摘要：高精度三維成像聲吶的實(shí)現(xiàn)需要完成大規(guī)模信號(hào)同步采集和海量數(shù)據(jù)并行計(jì)算，為此，提出基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的并行計(jì)算系統(tǒng)。在使用同源時(shí)鐘的前提下，利用Spartan-3 對(duì)平面陣2304 路換能器信號(hào)進(jìn)行同步采樣，通過離散傅里葉變換降采樣以減小采樣數(shù)據(jù)規(guī)模，采用Virtex-5 重新計(jì)算換能器權(quán)重以降低運(yùn)算量，使用分步的波束形成算法以減小系統(tǒng)所消耗的存儲(chǔ)器規(guī)模，同時(shí)在PC上實(shí)現(xiàn)三維圖像實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性。

1 概述

高精度三維成像技術(shù)是目前水聲設(shè)備研究的重要?jiǎng)?chuàng)新領(lǐng)域，在海底勘探、沉船打撈、海洋研究等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。目前研制高精度三維聲吶成像系統(tǒng)需要克服的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于大規(guī)模換能器數(shù)據(jù)的同步采集和海量數(shù)據(jù)的并行計(jì)算所帶來的巨大的硬件開銷[1]。為此，文獻(xiàn)[2]提出使用稀疏矩陣換能器陣列，對(duì)平面陣內(nèi)不同索引號(hào)的換能器進(jìn)行權(quán)重分配，對(duì)權(quán)重為0 的換能器做忽略處理從而減少前端信號(hào)采集通道和后端的數(shù)據(jù)運(yùn)算量。從減少波束形成過程中參與并行運(yùn)算矩陣的大小出發(fā)，文獻(xiàn)[3]提出將大陣列進(jìn)行多子陣劃分，通過換能器發(fā)射機(jī)和接收機(jī)做一定的匹配設(shè)計(jì)，使用波束多級(jí)合成的辦法形成最終的波束，也能做到減少運(yùn)算量。

本文基于波束形成算法原理，針對(duì)大規(guī)模二維換能器信號(hào)進(jìn)行同步采樣和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)48×48 路信號(hào)的同步采樣，使用高性能現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列為系統(tǒng)平臺(tái)，采用優(yōu)化后的模擬退火算法[4]，實(shí)現(xiàn)128×128 個(gè)空間波束形成，用于海底狀況成像。

2 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

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

系統(tǒng)需要完成換能器信號(hào)的調(diào)理、信號(hào)采集、波束形成運(yùn)算，最終計(jì)算結(jié)果上傳。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為前端信號(hào)調(diào)理采集子系統(tǒng)和后端數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

前端信號(hào)調(diào)理采集子系統(tǒng)由48 塊子信號(hào)電路板組成，實(shí)現(xiàn)前端模擬信號(hào)調(diào)理采樣，并進(jìn)行初步的信號(hào)處理。每塊子板上有1 片Xilinx Spartan-3，由它控制多路AD 以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步采集，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行多點(diǎn)的離散傅里葉變換。變換所得數(shù)據(jù)經(jīng)LVDS 高速信號(hào)接口傳遞到后端的信號(hào)電路板上。

后端數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)即圖1 中的塊信號(hào)處理電路板，是由4 片用于信號(hào)處理高端領(lǐng)域的Xilinx Virtex-5、1 片Spartan-3(接口FPGA)和1 片PowerPC 嵌入式處理器構(gòu)成。Virtex-5 之間使用高速LVDS 信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各自從其他3 片Virtex-5 得到所要數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)波束形成算法，并最終將計(jì)算完成的結(jié)果傳輸給接口FPGA。每片Virtex-5 需要管理12 塊信號(hào)采集子板，在系統(tǒng)配置階段需要通過IIC 來對(duì)信號(hào)采集子板進(jìn)行配置，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要處理來自12 塊信號(hào)采集子板的數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)與PowerPC 處理器數(shù)據(jù)通信，接口FPGA 需將上傳的數(shù)據(jù)做格式轉(zhuǎn)換。PowerPC 處理器外圍擴(kuò)展有Nor Flash 用于存儲(chǔ)系統(tǒng)代碼，Nand Flash 用于存儲(chǔ)有效傳感器的編號(hào)和相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)等系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)。

PC 主控機(jī)通過千兆以太網(wǎng)接口與信號(hào)處理電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并調(diào)用OpenGL 相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)三維圖像的實(shí)時(shí)顯示[5]。

3 大規(guī)模平面陣換能器信號(hào)采集

為實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模平面陣進(jìn)行信號(hào)的同步采樣，信號(hào)采集子板需要完成以下任務(wù)：換能器輸出模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理，整陣列信號(hào)的同步采集，AD 信號(hào)的離散傅里葉變換。

使用Xilinx Spartan-3 作為信號(hào)采集子板的主控芯片，負(fù)責(zé)1 條線陣48 路換能器的信號(hào)采集，整個(gè)成像聲吶系統(tǒng)使用300 kHz 的聲學(xué)信號(hào)，系統(tǒng)采用900 kHz 的采樣率。

