基于嵌入式GPU的多波束成像声纳数据处理系统硬件设计
发布时间：2021-02-15 20:12
随着海洋强国战略体系的提出,海洋探测领域受到的关注日益增长。作为海洋探测的关键技术之一,多波束成像声纳具有测深、避障、定位等多种用途,在水下目标定位、海上应急救援、沉积物打捞等领域有着十分广阔的应用前景。为此,本文研究开发了基于嵌入式GPU的多波束成像声纳数据处理系统。该系统以嵌入式GPU模组Jetson TX1为核心,配合高性能FPGA,实现对四条线阵共400路声学信号的同步采集、传输与数据处理工作。本系统包括数据接收子系统和信号处理子系统两部分,数据接收子系统首先对接收换能器的模拟输入信号进行信号调理和A/D同步采样,再通过Spartan-6 FPGA对采样数据进行DFT计算,并将结果以并行方式传输给信号处理子系统;信号处理子系统通过Artix-7 FPGA实现对DFT数据的接收与缓存,并通过PCIe总线将数据上传至Jetson TX1模组完成波束形成计算和互谱法方位估计,最后将结果发送至上位机进行实时显示。本文对所设计的硬件系统进行测试,各项结果均满足指标。在整机湖试中,系统可以对水下二维声学图像进行实时显示,对目标进行定位并标注三维坐标数据。系统具有成像清晰、实时性强、探测范围...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｋｌｅｉｎ?４９００侧扫声纳系统及河床成像结果??
像速．度和较高的成??像精度［１５］。但由于旁瓣干扰的影响，成像质量无法达到单波束机械扫描声纳的??水平。目前国外的多波束成像声纳系统已经进入商业化模式，产品类型多样，??可以适应各类场景的应用需求，在水下探测、水文调查、地形绘制、测深等各??种领域都得到了广泛的使用。诸如美国、日本、丹麦、加拿大等国都有商业化??的产品生产［１６］。??ＲｅｓｏｎＳｅａＢａｔ７１２５?ＳＶ２型多波束测深系统是美国Ｒｅｓｏｎ公司应用于２５米??以内水深的浅水型双频高分辨率多波束成像声纳系统，其外观如图１．２所示，??性能参数如表１．３所示。该系统换能器采用Ｔ型设计，安装方便简单，可以安??装于小型测量船上实现河道测量、生态环境调查等用途。??图１．２?Ｒｅｓｏｎ?ＳｅａＢａｔ?７１２５?ＳＶ２多波束声纳系统??４??
浙江大学硕士学位论文???表１．３ＲｅｓｏｎＳｅａＢａｔ７１２５ＳＶ２多波束声纳参数表??参数?性能指标??工作频率?２００ｋＨｚ／４００ｋＨｚ??量程?５００ｍ?＠２００ｋＨｚ，?２００ｍ?＠５００ｋＨｚ??探测范围?１２８。Ｘｌ．ｌ°?＠２００ｋＨｚ，１２８。Ｘ０．５４。＠５００ｋＨｚ??距离分辨率．?最小６ｍｍ??上传帧率?５０Ｈｚ??最大波束数?２５６＠２００ｋＨｚ，?５１２＠５００ｋＨｚ??数据上传?以太网，１Ｇｂｉｔ??工作水深?最大２５ｍ??３）三维成像声纳：三维成像声纳能够对水下任意视角内的目标进行三维空??间的实时聚焦成像１１７］，具有很高的分辨率和实时刷新率，是实时获取水下目标??．三维信息的最佳手段。如图１．３所示为Ｃｏｄａ?Ｏｃｔｏｐｕｓ?Ｅｃｈｏｓｃｏｐｅ实时三维成像声??呐系统及成像结果。其可利用相控阵技术产生１２８ｘ１２８个波束１１８］，使水下信息??精确地以三维图像显示，距离分辨率仅为ｌｃｍ。??ｍｍｉ??图１．３?Ｃｏｄａ?Ｏｃｔｏｐｕｓ?Ｅｃｈｏｓｃｏｐｅ三维声纳系统成像结果??但实时三维成像声纳系统需要大量的换能器阵元、体积庞大的信号预处理??电路和数字信号处理硬件电路｜１９］，还要对大量数据进行实时处理，其研发难度??和成本都较高，难以满足小型化、低功耗的需求。??＞国内声纳研发现状??在国内，成像声纳技术的研发力量还主要集中在科研院所和军工企业，基本??是基于国家及部队项目的驱动进行研发，尽管国产化率比较高，但产业化及技术??配套相对薄弱｜１５］。下表１．４列出了国内对海洋声学探测的主要研究机构。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国海洋资源开发现状与海洋综合管理策略[J]. 崔晓菁. 管理观察. 2019(17)
