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基福德正神于声纳探测技术的水下三维场景实时

基福德正神于声纳探测技术的水下三维场景实时

  Virtex-5 将TVG 参数发送给每块子板,到达对每个采样模块实行增益把握的效用。

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  同时,该编制采用优化后的分步波束造成算法,将空间入射的声波信号实行空间解析,对相移参数实行优化,从而减小相移参数贮存空间,并将声学信号领受平面阵划分成48 条线性质阵,分组并行竣工分步波束造成,最终已毕128×128 个波束造成[9]。

  水下三维场景及时成像编制总体构造如图1 所示,由48 块子板、主板和主控PC 构成。子板掌管已毕信号搜集效用,主板掌管已毕波束造成与数据汇总,并竣工对子板的采样把握和与主控PC 通讯的效用,最终正在主控PC 上已毕及时三维成像。个中,每块子板有48 个信号领受通道。

  针对目前水下三维声纳及时成像编制前端信号通道众、波束造成算计量大的题目,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的水下三维场景及时成像编制。采用FPGA 阵列把握众道信号同步采样,优化波束造成算法对海量数据实行并行措置,同时使用嵌入式措置器PowerPC 把握编制,最终由主控PC 已毕三维图像及时显示。试验结果解释,该编制可以正在水下200 m 的局限内竣工区别率为2 cm 的三维成像,三维图像改善率可达20 帧/秒。

  编制各模块FPGA 策画是水下三维场景及时成像编制的焦点,一共包含3 个一面:子板FPGA 策画,主板高机能FPGA 策画和主板接口FPGA 策画。

  数据模块通过汇集领受相控阵上传的数据,一方面直接对数据实行及时可视化措置,另一方面将数据存储以用于离线措置。三维筑模模块是本编制的紧要效用模块,单帧成婚是将相邻点贯穿成三角面片,使点集造成拓扑构造[11]。无误配准是采用临近点迭代(Iterated Closest Point,ICP)算法把点集摆放正在特别适应的位子[12]。图像拼接是使输入的新帧与旧帧协调成一帧特别完全的图像。正在参数把握模块分歧对三维筑模模块和显示模块实行参数把握。显示模块是将单帧成婚结果显示正在小窗口中,将全部配准和拼接结果显示正在大窗口中,各窗口皆具有交互显示效用。个中,参数把握模块包含声纳把握、算法管制和显示体例把握。声纳把握包含丈量量程和搜集形式把握,算法管制包含配准精度和拼接区别率把握,显示体例包含配色计划和帧率把握。

  (1)豪爽前端信号通道的硬件本钱高贵;(2)实行波束造成算法所需的乘累加算计量大。

  开始,该编制采用了优化后的模仿退火算法[7],对二维平面上的每一个换能器分派权重系数,正在最大旁瓣可能接纳的前提下,一面换能器的权重系数可能分派为0,即到达对调能器零落化,减小编制运算量的成果[8]。最终竣工编制2 304(48×48)个换能器构成的声学信号领受平面阵。

  每块Virtex-5 从12 块子板领受数据后贮存。一级波束造成模块从数据存储模块读取数据,算计造成12 条线性阵正在一个目标上的波束,并将数据存储。一级波束造成的中心数据有1/4 结果被保存,其他3/4 通过自界说高速差分对数据线,同时每块Virtex-5 从其他3 块Virtex-5 取得中心波束。二级波束造成模块从中心数据存储模块读取数据,算计造成12 条线性阵正在另一个目标上的波束。每块Virtex-5 共已毕32×128 个波束造成。最终数据经DDR2 缓存,通过2 对差分传输线传输给主板接口FPGA。

  本文提出基于三维声纳探测技艺的水下三维场景及时成像编制,策画并竣工48×48 道信号的同步采样,128×128 个空间波束造成的大范畴数据措置和及时水下三维场景成像。

  每块Virtex-5 通过LVDS 接口领受12 块子板上传的数据,通过高速差分对数据线相互实行数据交互。每块Virtex-5对数据实行算计措置并已毕波束造成,经2 片64 MB 外部DDR2 暂存,将波束造成结果上传至Spartan-3E 实行数据汇总。MPC8313 通过外设部件互连准绳(Peripheral Component Interconnect, PCI)接口对Spartan-3E 中的数据实行读取,将波束造成汇总结果通过千兆以太网口授输给PC 主控机。同时,MPC8313 应用编制双线式串行(Inter-integrated Circuit,I2C)总线 寄存器实行装备,天生D/A 驱动信号下发子板。MPC8313 外围扩展有Nor Flash 用于存储编制代码,Nand Flash 用于存储有用传感器的编号和相应的权重系数等编制相干数据。

  编制构架分为3 个主意:(1)已毕编制Boot loader 开辟,以及文献编制镜像、启动剧本等。(2)正在操作编制上开辟1 000 兆以太网驱动、TVG 驱动、FPGA 驱动、时钟驱动。(3)行使顺序竣工与主控PC 和主板等数据交互、数据措置、汇集通讯、号令交互、TVG 把握、参数筑设、代码更新、时钟传输等效用。

  因为FPGA 具少睹据位宽可装备性、众级流水线措置以及内部集成豪爽的数字信号措置单位(DSP Slices)等特点,因而FPGA 正在声纳信号措置方面的运算功效弘远于数字信号措置器(DSP)的运算功效[10]。为了做到及时的海量数据措置,该编制采用了基于FPGA 平台的编制策画,使用FPGA 阵列对数据实行并行措置,并通过阵列间的数据交互已毕波束造成。

