便携式三维声纳实时成像系统硬件设计

摘要

利用三维声纳成像技术可以在水下探测静止或运动目标的细节特征，并提供多视角观察，在多个领域都具备广泛的应用前景。目前的三维声纳实时成像装置主要采用平面阵来完成声纳扫描，此类设备通常结构复杂，体积庞大，只能被安装在船体或拖体上工作，常用于远距离高精度的声纳探测。本文研究开发的水下便携式三维声纳实时成像系统采用线阵技术完成三维声纳探测，显著简化了系统结构，设备更加轻便，可以胜任精确探测复杂水下环境和水下灵活作业的任务，在水文调查、海岸河岸堤坝检查、水下工程建设等应用领域具有明显优势。
　　便携式三维声纳实时成像系统以相互垂直的发射和接收线阵通过不同频率的声脉冲信号透射观察体积。系统采用多板层叠的结构，根据功能划分出信号处理板、声纳回波接收板、电源板和基板等部分。系统利用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)控制多路信号的同步发射和采样。声纳回波接收板优化了波束形成算法，采用分级运算方式大幅提高声纳信号处理速度。信号处理板采用基于低功耗的数字媒体处理器实时完成三维成像和显示，通过千兆以太网将成像数据传输到上位机。
　　实验结果表明，系统能够实时探测并准确显示水下环境，距离分辨率达到3cm，可在40m范围内实现角度分辨率1.2°的三维成像，具有较高的工程实用价值。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 相关研究概述

1．2．1 声纳波束形成原理

1．2．2 FPGA技术概述

1．2．3 EDA技术概述

1．3 课题研究内容

1．3．1 论文的主要工作

1．3．2 论文的章节结构

2 系统硬件总体架构设计

2．1 系统功能需求分析

2．2 系统硬件整体设计方案

2．2．1 Spartan-6系列FPGA介绍

2．2．2 数字媒体处理器TMS320DM8127介绍

2．2．3 系统总体架构

2．3 本章小结

3 系统硬件详细设计

3．1 信号处理模块设计

3．1．1 NAND FLASH设计

3．1．2 DDR3 SDRAM接口

3．1．3 千兆以太网接口

3．1．4 LCD显示接口

3．1．5 PCI-Express通讯接口

3．1．6 数模转换电路

3．1．7 SD卡接口

3．1．8 其他扩展电路和接口

3．2 声纳回波接收模块设计

3．2．1 FPGA电路设计

3．2．2 模拟前端设计

3．3 时钟模块

3．4 电源模块

3．4．1 电源完整性分析

3．4．2 电源板设计

3．4．3 信号处理板电源设计

3．4．4 声纳回波接收板电源设计

3．5 本章小结

4 系统硬件电路实现

4．1 信号完整性分析

4．2 PCB布局

4．3 PCB布线

4．3．1 PCB布线规则

4．3．2 PCB层叠

4．3．3 DDR SDRAM走线设计

4．3．4 高速差分信号走线设计

4．4 系统PCB设计结果

4．5 本章小结

5 系统调试

5．1 系统硬件调试

5．2 信号测试

5．3 样机测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历