[2]一种基于互谱法的鱼雷末弹道定位方法[J]. 朱峰,朱元林,刘松海. 水下无人系统学报. 2019(01)
[3]声纳技术的发展道路[J]. 佟宏伟. 科技创新与应用. 2018(33)
[4]侧扫声纳探测技术的研究现状及发展[J]. 库安邦,周兴华,彭聪. 海洋测绘. 2018(01)
[5]基于四阵元水听器的被动声纳定位接收装置设计[J]. 张杨俊杰,李松昊,邱迪. 电子测试. 2017(01)
[6]PCB的信号完整性设计[J]. 秦清松,于治楼,陈乃阔,耿士华. 通讯世界. 2015(23)
[7]我国海洋声学探测技术竞争力分析[J]. 刘晓东,王磊,杨娟,邓锴. 海洋技术学报. 2015(03)
[8]高速PCB设计中的EMI问题研究[J]. 连龙刚,徐文宽,王保成. 电子技术应用. 2015(03)
[9]成像声呐TVG/AGC电路的设计与实现[J]. 杨康,杨成,夏伟杰. 电子测量技术. 2014(03)
[10]二阶模拟带通滤波器的仿真和实现[J]. 陈文渊,沈斌坚. 声学与电子工程. 2010(03)
博士论文
[1]高分辨率多波束成像声呐关键技术研究[D]. 张小平.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]多波束成像声呐仿真及成像分析研究[D]. 张伟民.内蒙古大学 2019
[2]用于水下高速目标的定位方法研究[D]. 秦银.哈尔滨工程大学 2019
[3]多波束成像声纳半圆阵列稀疏算法研究[D]. 唐烨.南京航空航天大学 2019
[4]高速电路中PDN电源噪声分析及去耦网络设计[D]. 鱼鹏.西安电子科技大学 2018
[5]基于Jetson TX1的人脸识别算法的研究与实现[D]. 毛礼建.杭州电子科技大学 2018
[6]基于前视声纳的水下无人航行器自导技术研究[D]. 朱玲羚.中国舰船研究院 2017
[7]组网声纳目标跟踪技术[D]. 刘威.哈尔滨工程大学 2017
[8]基于FPGA的存储控制器及相关系统设计技术研究[D]. 董星.浙江大学 2017
[9]便携式三维声纳实时成像系统硬件设计[D]. 陈加洋.浙江大学 2014
[10]多波束成像声纳系统硬件平台设计与实现[D]. 杨成.南京航空航天大学 2013
本文编号：3035467
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｋｌｅｉｎ?４９００侧扫声纳系统及河床成像结果??
像速．度和较高的成??像精度［１５］。但由于旁瓣干扰的影响，成像质量无法达到单波束机械扫描声纳的??水平。目前国外的多波束成像声纳系统已经进入商业化模式，产品类型多样，??可以适应各类场景的应用需求，在水下探测、水文调查、地形绘制、测深等各??种领域都得到了广泛的使用。诸如美国、日本、丹麦、加拿大等国都有商业化??的产品生产［１６］。??ＲｅｓｏｎＳｅａＢａｔ７１２５?ＳＶ２型多波束测深系统是美国Ｒｅｓｏｎ公司应用于２５米??以内水深的浅水型双频高分辨率多波束成像声纳系统，其外观如图１．２所示，??性能参数如表１．３所示。该系统换能器采用Ｔ型设计，安装方便简单，可以安??装于小型测量船上实现河道测量、生态环境调查等用途。??图１．２?Ｒｅｓｏｎ?ＳｅａＢａｔ?７１２５?ＳＶ２多波束声纳系统??４??