  近年来,跟着人们对海洋资源的无间需求与开辟,水下探测技艺取得了飞速生长。人们对海洋的紧要探测权术是声波,即声纳技艺。因而,使用声纳实行水下探测成为了当今海洋查究的重心课题。然而,大一面声纳编制都是通过声波来判决有无声纳对象,以及对象的方位和隔断。目前,邦外里正在海底三维声纳成像技艺方面依然得到了必定的收获[1]。比方:美邦RESoN 公司开辟的新一代数字声纳SeaBat8125,欧洲配合体和挪威配合开辟的Echoscope系列三维声纳,美邦的海洋工业公司开辟的双频识别声纳以及美邦的Farsounder 公司开辟的三维前视声纳[2-3]。我邦三维成像声纳也取得必定的生长,中科院声学所、715 所和哈尔滨工程大学等单元等都研制了三维声纳成像编制的试验样机并公告了相干论文[4]。但这些声纳成像技艺大家基于二维照射三维图像,或者小局限的慢速三维成像,成像成果不佳,及时性太差[5]。

  嵌入式措置器PowerPC 通过编制I2C 总线 的寄存器实行读写操作,点窜TVG 参数,并通过

  嵌入式措置器PowerPC 采用嵌入式Linux 操作编制为焦点,已毕悉数操作编制的移植、编制启动代码开辟、驱动顺序开辟和行使顺序开辟等众主意义务。编制构架如图7所示。

  MathWorks竣工自愿化视觉编制策画 普及了FPGA和ASIC的区别率

  主板接口FPGA 掌管将4 片主板高机能FPGA 上传的数据统一,便于PowerPC 读取。PowerPC 把握FPGA 天生脉冲信号,驱动编制发射声学信号,并通过FPGA 把握子板起初搜集数据。数据汇总已毕后天生终了信号,PowerPC遵照终了信号读取数据。的确处事流程如图6 所示。

  图9 为试验样机正在浙江省千岛湖水声试验站搜集到的湖底数据,可能真切地从主控PC 用户界面上看到千岛湖湖底拼接成果图,个中有一条铁索浸正在湖中。

  本文提出的水下三维场景及时成像编制计划,基于优化后的波束造成算法,使用大范畴FPGA 阵列,较好地处置了豪爽换能器信号采样和海量数据并行算计的题目。该编制正在大坝水下一面监测、海港墙壁检验、水下工程履行、海底管道检验、水下航行器的避障和导航等方面具有平凡的行使前景。下一步将针对实质的行使,策画相应的优化算法,并正在普及编制机能和下降编制功耗方面做进一步的厘正。

  子板FPGA 紧要已毕ADC 芯片的把握、数据的搜集、24 点离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)运算与主信号措置板的通讯等效用。如图3 所示,正在子板FPGA中,A/D 采样把握模块从48 个通道串行读取数据,并分存正在6 个巨细均为6 KB 的双口RAM 内。福德正神数据措置模块按通道按序,按次从6 个RAM 中读出24 个采样点,并对采样数据实行DFT 算计,算计取得一个频点为300 kHz 的DFT值。数据转换与发送模块按通道按序读取DFT 算计结果,将单端信号转成差分信号,通过LVDS 接口将数据上传。同时FPGA 通过SPI 接口向D/A 转换器发送数据,经转换后的模仿信号输出TVG 把握信号,以把握采样信号压缩比。

  数据存储模块和中心数据存储模块都分派1 个双口RAM,1 个行动数据领受缓存的FIFO 和1 个行动数据发送的FIFO。DDR2 把握器由DDR2_WR 模块和FPGA 内部DDR2 读写把握IP 核构成,数据流如图5 所示。DDR2_WR模块遵守必定的按序从写入数据FIFO 中读出12 块子板的波束造成结果,并遵守读取的先后按序写入DDR2 中,读出数据FIFO 正在写DDR2 操作的间隙从DDR2 中读出数据。

  子板数据搜集效用如图2 所示。各通道开始对从换能器领受的微小的电信号实行调动,将信号通过一个高通滤波器滤除中低频的情况噪声后,再经由一款二阶带通滤波器,以竣工当输入信号频率大于570 kHz 时使信号衰减20 dB 以上,同时保障有用的信号局限270 kHz~330 kHz(探讨水声信号的众普勒频移)衰减小于3 dB。然后正在外部同源时钟驱动下,Spartan-3E 把握A/D 采样芯片对声学信号的幅度和相位消息实行同步A/D 采样和采样数据措置,并通过低压差分信号(Low-voltage Differential Signaling, LVDS)接口将数据上传主板。同时,Spartan-3E 通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)向D/A 转换器发送数据,经转换后输出年光增益(Time Variation of Gain, TVG)把握信号,以把握采样信号压缩比。

  为了竣工对48×48 道信号的大范畴数据措置,最终已毕128×128 个波束造成, 编制拔取了高机能的Xilinx Virtex-5 系列FPGA。因为编制数据运算量很大,任何一块FPGA 都无法独立已毕,因而遵照最终造成的波束数,将搜集数据均匀分派给4 块FPGA 同步实行措置与算计,并通过相互的数据交互已毕波束造成,如图4 所示。

  编制软件策画分为2 个一面已毕:(1)正在PowerPC 上已毕的嵌入式操作编制移植与行使软件开辟;(2)正在主控PC上已毕的及时可视化显示编制策画。

  目前,水下三维场景及时成像编制试验样机的研制已已毕,邦内还没有相干的查究收获,邦际上唯有英邦Coda Octopus 公司正在2006 年推出的产物Echoscope Mark II[13]。外1 给出了试验样机的紧要技艺目标,该编制与Coda Octopus 公司Echoscope Mark II 产物的技艺目标根本同等。个中,角度区别率是指相邻2 个领受波束之间的夹角;隔断区别率是指统一领受波束上前后相邻2 个像素点之间的隔断;最大用意隔断是指反射强度为0 dB 的对象能被有用探测到的最远隔断。

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