如圖2 所示，換能器將聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，該信號(hào)通過一個(gè)高通濾波器濾除中低頻的環(huán)境噪聲。聲吶工作在主動(dòng)方式時(shí)，TVG 控制是前置接收機(jī)的一個(gè)較為重要的模塊，它可防止接收機(jī)在發(fā)射脈沖期間出現(xiàn)的阻塞現(xiàn)象，同時(shí)又有利于混響背景的歸一化。

根據(jù)聲信號(hào)在水中的傳輸特性，Spartan-3 通過SPI 接口向DA 發(fā)出數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)輸出給TVG，以控制采樣信號(hào)壓縮比。為防止信號(hào)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象和較好的濾去高次諧波成分，本文設(shè)計(jì)了一款二階帶通濾波器，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入信號(hào)頻率大于570 kHz 時(shí)使信號(hào)衰減20 dB 以上，同時(shí)保證有效的信號(hào)范圍270 kHz~330 kHz(考慮水聲信號(hào)的多普勒頻移)衰減小于3 dB。上述濾波器設(shè)計(jì)在一定的阻容精度要求范圍內(nèi)(電阻精度1%，電容精度5%)，可以較好地實(shí)現(xiàn)各采樣通路之間的相位一致性。

由于AD 的采樣頻率是根據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘得到的，為了使各路信號(hào)采樣的相位滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)需要采用外部的同源時(shí)鐘，即圖2 中的同步采樣時(shí)鐘。每塊信號(hào)采集子板的同步采樣時(shí)鐘與Spartan-3 內(nèi)部處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)時(shí)鐘是相互獨(dú)立的。同步采樣時(shí)鐘在實(shí)現(xiàn)上是采用多級(jí)時(shí)鐘分配器，先將時(shí)鐘由1 路分為4 路，然后將這4 路分別分為12 路，最后形成48 路同源的時(shí)鐘信號(hào)，通過連接接口傳輸給信號(hào)采集子板。

完成信號(hào)采樣存儲(chǔ)后，信號(hào)采集子板上的Spartan-3 需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換，并將所需上傳的數(shù)據(jù)通過LVDS 接口上傳給信號(hào)處理板。

4 信號(hào)處理

傳統(tǒng)的空間波束形成器使用對(duì)空間范圍內(nèi)的采樣信號(hào)進(jìn)行波束形成，使用相移參數(shù)來調(diào)整采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算過程如下：

為減少算法的運(yùn)算量，系統(tǒng)使用改進(jìn)型的退火算法。根據(jù)Trucco A 的觀點(diǎn)，對(duì)二維平面上的每一個(gè)換能器分配權(quán)重系數(shù)，在最大旁瓣可以接受的條件下，部分換能器的權(quán)重系數(shù)可以分配為0，即達(dá)到對(duì)換能器稀疏化，減小系統(tǒng)的運(yùn)算量。

基于上述原理，信號(hào)處理板上每片Virtex-5 接收12 塊子信號(hào)采集板的數(shù)據(jù)，預(yù)形成12 條線陣的波束，然后保留其中的1/4 結(jié)果，將其他3/4 的預(yù)形成波束結(jié)果通過自定義LVDS信號(hào)傳遞給其他3 片Virtex-5。同時(shí)每片Virtex-5 從其他3 片Virtex-5 得到計(jì)算另一個(gè)方向上12 條線陣上空間波束所需的中間波束形成數(shù)據(jù)，則每片Virtex-5 完成128×32 個(gè)波束，并將計(jì)算結(jié)果傳遞給接口FPGA。接口FPGA 將從每片Virtex-5得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過PCI 接口傳遞給PowerPC，最后PowerPC 通過千兆以太網(wǎng)傳遞給PC 進(jìn)行三維成像。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中的成像效果，設(shè)計(jì)水下實(shí)驗(yàn)。發(fā)射機(jī)向水下發(fā)射聲波，接收機(jī)同時(shí)偵聽水下反射波，不同強(qiáng)度的物體，反射回的聲波強(qiáng)度完全不一樣。開啟系統(tǒng)中四分之一的換能器，對(duì)水下懸掛的一大一小2 只圓盤進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 中有2 層圖像，右邊(前面)一層深色區(qū)域?yàn)橐淮笠恍? 只圓盤的圖像效果，左邊(后面)一層為水下墻壁。由測(cè)試結(jié)果可知，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果符合理論驗(yàn)證結(jié)果，并完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6 結(jié)束語

本文提出的基于FPGA 的相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶信號(hào)采集和處理系統(tǒng)能較好地解決大量換能器信號(hào)的同步采集和海量數(shù)據(jù)的并行計(jì)算的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三維圖像能實(shí)時(shí)在PC 上顯示，驗(yàn)證了此方案的可行性，但系統(tǒng)并未到實(shí)際深水環(huán)境下測(cè)試，實(shí)際實(shí)驗(yàn)有待進(jìn)行。下一步的研究方向是減少相控陣成像聲納系統(tǒng)內(nèi)存需求量和乘累加計(jì)算量。