基于FPGA的声纳信号采集系统设计

作     者：刘凯 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐华;王奇

授予年度：2023年

学科分类：082403[工学-水声工程] 08[工学] 082601[工学-武器系统与运用工程] 0826[工学-兵器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：声纳信号 改进小波阈值法 时频分析 同步采集 FPGA 

摘      要：声纳浮标是一种现代海军反潜作战中应用较为广泛的水下目标探测设备,主要用于反潜作战初期大范围搜索阶段。声波是目前已知唯一能在水中远距离传播的能量形式,随着海洋水下和水上船只潜艇的数量增加,近年来声纳浮标的采集系统逐渐从单通道发展为较复杂的多通道同步采集,同时逐渐使用高精度的集成电路进行接收信号处理和传输。因此对于声纳信号采集系统的发展,小型化硬件、实时性和声纳信号处理算法是水声采集领域的重点研究内容。本文结合某型航空声纳浮标核心采集系统的研制要求,设计了一个应用在声纳浮标下电子舱中的水声信号采集系统。根据项目指标要求,设计声纳信号采集系统的总体方案。为了确保采集系统硬件平台小型化,便于后续升级,硬件采用模块化设计并进行电路仿真。信号调理电路中滤波和部分增益设计为范围可调,适用多种场合。采用Cyclone IV系列FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程的门阵列)为核心的高度集成化设计,完成采集控制、数据采集、缓存和转发等功能,提升系统的可靠性与稳定性。海底环境复杂,针对水声采集数据中存在噪音的问题,采用小波改进阈值法进行去噪,使用CW脉冲波模型作为海底声信号,双模噪音模拟采集信号中的海底噪音。为了便于采样数据的实时分析,使用QT开发采集系统上位机,用于接收采集数据并进行处理,绘制采样数据的波形和LOFAR(Low Frequency Acquisition and Recording,低频全向分析与记录)谱图可以更好的展示信号中频率和时间的关系。整体测试分为硬件和软件系统模块实验室测试以及系统整体消声水池测试。经过分析,该硬件系统可以实现声纳浮标下电子舱声纳信号采集系统的硬件设计要求,系统可以稳定运行。测试结果表明,该声纳采集系统采样率为128k Hz,AD采样精度为24位,通道间幅度误差低于±2%,相位差在±0.5°以内,改进小波阈值去噪算法对海底信号采集去噪效果优于小波软硬阈值法。各项性能指标满足设计要求,该方案可用于实际应用。