摘要：高精度三維成像聲吶的實現(xiàn)需要完成大規(guī)模信號同步采集和海量數(shù)據(jù)并行計算，為此，提出基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的并行計算系統(tǒng)。在使用同源時鐘的前提下，利用Spartan-3 對平面陣2304 路換能器信號進(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 重新計算換能器權(quán)重以降低運算量，使用分步的波束形成算法以減小系統(tǒng)所消耗的存儲器規(guī)模，同時在PC上實現(xiàn)三維圖像實時顯示。實驗結(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)備研究的重要創(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，對平面陣內(nèi)不同索引號的換能器進(jìn)行權(quán)重分配，對權(quán)重為0 的換能器做忽略處理從而減少前端信號采集通道和后端的數(shù)據(jù)運算量。從減少波束形成過程中參與并行運算矩陣的大小出發(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)射機和接收機做一定的匹配設(shè)計，使用波束多級合成的辦法形成最終的波束，也能做到減少運算量。

本文基于波束形成算法原理，針對大規(guī)模二維換能器信號進(jìn)行同步采樣和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，設(shè)計并實現(xiàn)48×48 路信號的同步采樣，使用高性能現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列為系統(tǒng)平臺，采用優(yōu)化后的模擬退火算法[4]，實現(xiàn)128×128 個空間波束形成，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空間濾波器，它可以濾去空間某些方向的信號，只讓指定方向的信號通過。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)信號并做波束形成運算形成P×Q 個波束，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的調(diào)理、信號采集、波束形成運算，最終計算結(jié)果上傳。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為前端信號調(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。

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

后端數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)即圖1 中的塊信號處理電路板，是由4 片用于信號處理高端領(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)以實現(xiàn)波束形成算法，并最終將計算完成的結(jié)果傳輸給接口FPGA。每片Virtex-5 需要管理12 塊信號采集子板，在系統(tǒng)配置階段需要通過IIC 來對信號采集子板進(jìn)行配置，在數(shù)據(jù)處理時需要處理來自12 塊信號采集子板的數(shù)據(jù)。為實現(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 用于存儲系統(tǒng)代碼，Nand Flash 用于存儲有效傳感器的編號和相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)等系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)。

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

3 大規(guī)模平面陣換能器信號采集

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

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

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