成像声呐高速数字接收单元的设计与实现

论文摘要

水下声成像技术对海底地形地貌、船体、海洋生物等水下物体的表面探测具有重要意义,在水下目标探测领域中发挥着不可替代的作用,具有广泛的应用前景,日益得到人们的重视。本文主要通过研究数据的采集、存储、传输技术,设计并实现了成像声呐接收系统的数字单元。论文首先针对数字接收单元的硬件电路进行设计,利用A/D芯片对模拟信号进行模数转换,由FPGA作为核心处理芯片来控制A/D芯片的采样过程。针对成像声呐数据传输速率高的特点,在FPGA中利用LVDS技术对采样数据进行实时传输。文中还详细阐述了读／写CF卡数据电路,目的是在高数据传输速率下存储采集到的基元原始数据。其次,论文还开发了FPGA控制A/D采集、LVDS传输以及CF卡存储的软件系统。通过FPGA内部的嵌入式软核处理器,将不同的功能模块结合起来,统一接收命令并进行控制,缩短了开发时间,简化了调试过程,实现了在系统要求的采样率下准确有效地存储和传输数据的目的。最后,论文提出了一种在FPGA中实现扇形变换的简化算法,利用扇形变换的原理,通过三角函数变换推导出简化的坐标转换计算公式,通过调用FPGA内部的运算单元即可完成坐标变换的过程,减少了运算量,提高了成像声呐系统的图像刷新率。根据测试结果,论文设计的硬件电路和软件系统均满足了系统要求,实现了预期目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的背景和意义
• 1.2 成像声呐技术的发展
• 1.3 成像声呐的系统组成
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 成像声呐数字接收单元硬件设计
• 2.1 概述
• 2.1.1 硬件设计环境
• 2.1.2 数字接收单元的结构组成
• 2.2 FPGA控制电路
• 2.2.1 FPGA的特点
• 2.2.2 FPGA芯片的选取
• 2.2.3 FPGA电路的设计
• 2.3 A/D采集电路
• 2.3.1 A/D芯片的选取
• 2.3.2 A/D采集电路的设计
• 2.4 FIFO数据缓存电路
• 2.4.1 FIFO芯片的选取
• 2.4.2 FIFO缓存电路的设计
• 2.5 CF卡存储电路
• 2.5.1 CF卡简介
• 2.5.2 CF卡的电气特性
• 2.5.3 CF卡的电路连接
• 2.6 电源电路
• 2.6.1 电源芯片的选取
• 2.6.2 电源电路的设计
• 2.6.3 电源层与地层的分割
• 2.7 本章小结
• 第3章 成像声呐数字接收单元软件开发
• 3.1 概述
• 3.1.1 FPGA开发环境
• 3.1.2 接收系统软件工作流程
• 3.2 A/D控制单元的设计
• 3.2.1 带通采样原理
• 3.2.2 A/D芯片的工作原理
• 3.2.3 A/D控制单元的实现
• 3.3 CF卡控制单元的设计
• 3.3.1 CF卡的软件交互
• 3.3.2 CF卡控制单元的实现
• 3.4 数据传输单元的设计
• 3.5 NIosⅡ处理器的设计
• 3.5.1 NIOSⅡ处理器介绍
• 3.5.2 NIOSⅡ软核系统的组成
• 3.5.3 NIOSⅡ处理器C语言程序的设计
• 3.5.4 LOGICLOCK设计方法的实现
• 3.6 扇形变换的简化算法
• 3.6.1 扇形变换的原理
• 3.6.2 扇形变换公式的推导
• 3.6.3 坐标变换的FPGA实现
• 3.7 本章小结
• 第4章 数字接收系统的调试与结果分析
• 4.1 SIGNALTAPⅡ调试环境简介
• 4.2 A/D采集单元的调试
• 4.2.1 低频信号采样
• 4.2.2 带通采样
• 4.3 CF卡存储单元的调试
• 4.3.1 测试数据的写操作调试
• 4.3.2 CF卡控制信号的调试
• 4.4 数据传输单元的调试
• 4.5 扇形变换算法的调试
• 4.5.1 扇形变换算法的MATLAB仿真
• 4.5.2 坐标变换程序的调试
• 4.6 成像声呐系统联调
• 4.6.1 数据上传的调试
• 4.6.2 实时成像的调试
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录