基于FPGA的多波束合成孔径声呐信号采集处理系统设计与实现

作     者：蔡涛涛 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李海森

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082403[工学-水声工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：多波束合成孔径声呐 信号采集处理 FPGA Zynq 7100 FDMA 

摘      要：成像声呐在海底地形地貌的探测等方面发挥着不可或缺的作用,其中多波束测深声呐具备高效率、高精度、高分辨等特点,但其波束脚印从根本上限制了航迹向分辨率。传统合成孔径声呐大多基于侧扫声呐基阵结构,虽然利用孔径合成信号处理技术能够获得水下成像高分辨率,但其正下方不可避免地存在探测间隙。多波束合成孔径声呐既不需要对正下方进行补隙,又具备航迹向高分辨率不受距离与频率影响的优势。因此本文在国家自然科学基金-山东省联合基金项目的支持下,基于现有的声呐基阵,完成多波束合成孔径声呐信号采集处理系统设计与实现。首先,简述多波束合成孔径声呐的国内外发展现状、探测机理与信号采集处理技术。研究多波束合成孔径声呐探测机理,分析其功能需求以及硬件组成结构,结合多波束合成孔径声呐基阵参数进行关键参数论证。提出了基于FPGA的多波束合成孔径声呐信号采集处理系统模拟接收电路、数字处理平台与信号采集、成像预处理逻辑方案。其次,对模拟接收电路中的固定增益、可控增益、带通滤波、模数(后续简称A/D)转换、数模(后续简称D/A)转换等进行芯片选型与电路实现,并通过Multisim仿真验证电路设计的正确性。完成基于FPGA的数字处理平台中电源转换、千兆网传输、串口通信、辅助存储模块的电路实现。通过Altium Designer绘制多波束合成孔径声呐信号采集处理系统硬件电路原理图、PCB并完成制板、焊接。再次,基于多波束合成孔径声呐信号采集逻辑方案,利用Zynq 7100核心处理平台,实现信号采集逻辑中串口通信、信号源输出、增益控制、A/D转换、基于FDMA的高速缓存模块并完成逻辑功能的仿真验证。对多波束合成孔径声呐信号成像预处理过程中相关原理进行介绍,提出多波束合成孔径声呐成像预处理逻辑的改进方案,实现数字混频、延时抽取、脉冲压缩等模块并完成逻辑功能的仿真验证。最后,完成多波束合成孔径声呐信号采集处理系统硬件电路中增益放大、带通滤波、通道一致性、等效输入噪声性能指标的测试,并通过集成逻辑分析仪获取联调测试过程中的数据,验证了信号采集与成像预处理逻辑的功能。最终通过水池与外场试验,验证了多波束合成孔径声呐信号采集处理系统的有效性与可靠性。