高分辨率多波束成像聲吶關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近二十年來，隨著海洋資源開發(fā)和海洋防衛(wèi)技術(shù)的快速發(fā)展，對高分辨率成像聲納的需求越來越迫切，作為水下探測的重要手段，在水下高速目標的軌跡測量、海底地形地貌的繪制、水下目標識別、無人水下作戰(zhàn)平臺的聲探測引導、艦艇的避碰和航空母艦等大型艦船防蛙人襲擊的警戒中發(fā)揮著重要作用。同時，在水下援潛救生領(lǐng)域中，通作對水下目標的構(gòu)造、姿態(tài)及周圍水環(huán)境的清晰認識，能夠為援潛救生方案提供必要的技術(shù)支持，而且還能夠?qū)崟r監(jiān)測水下作業(yè)和監(jiān)督方案的可靠性實施。

2、 本文以國家“863計劃”自動化領(lǐng)域中的“堤壩安全檢測水下機器人”項目為主要應(yīng)用背景開展的，提出了一種基于并行互連拓撲網(wǎng)絡(luò)的實時高分辨率多波束成像聲納系統(tǒng)方案，并圍繞系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)展開了一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。主要研究內(nèi)容包括：并行處理系統(tǒng)的性能分析研究；并行互連拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究，并詳細討論了反圖拓撲網(wǎng)絡(luò)；在上述并行處理互連網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，進行了多DSP節(jié)點的聲納信號并行處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究；然后，針對數(shù)字內(nèi)插、流水線-延時

3、-采樣-聚焦和Delta-Sigma等三種數(shù)字波束形成技術(shù)進行了研究，并基于實時性研究了動態(tài)延時聚焦算法。最后，所實現(xiàn)的高分辨率多波束成像聲納結(jié)合實際的探測需求，進行了應(yīng)用實驗研究。 第1章緒論部分闡述了課題提出的背景和選題的意義，回顧了高分辨率成像聲納的發(fā)展歷程以及在國內(nèi)外的研究應(yīng)用情況，給出了成像聲納基陣的技術(shù)指標和具體設(shè)計，介紹了實時并行處理技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，本文的主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 第2章論述了高速數(shù)字

4、信號處理器的特點和性能，對基于DSP的三種并行處理體系結(jié)構(gòu)進行了分析研究。在此基礎(chǔ)上，研究了并行處理技術(shù)，建立了并行處理系統(tǒng)的數(shù)學分析模型。接著研究和分析了并行處理系統(tǒng)設(shè)計中的流水線技術(shù)的特點和性能。對靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行了研究，，并對一些常用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行了定量對比分析。在二維反圖拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了結(jié)合靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點的反圖拓撲結(jié)構(gòu)。 第3章詳細闡述了基于多DSP的并行處理系統(tǒng)

5、設(shè)計思想。提出了基于共享總線的反圖拓撲互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計和實現(xiàn)了基于C64XDSP的多DSP聲納信號并行處理系統(tǒng)，提出并實現(xiàn)了系統(tǒng)“存儲區(qū)地址全透明映射”的多向訪問控制策略。提出了基于PnP技術(shù)的并行處理分系統(tǒng)設(shè)計思想，設(shè)計和實現(xiàn)了配置功能寄存器和軟、硬件結(jié)構(gòu)的中斷共享。設(shè)計了完整的基于主動消息傳遞的數(shù)據(jù)同步通信協(xié)議，實現(xiàn)了多DSP處理節(jié)點間的高速互連。 第4章對用于低通信號和帶通信號應(yīng)用的兩種情況，研究了數(shù)字內(nèi)

6、插波束形成技術(shù)及波束形成器的設(shè)計實現(xiàn)。在聲納信號處理技術(shù)領(lǐng)域，提出了直接采樣同相/正交分量的帶通信號數(shù)字內(nèi)插波束形成技術(shù)。研究可獲得實時動態(tài)波束掃描和聚焦的流水線-采樣-延時聚焦波束形成技術(shù)和基于中值繪圖算法的實時延時聚焦算法，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)的并行處理技術(shù)要求，提出和實現(xiàn)了實時延時聚焦并行處理算法及相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究Delta-Sigma波束形成技術(shù)，并給出了Delta-Sigma波束形成器的結(jié)構(gòu)性設(shè)計。 第5章論述了高分辨

7、率多波束成像聲納的系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)，闡述了實現(xiàn)數(shù)字波束形成并行處理運算的軟件成像算法，并給出了基于所設(shè)計的硬件平臺的具體應(yīng)用。然后結(jié)合所設(shè)計的高分辨率多波束成像聲納進行了應(yīng)用實驗研究，包括水池輪胎、大理石裂縫模型的系列試驗及葛洲壩電站水庫水底沖坑的現(xiàn)場檢測實驗，獲得了多種水下目標的聲學圖像，通過所獲得的聲圖像和數(shù)據(jù)分析驗證了高分辨率多波束成像聲納達到了技術(shù)指標的設(shè)計要求和實際應(yīng)用需求。 論文的最后總結(jié)了本文的研究成果和創(chuàng)新之處，并對