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(lái)，隨著海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋防衛(wèi)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)高分辨率成像聲納的需求越來(lái)越迫切，作為水下探測(cè)的重要手段，在水下高速目標(biāo)的軌跡測(cè)量、海底地形地貌的繪制、水下目標(biāo)識(shí)別、無(wú)人水下作戰(zhàn)平臺(tái)的聲探測(cè)引導(dǎo)、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(shí)，在水下援潛救生領(lǐng)域中，通作對(duì)水下目標(biāo)的構(gòu)造、姿態(tài)及周?chē)h(huán)境的清晰認(rèn)識(shí)，能夠?yàn)樵疂摼壬桨柑峁┍匾募夹g(shù)支持，而且還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水下作業(yè)和監(jiān)督方案的可靠性實(shí)施。

2、 本文以國(guó)家“863計(jì)劃”自動(dòng)化領(lǐng)域中的“堤壩安全檢測(cè)水下機(jī)器人”項(xiàng)目為主要應(yīng)用背景開(kāi)展的，提出了一種基于并行互連拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)展開(kāi)了一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。主要研究?jī)?nèi)容包括：并行處理系統(tǒng)的性能分析研究；并行互連拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究，并詳細(xì)討論了反圖拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)；在上述并行處理互連網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多DSP節(jié)點(diǎn)的聲納信號(hào)并行處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究；然后，針對(duì)數(shù)字內(nèi)插、流水線(xiàn)-延時(shí)

3、-采樣-聚焦和Delta-Sigma等三種數(shù)字波束形成技術(shù)進(jìn)行了研究，并基于實(shí)時(shí)性研究了動(dòng)態(tài)延時(shí)聚焦算法。最后，所實(shí)現(xiàn)的高分辨率多波束成像聲納結(jié)合實(shí)際的探測(cè)需求，進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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(guó)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(biāo)和具體設(shè)計(jì)，介紹了實(shí)時(shí)并行處理技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，本文的主要研究?jī)?nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 第2章論述了高速數(shù)字

4、信號(hào)處理器的特點(diǎn)和性能，對(duì)基于DSP的三種并行處理體系結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)分析模型。接著研究和分析了并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的流水線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)和性能。對(duì)靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，，并對(duì)一些常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量對(duì)比分析。在二維反圖拓?fù)浣Y(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(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)的反圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 第3章詳細(xì)闡述了基于多DSP的并行處理系統(tǒng)

5、設(shè)計(jì)思想。提出了基于共享總線(xiàn)的反圖拓?fù)浠ミB網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于C64XDSP的多DSP聲納信號(hào)并行處理系統(tǒng)，提出并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)“存儲(chǔ)區(qū)地址全透明映射”的多向訪(fǎng)問(wèn)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(jì)思想，設(shè)計(jì)和實(shí)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(jì)了完整的基于主動(dòng)消息傳遞的數(shù)據(jù)同步通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了多DSP處理節(jié)點(diǎn)間的高速互連。 第4章對(duì)用于低通信號(hào)和帶通信號(hào)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(jì)實(shí)現(xiàn)。在聲納信號(hào)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(hào)數(shù)字內(nèi)插波束形成技術(shù)。研究可獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)波束掃描和聚焦的流水線(xiàn)-采樣-延時(shí)聚焦波束形成技術(shù)和基于中值繪圖算法的實(shí)時(shí)延時(shí)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)延時(shí)聚焦并行處理算法及相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(jì)。 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(jì)實(shí)現(xiàn)，闡述了實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成并行處理運(yùn)算的軟件成像算法，并給出了基于所設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)的具體應(yīng)用。然后結(jié)合所設(shè)計(jì)的高分辨率多波束成像聲納進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究，包括水池輪胎、大理石裂縫模型的系列試驗(yàn)及葛洲壩電站水庫(kù)水底沖坑的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得了多種水下目標(biāo)的聲學(xué)圖像，通過(guò)所獲得的聲圖像和數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了高分辨率多波束成像聲納達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求和實(shí)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(duì)