浙江大学硕士学位论文???表１．３ＲｅｓｏｎＳｅａＢａｔ７１２５ＳＶ２多波束声纳参数表??参数?性能指标??工作频率?２００ｋＨｚ／４００ｋＨｚ??量程?５００ｍ?＠２００ｋＨｚ，?２００ｍ?＠５００ｋＨｚ??探测范围?１２８。Ｘｌ．ｌ°?＠２００ｋＨｚ，１２８。Ｘ０．５４。＠５００ｋＨｚ??距离分辨率．?最小６ｍｍ??上传帧率?５０Ｈｚ??最大波束数?２５６＠２００ｋＨｚ，?５１２＠５００ｋＨｚ??数据上传?以太网，１Ｇｂｉｔ??工作水深?最大２５ｍ??３）三维成像声纳：三维成像声纳能够对水下任意视角内的目标进行三维空??间的实时聚焦成像１１７］，具有很高的分辨率和实时刷新率，是实时获取水下目标??．三维信息的最佳手段。如图１．３所示为Ｃｏｄａ?Ｏｃｔｏｐｕｓ?Ｅｃｈｏｓｃｏｐｅ实时三维成像声??呐系统及成像结果。其可利用相控阵技术产生１２８ｘ１２８个波束１１８］，使水下信息??精确地以三维图像显示，距离分辨率仅为ｌｃｍ。??ｍｍｉ??图１．３?Ｃｏｄａ?Ｏｃｔｏｐｕｓ?Ｅｃｈｏｓｃｏｐｅ三维声纳系统成像结果??但实时三维成像声纳系统需要大量的换能器阵元、体积庞大的信号预处理??电路和数字信号处理硬件电路｜１９］，还要对大量数据进行实时处理，其研发难度??和成本都较高，难以满足小型化、低功耗的需求。??＞国内声纳研发现状??在国内，成像声纳技术的研发力量还主要集中在科研院所和军工企业，基本??是基于国家及部队项目的驱动进行研发，尽管国产化率比较高，但产业化及技术??配套相对薄弱｜１５］。下表１．４列出了国内对海洋声学探测的主要研究机构。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国海洋资源开发现状与海洋综合管理策略[J]. 崔晓菁. 管理观察. 2019(17)
[2]一种基于互谱法的鱼雷末弹道定位方法[J]. 朱峰,朱元林,刘松海. 水下无人系统学报. 2019(01)
[3]声纳技术的发展道路[J]. 佟宏伟. 科技创新与应用. 2018(33)
[4]侧扫声纳探测技术的研究现状及发展[J]. 库安邦,周兴华,彭聪. 海洋测绘. 2018(01)
[5]基于四阵元水听器的被动声纳定位接收装置设计[J]. 张杨俊杰,李松昊,邱迪. 电子测试. 2017(01)
[6]PCB的信号完整性设计[J]. 秦清松,于治楼,陈乃阔,耿士华. 通讯世界. 2015(23)
[7]我国海洋声学探测技术竞争力分析[J]. 刘晓东,王磊,杨娟,邓锴. 海洋技术学报. 2015(03)
[8]高速PCB设计中的EMI问题研究[J]. 连龙刚,徐文宽,王保成. 电子技术应用. 2015(03)
[9]成像声呐TVG/AGC电路的设计与实现[J]. 杨康,杨成,夏伟杰. 电子测量技术. 2014(03)
[10]二阶模拟带通滤波器的仿真和实现[J]. 陈文渊,沈斌坚. 声学与电子工程. 2010(03)
博士论文
[1]高分辨率多波束成像声呐关键技术研究[D]. 张小平.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]多波束成像声呐仿真及成像分析研究[D]. 张伟民.内蒙古大学 2019
[2]用于水下高速目标的定位方法研究[D]. 秦银.哈尔滨工程大学 2019
[3]多波束成像声纳半圆阵列稀疏算法研究[D]. 唐烨.南京航空航天大学 2019
[4]高速电路中PDN电源噪声分析及去耦网络设计[D]. 鱼鹏.西安电子科技大学 2018
[5]基于Jetson TX1的人脸识别算法的研究与实现[D]. 毛礼建.杭州电子科技大学 2018
[6]基于前视声纳的水下无人航行器自导技术研究[D]. 朱玲羚.中国舰船研究院 2017
[7]组网声纳目标跟踪技术[D]. 刘威.哈尔滨工程大学 2017
[8]基于FPGA的存储控制器及相关系统设计技术研究[D]. 董星.浙江大学 2017
[9]便携式三维声纳实时成像系统硬件设计[D]. 陈加洋.浙江大学 2014
[10]多波束成像声纳系统硬件平台设计与实现[D]. 杨成.南京航空航天大学 2013
本文编号：3035467
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