一种应用于水下成像声纳的信号处理系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于用于水下手持式成像声纳的信号处理领域，具体涉及一种应用于水下成像声纳的信号处理系统。
【背景技术】
[0002]水下手持式成像声纳是一种小型便携式声纳，它的原理主要是靠发射声波，然后接收接触到目标后反射回来的声波，同时进行信号处理和计算，最终得到目标的二维图像。
[0003]而信号处理系统是水下手持式成像声纳的关键技术，它主要通过对前端换能器接收到的信号进行相应处理，最终形成视频信号送至显示终端进行显示，它是整个声纳信号处理和控制的中心。
[0004]传统上的水下成像设备主要有两类:一类是光学成像设备；另一类是单波束或多波束的声学成像设备。其中光学成像设备的局限性是作用距离近和成像范围小，在水质较为混浊水域其局限性更加的突出。而单波束或多波束成像设备由于是基于对接收到的声回波信号作简单的幅度积累，因此无论在方位向还是距离向上这种设备的成像分辨率都比较低，图像清晰度较差，不利于水下对清晰度和分辨率要求较高的成像，例如水下考古，水下探测等任务就无法使用这种设备。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种应用于水下成像声纳的信号处理系统。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种应用于水下成像声纳的信号处理系统，所述系统包含:数据采集模块，用于将目标反射的多路水声信号进行实时采样；数据处理模块，用于采用水声阵列信号处理方法和二维可视化处理方法将采样信号进行处理形成原始图像，然后采用视频编码方法对原始图像进行编码形成视频信号；以及显控模块，将视频信号送入显示模块进行显示。
[0007]上述系统还包含:供电系统，用于为各功能模块供电。
[0008]上述数据采集模块进一步包含:
[0009]前置预处理单元，用于对目标回波水声信号进行放大滤波处理，得到若干路预处理信号；
[0010]多路选择开关，用于接通若干路预处理信号中的一路，将接通的信号输入欠采样单元；
[0011]欠采样单元，用于以二十分之一于信号频率的采样速度对输入信号进行欠采样及模数转换；
[0012]缓存和传输模块，用于缓存欠采样得到的数据；其中，采用现场可编程门阵列FPGA内的双口 RAM进行缓存，且缓存时将双口 RAM分为两块，两块RAM以乒乓方式工作。
[0013]上述数据处理模块进一步包含:
[0014]接收模块，用于接收并存储数据采集模块采集的信号；
[0015]处理模块，用于计算采集信号的每个波束的输出结果，具体处理策略为:对于每一个波束，利用40路I通道数据和Q通道数据与对应余弦延时表和正弦延时表分别做复数相乘，然后将两个复数相乘的结果求和，再对求和结果取平方和，得到一个波束的输出结果，并将波束输出结果存储于输出数据池，重复若干次上述波束形成策略，得到各路波束输出结果;
[0016]波束输出模块，用于将处理模块得到的各路波束信号编码后输入显示模块进行显示；
[0017]其中，所述波束输出模块通过视频端口与视频编码器相连。
[0018]上述处理模块和波束输出模块之间还包含:
[0019]灰度变换和调色板配置模块，用于将处理模块得到的各路波束信号进行灰度变换和调色板配置以生产RGB数据，再将生成的RGB数据存入先入先出缓存中。
[0020]上述视频端口通过基于FPGA的数据及控制模块与视频编码器相连；
[0021 ] 所述基于FPGA的数据及控制模块，用于实现视频端口与视频编码器之间的数据和控制信号的时序配合并实现视频图像叠加OSD视频显示功能。
[0022]上述基于FPGA的数据及控制模块进一步包含:
[0023]数据滤波缓冲模块，用于接收来自信号处理器DM642的原始视频数据，利用多级触发器对数据进行缓冲以滤除数据中存在的干扰，并将处理过的数据存入缓存区以待数据双沿化处理模块读取；
[0024]时钟及控制信号滤波模块，用于接收来自信号处理器DM642的视频发送时钟及控制信号利用多级触发器以及计数器对时钟及控制信号进行缓冲并滤除其中存在的干扰，以供数据双沿化处理模块使用，并输出至视频编码芯片；
