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基于FPGA与DSP的高性能多波束声纳电子系统设计方法研究
| 论文题名： | 基于FPGA与DSP的高性能多波束声纳电子系统设计方法研究 |
| 关键词： | 多波束声纳电子系统;数字波束形成;超声信号发射;多通道数据采集;千兆以太网 |
| 摘要： | 随着海洋资源开采与海洋防卫技术的快速发展，人们对多波束声纳系统的角度分辨率以及实时探测性能提出了越来越高的需求。但是提升探测的角度分辨率需要增大水听器基阵的孔径，阵元的数量将会随之增加，从而导致了声纳系统的数据吞吐量的增加，直接影响了系统的探测实时性。本课题针对多波束声纳系统中高速实时定位与多通道信号处理的矛盾，研究了高性能的多波束声纳电子系统的设计方法。以水下5m到40m距离范围内生成45×45个波束对30°×30°扇区内的目标物体进行实时三维定位为设计背景，深入分析了阵列测向技术原理，并基于二维均匀平面阵列对比了Damp;S（delay-and-sum）、DM（direct-method）、CZT（chirpzetatransform）三种波束形成算法，从硬件实现以及软件优化两个方面开展课题的研究。 在硬件设计中，研究了一种脉冲发射模块的设计方法，以及一种带有TVG（timevariationofgain）功能的多通道同步采集模块的设计方法。通过实际测试得到发射机的声源级为190.25dB，采集模块各通道的输入端本底噪声均小于?110dB、幅度一致性误差小于?6.55dB、相位差在0.2°以内。通过设计背板将5个发射模块、8个采集模块、FPGA加DSP主控模块进行级联，从而实现了对5×2元发射2×16元接收的收发分置换能器阵列的支持，并具有较优的扩展性。 在软件设计中，基于XC7K325T型FPGA以及TMS320C6678型DSP级联的主控模块硬件结构，利用FPGA芯片的并行特性，设计了发射模块与采集模块的驱动程序，以及千兆以太网控制器与SRIO控制器。基于TMS320C6678型高性能多核DSP推出了主从多核流水线信号处理架构，研究了在该架构上实现快速二维CZT波束形成算法的方法，并给出了多波束声纳系统中实现实时信号处理的约束条件。通过实际测试实验验证了软件系统设计的正确性。 最后，湖上实验验证了声纳在水下30°×30°探测扇区内5m到40m距离范围内的实时三维定位功能，其方位定位的相对误差小于10%。 |
| 作者： | 田皓文 |
| 专业： | 仪器科学与技术 |
| 导师： | 郭世旭 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国计量大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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