整个系统电路恢复到起始状态，使系统重新开始计算。

所述的晶振模块用于提供时序控制的标准时刻，为整个系统提供基本的时钟信号。

所述的保险丝模块用于保护电路，当电流过大时，电流做功发热，保险丝熔断，造成断路，起到限制电流、保护其他电子器件的作用。

所述的滤波模块用于滤去整流输出电压中的纹波，由电抗元件组成，在负载两端并联电容器C。

所述的通信模块用于接收FPGA控制芯片中的合格数据，并将合格数据发射给输出端显示、判决。

所述的FPGA控制芯片采用的是Actel公司推出的IGLOO系列的FPGA，该系列FPGA实现了微瓦级的功耗设计，能大大降低对电量的损耗。

工作时，鱼探仪用来测深和探测目标的超声波由换能器产生，换能器实现电能与声能的相互转换，超声波遇到水底、鱼及障碍物等物体时会发生反射和散射，反射波的强度根据反射物不同而不同，这主要是物体的自身性质不同，反射和散射信号的能力不同，在接收时换能器将声信号转换成电压信号，经过滤波模块滤波、放大后由FIFO缓存模块存储起来，然后进行算法处理。

基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索方法，包含以下具体步骤：

步骤1：探鱼器的发射模块发射出的信号被接接收模块收，接收到的信号经过ADC模数转换模块完成数据的采集，并将数据存入FIFO缓存模块。

步骤2：利用FPGA控制芯片把FIFO缓存模块中的数据根据频率的偏移值进行多路重采样，并对每一路同时解调，随后即与参考的基准信号进行相关运算。每一路都自行确定搜索方向，这样会极大提高搜索效率，节省搜索所需时间。

步骤3：将得到的数据进行相关运算之后的结果进行比较，首先判断那组数据相关运算后的值超过规定的阈值；如果所有结果没有超过设定的阈值，就将所有的数据全部舍去，再重复前面几步；如果有一组或多组数据结果超过设定的阈值，就取这些数据中的最大值为最优值。能够将实际值参与数据的判断之中去，可以提高程序的适应性，提升其面对复杂数据环境下的自我修正的能力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.解决了在FPGA上进行最终实现多普勒频移的确定的一种方法——通过多路运算进行，这样会极大提高运算效率。2.解决的探鱼器的待机时间较短的问题，通过使用低功耗的FPGA系列硬件方案，可以极大地降低电力损耗，从而延长探鱼器的工作时间。3.将实际得到的一部分最优结果参与运算，提升该方案在复杂数据环境下的适应能力，是该方法在面对不同的实际情况下都有一定的适应能力。4.解决了现有探鱼器在采集到数据之后不能快速计算鱼群移动速度得出分析结果的问题，可以更快速的找到鱼群位置，根据偏差计算鱼群的径向速度，提高了探鱼器解决实际问题的能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作流程示意图。

图中：1. FPGA控制芯片，2. 复位模块，3. 晶振模块，4. 保险丝模块，5. 滤波模块，6. 电源模块，7. FIFO缓存模块，8. 通信模块，9. ADC模数转换模块，10. 发射模块，11. 接收模块，12. 换能器，13. 输出端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，本发明涉及一种基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统，包含FPGA控制芯片1、复位模块2、晶振模块3、保险丝模块4、滤波模块5、电源模块6、FIFO缓存模块7、通信模块8、ADC模数转换模块9、发射模块10、接收模块11和换能器12，所述的复位模块2、晶振模块3、保险丝模块4、滤波模块5、电源模块6、FIFO缓存模块7、通信模块8和ADC模数转换模块9分别与FPGA控制芯片1电性连接，电源模块6为整个系统供电。

所述的FPGA控制芯片1用于将FIFO缓存模块7中的大量数据同步进行多路数据重采样，并且同时进行信号的解调，做与参考信号求相关性的运算之后，对结果和数据阈值进行判断，并将合格的结果进行发射，以此作为参考信号参与多普勒频移的搜索过程。

