基于FPGA的高精度三維成像聲吶系統

摘要：高精度三維成像聲吶的實現需要完成大規模信號同步采集和海量數據并行計算，為此，提出基于現場可編程邏輯門陣列的并行計算系統。在使用同源時鐘的前提下，利用Spartan-3 對平面陣2304 路換能器信號進行同步采樣，通過離散傅里葉變換降采樣以減小采樣數據規模，采用Virtex-5 重新計算換能器權重以降低運算量，使用分步的波束形成算法以減小系統所消耗的存儲器規模，同時在PC上實現三維圖像實時顯示。實驗結果證明了該系統的可行性。

1 概述

高精度三維成像技術是目前水聲設備研究的重要創新領域，在海底勘探、沉船打撈、海洋研究等領域都有重要應用。目前研制高精度三維聲吶成像系統需要克服的關鍵技術難點在于大規模換能器數據的同步采集和海量數據的并行計算所帶來的巨大的硬件開銷[1]。為此，文獻[2]提出使用稀疏矩陣換能器陣列，對平面陣內不同索引號的換能器進行權重分配，對權重為0 的換能器做忽略處理從而減少前端信號采集通道和后端的數據運算量。從減少波束形成過程中參與并行運算矩陣的大小出發，文獻[3]提出將大陣列進行多子陣劃分，通過換能器發射機和接收機做一定的匹配設計，使用波束多級合成的辦法形成最終的波束，也能做到減少運算量。

本文基于波束形成算法原理，針對大規模二維換能器信號進行同步采樣和大規模的數據處理，設計并實現48×48 路信號的同步采樣，使用高性能現場可編輯邏輯門陣列為系統平臺，采用優化后的模擬退火算法[4]，實現128×128 個空間波束形成，用于海底狀況成像。

2 系統原理和結構

三維聲學成像聲吶使用的波束形成器可以看成一個空間濾波器，它可以濾去空間某些方向的信號，只讓指定方向的信號通過。本系統利用M×N(M=N=48)平面陣接收水下物體反射回的聲學信號并做波束形成運算形成P×Q 個波束，求出開角范圍內的波束形成能量值，再根據不同的能量值進行立體繪圖，從而得到一幅三維圖像。

系統需要完成換能器信號的調理、信號采集、波束形成運算，最終計算結果上傳。系統采用分布式結構，分為前端信號調理采集子系統和后端數據處理子系統，具體結構如圖1 所示。

前端信號調理采集子系統由48 塊子信號電路板組成，實現前端模擬信號調理采樣，并進行初步的信號處理。每塊子板上有1 片Xilinx Spartan-3，由它控制多路AD 以實現多路信號的同步采集，并對采樣數據進行多點的離散傅里葉變換。變換所得數據經LVDS 高速信號接口傳遞到后端的信號電路板上。

后端數據處理子系統即圖1 中的塊信號處理電路板，是由4 片用于信號處理高端領域的Xilinx Virtex-5、1 片Spartan-3(接口FPGA)和1 片PowerPC 嵌入式處理器構成。Virtex-5 之間使用高速LVDS 信號進行數據交互，各自從其他3 片Virtex-5 得到所要數據以實現波束形成算法，并最終將計算完成的結果傳輸給接口FPGA。每片Virtex-5 需要管理12 塊信號采集子板，在系統配置階段需要通過IIC 來對信號采集子板進行配置，在數據處理時需要處理來自12 塊信號采集子板的數據。為實現與PowerPC 處理器數據通信，接口FPGA 需將上傳的數據做格式轉換。PowerPC 處理器外圍擴展有Nor Flash 用于存儲系統代碼，Nand Flash 用于存儲有效傳感器的編號和相應的權重系數等系統相關數據。

PC 主控機通過千兆以太網接口與信號處理電路板進行數據交互，并調用OpenGL 相關函數，實現三維圖像的實時顯示[5]。