[0025]数据双沿化处理模块，用于接收来自数据滤波缓冲模块的数据和时钟及控制信号滤波模块的时钟和控制信号，并在时钟的上升沿和下降沿将数据的高八位和低八位分别放出，送至数据输出缓冲模块；
[0026]视频图像叠加OSD模块，用于将事先预制好的存储在缓存内的图像叠加到实时处理形成的图像上去；
[0027]数据输出缓冲模块，用于将来自数据双沿化处理模块和视频图像叠加OSD模块的视频数据进行缓存并配合时钟及控制信号滤波模块中的时钟进行输出。
[0028]综上所述，本发明针对上述传统水下光学成像设备作用范围小，传统单波束或多波束成像设备分辨率低的问题，设计了一种应用于水下成像声纳中的信号采集和处理系统，不采用光学原理，也不是采用队声信号的简单幅度积累，克服了作用范围小和分辨率低的问题。本发明采用水声阵列信号处理的方法和高速视频信号处理的方法对水下目标进行高分辨率实时成像。
[0029]与现有技术相比，本发明的技术优势在于:
[0030]本发明克服了现有技术的光学成像设备作用距离近的问题的同时也克服了普通单波束或多波束声学成像设备分辨率低和清晰度差的问题，实现了水下高速实时高分辨率成像。总之本发明可以对成像声纳的换能器信号进行相应处理，最终将视频信号传送至显示器终端，而手持式成像声纳则可以用于潜水员探测水下静止和运动目标，完成目标在水下环境和渔业资源等的监测，也可用于水下安全保障。
【附图说明】
[0031]图1是水下成像声纳/[目号处理系统不意图；
[0032]图2是本发明中水下成像声纳信号处理系统硬件实现框图
[0033]图3是本发明中数据采集模块FPGA内部功能子模块关系图；
[0034]图4是本发明数据采集模块与核心处理器间关系框图；
[0035]图5是本发明信号处理器内部各功能模块原理框图；
[0036]图6是本发明信号处理FPGA内部功能子模块关系图；
[0037]图7是本发明中人机交互控制界面功能实现逻辑图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
[0039]本
【发明内容】
将系统的阐述水下成像声纳高速信号处理系统的系统结构和设计原理。本发明的系统结构如图1所示，主要包括以下几个部分:数据采集模块、数据处理模块以及显控模块。本发明使用了高速欠采样技术对多路水声信号进行实时采样，之后对采样信号采用高速视频数据传输技术将其送入基于FPGA的主处理器，在FPGA的主处理器中采用水声阵列信号处理方法和二维可视化技术形成原始图像，然后采用高速视频编解码技术形成视频信号，最后送至显示终端。本发明中硬件结构详细组成是:核心处理器DSP ;可编程逻辑器件FPGA ;视频编码器；网络物理层芯片；存储器；供电系统；复位电路等部分组成。硬件系统结构框图如图2。
[0040]其中，数据采集模块包含:接收机、A/D转换采集模块和现场可编程门阵列FPGA ；数据处理模块包含:现场可编程门阵列FPGA、存储器以及多媒体处理器DM642组成；所述显控模块包含:现场可编程门阵列FPGA和视频编码器组成。
[0041]上述各个模块的细节阐述如下:
[0042]数据采集模块主要作用是对接收机传输到信号处理系统的模拟信号进行模数转换，也就是将模拟信号转换为数字信号，为接下来的数字信号处理做准备，模数转换由两步组成:采样和量化。采样就是对连续的模拟信号以一定的频率抽取其样点，量化就是把上一步抽取的样点以一定的规则量化成数字量。本发明的AD转换模块突破传统的设计方法采用由多路选择模拟开关控制由一片AD转换器完成40路模拟信号的正交顺序欠采样及数据缓存和高速传输。本模块使用现场可编程门阵列FPGA进行多路选择开关的控制、AD转换器的时序控制以及采样数据的缓存，其内部功能子模块关系如图3所示。
[0043]数据处理模块负责对来自采集模块的数据进行实时处理，产生视频源信号，并产生输出的以太网源信号，并且具备实时在线仿真调试功能。所述数据处理模块的工作过程如下:
[0044]首先，在数据处理模块中首先要完成对采集模块数据的输入过程，采用处理器的Video Port2(VP2)作为数据输入端，设置Video Capture Mode 为 16-bit Raw Data CaptureMode，在此模式下，输入数据率可以达到80MBps以上。采集数据存入单通道5120BytesFIFO,当一帧的40 X 2路I/Q通道数据采集完毕后，再通过EDMA方式传送到DSP片内内存地址(I/Q数据池)。