所述的复位模块2用于使整个系统电路恢复到起始状态，使系统重新开始计算。

所述的晶振模块3用于提供时序控制的标准时刻，为整个系统提供基本的时钟信号。

所述的保险丝模块4用于保护电路，当电流过大时，电流做功发热，保险丝熔断，造成断路，起到限制电流、保护其他电子器件的作用。

所述的滤波模块5用于滤去整流输出电压中的纹波，由电抗元件组成，在负载两端并联电容器C。

所述的通信模块8用于接收FPGA控制芯片中的合格数据，并将合格数据发射给输出端显示、判决。

所述的FPGA控制芯片1采用的是Actel公司推出的IGLOO系列的FPGA，该系列FPGA实现了微瓦级的功耗设计，能大大降低对电量的损耗。

工作时，鱼探仪用来测深和探测目标的超声波由换能器12产生，换能器12实现电能与声能的相互转换，超声波遇到水底、鱼及障碍物等物体时会发生反射和散射，反射波的强度根据反射物不同而不同，这主要是物体的自身性质不同，反射和散射信号的能力不同，在接收时换能器12将声信号转换成电压信号，经过滤波模块5滤波、放大后由FIFO缓存模块7存储起来，然后进行算法处理。

基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索方法，包含以下具体步骤：

步骤1：探鱼器的发射模块10发射出的信号被接接收模块11收，接收到的信号经过ADC模数转换模块9完成数据的采集，并将数据存入FIFO缓存模块7。

步骤2：利用FPGA控制芯片1把FIFO缓存模块7中的数据根据频率的偏移值进行多路重采样，并对每一路同时解调，随后即与参考的基准信号进行相关运算。每一路都自行确定搜索方向，这样会极大提高搜索效率，节省搜索所需时间。

步骤3：将得到的数据进行相关运算之后的结果进行比较，首先判断那组数据相关运算后的值超过规定的阈值；如果所有结果没有超过设定的阈值，就将所有的数据全部舍去，再重复前面几步；如果有一组或多组数据结果超过设定的阈值，就取这些数据中的最大值为最优值。能够将实际值参与数据的判断之中去，可以提高程序的适应性，提升其面对复杂数据环境下的自我修正的能力。

以其中一路信号为例，首先确定第一信号相关性和第二信号相关性；所述第一信号相关性为接收信号在第一搜索频率点与参考信号之间的信号相关性，所述第二信号相关性为接收信号在第二搜索频率点与参考信号之间的信号相关性；第一搜索频率点为第二搜索频率点的前一个搜索频率点；根据第一信号相关性和第二信号相关性之间的数值关系，确定第一搜索方向；根据第一搜索方向上的至少一个搜索频率点对应的信号相关性，确定信号相关性峰值对应的搜索频率点；基于信号相关性峰值对应的搜索频率点，确定多普勒频移，最终实现多普勒频移的确定。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统，其特征在于，包含FPGA控制芯片、复位模块、晶振模块、保险丝模块、滤波模块、电源模块、FIFO缓存模块、通信模块、ADC模数转换模块、发射模块、接收模块和换能器，所述的复位模块、晶振模块、保险丝模块、滤波模块、电源模块、FIFO缓存模块、通信模块和ADC模数转换模块分别与FPGA控制芯片电性连接，电源模块为整个系统供电，所述的保险丝模块用于保护电路；

所述的FPGA控制芯片用于将FIFO缓存模块中的大量数据同步进行多路数据重采样，并且同时进行信号的解调，做与参考信号求相关性的运算之后，对结果和数据阈值进行判断，并将合格的结果进行发射，以此作为参考信号参与多普勒频移的搜索过程；

所述的复位模块用于使整个系统电路恢复到起始状态，使系统重新开始计算；

所述的晶振模块用于提供时序控制的标准时刻，为整个系统提供基本的时钟信号；

所述的滤波模块用于滤去整流输出电压中的纹波，由电抗元件组成；

所述的通信模块用于接收FPGA控制芯片中的合格数据，并将合格数据发射给输出端显示、判决；

一种基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索方法，其特征在于，包含以下具体步骤：

步骤1：探鱼器的发射模块发射出的信号被接接收模块收，接收到的信号经过ADC模数转换模块完成数据的采集，并将数据存入FIFO缓存模块；

步骤2：利用FPGA控制芯片把FIFO缓存模块中的数据根据频率的偏移值进行多路重采样，并对每一路同时解调，随后即与参考的基准信号进行相关运算；

步骤3：将得到的数据进行相关运算之后的结果进行比较，首先判断那组数据相关运算后的值超过规定的阈值；如果所有结果没有超过设定的阈值，就将所有的数据全部舍去，再重复前面几步；如果有一组或多组数据结果超过设定的阈值，就取这些数据中的最大值为最优值。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的探鱼器多普勒频移快速搜索系统，其特征在于，所述的FPGA控制芯片采用的是Actel公司推出的IGLOO系列的FPGA。

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