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用于自由合成孔径声纳的多通道数据采集
P. J. Barclay, M. P. Hayes, and P. T. Gough
Acoustics Research Group,
Dept. of Electrical and Computer Engineering,
University of Canterbury,
Private Bag 4800, Christchurch, NZ
Email: {p.barclay,m.hayes,p.gough}@elec.canterbury.ac.nz
摘要：本文介绍了由坎特伯雷大学声学研究组开发的KiwiSAS-III合成孔径声纳（SAS）开发的数据采集系统。 该声纳系统旨在在浅水环境中提供海底高分辨率图像。 数据采集系统基于与用于数据存储和显示的标准PC接口的电子定制机架。 中央设计特征是所有实时组件的完全同步性质，以确保相干的图像处理技术可以应用于数据。
关键词：数据采集，数字下变频器，FPGA
- 简单介绍
KiwiSAS-III是由坎特伯雷大学声学研究小组开发的自由牵引的侧扫声纳系统。 该系统被设计为一个竞争相干的系统，允许将后处理信号处理应用于数据。 特别地，正在对合成孔径声纳（SAS）算法和测深地形绘图进行研究。
图1：运行中的KiwiSAS系统。
图2：KiwiSAS-III towfish.
系统有两个主要组成部分： 自由拖曳的渔船，以及如图（1,2）所示的拖船五金。 拖鱼是一个鼻子拖着，鼻子钝的设计，后面有稳定鳍。 这些功能旨在使拖曳拖曳的拖网更加稳定，从而减少所产生的图像的模糊。 拖船通过一个50米的多芯拖缆连接到拖船上。 为了最大限度地减少水封渔船的复杂性和成本，数据采集硬件位于拖船上，所有的数据信号都以模拟形式来往于和来自拖船。 该系统设计为在连续数据采集模式下工作，并且由于数据处理的相干性质，系统的所有实时部件必须同步运行。 数据采集硬件安装在标准的19“欧洲卡机架中，通过定制PCI卡连接到标准PC。
- TOWFISH电子
可以认为这些拖网有三个独立的子系统。 这些由发射机，接收机和仪器组成，如图（3）所示。 这三个子系统中的每个都是独立的，除了普通电源。
功率放大器
发射机
接口
接收装置
信号调节
导航
PRE放大器
图3：电子的框图
发射机由12个功率放大器组成，每个放大器驱动三台Tonpilz [1]投影机。 所有放大器都以相同的信号驱动，因此不需要电子转向。 功率放大器直接从可伸缩的plusmn;12V线路供电。 电源去耦通过两条每两根电线的电容器组提供。 这些电容器组确保在传输期间电源电压不会下降。
接收机水听器由9times;7times;3格3排的75times;75mm PVDF瓦片组成。 每行三个并联连接并连接到40dB前置放大器。 这三个信号通过使用差分线路发射机（EL2140C）的拖缆发送到拖船。
为了估计拖曳渔船的方向，包括在渔船的后罐内的仪器包。 该装置包含倾角仪，磁力计和加速度计。 这些传感器使用8位微控制器进行接口，并且所得到的数字数据流通过RS-232链路发送到使用NMEA类型句子的拖船[2]。
- 拖网电子
由于该声纳系统设计为可以从各种小型船只操作，所以系统必须简单，自包含且易于运输。 船上的所有设备都装在小而坚固的集装箱和大型运输手柄上。 整个拖船设置如图（4）所示。
线打印机
仪器架
监控
12v电池
240v发电机
图4：拖船电子的框图。
3.1中央计算
中央压缩机是运行Linux操作系统的现成双处理器Pentium III系统。该计算机安装在坚固的金属盒中，带有大手柄以便于运输。该中央计算机主要通过定制的PCI接口卡[3]记录来自3.3节仪器架的输入数据。该数据以原始形式记录在标准IDE硬盘上，以便执行后处理。
在数据收集期间，需要向船员提供某种形式的反馈，以确保系统的正常运行。为此，数据被脉冲压缩（与发送的信号相关）并且实时显示在平板显示器上。该显示流是用户可配置的，为船员提供有价值的信息。数据也使用热线打印机以硬形式记录。这提供了声纳操作的较长期历史。计算机上运行的软件应用程序由两个主要程序组成。后台任务提供输入数据流的实时数据采集和存储。第二个任务提供了该记录数据的视觉显示，以及所需的任何实时处理。只有原始数据流被记录到磁盘，所有其他处理仅用于可视化显示。
3.2辅助系统
船上的标准12通道GPS接收器提供基本的导航记录。 该定位信息通过串行RS-232连接传输到中央计算机作为NMEA类型句子。 然后将这些句子标记为使来自拖鱼的数据流同步并记录到磁盘上。 这种定位信息对于开发合成孔径算法是有限的，因为GPS接收器必须位于拖船上而不是拖船船上的所有系统的功率由便携式汽油240V发电机产生。 两条大型容量，深循环12V铅酸蓄电池分开供电。 这些电池有助于通过分离拖船和拖船的电源来减少拖网电子设备中的电切换噪音。
3.3仪器架
船上的电子机架提供了实时声纳系统的核心。 这个机架提供了计算机和towcable之间的所有接口，如图（5）所示。 它被安置在一个19“的欧洲卡机架，利用定制的背板来进行卡之间的通信。 机架上的每个卡都通过每个卡上的跳线分配唯一的四位卡号。 这样就可以从中央计算机单独寻址卡片。
3.3.1背板
他的背板是机架内各种卡之间的唯一通信通道。 每个卡的连接通过间距为4HP（1HP = 5.08mm）的16个64针DIN连接器提供。 它是一个完全无源的设备，具有三个主要信号组。 每个连接器的顶部32个引脚以并行总线连接，用于卡之间的数字通信。 接下来的14个引脚用于每个卡的直流电源，如3.3.2节所述。 每个连接器的底部18个引脚分为六组，三组提供到每个卡的模拟连接。 这些连接不是作为总线连接到所有卡，而是连接到背板背面的连接器。 这样可以根据需要进行这些信号的点对点连接。
接收器#1
接收器#2
电缆接口
计算机接口
接收器#3
12v电池
波形产生
电源
图5：拖船仪表架电子系统框图。
3.3.2电源
整个电子机架设计用于从单个240V交流电源运行。 从这几个原始的直流电源是使用具有多个次级绕组的单个变压器得出的。 这些原始电源为plusmn;8V用于模拟电源， 8V用于数字电源，plusmn;15V用于辅助电源。 这些原始电源中的每一个沿着背板路由到所有卡，每个卡根据需要线性调节电源。 通常，8V线路被调节到5V，15V线路被调节到12V。 通过分离电源变压器的模拟和数字电源噪声最小化。 每个物品都有独立的地面回报，并且彼此完全隔离。 为了确保模拟和数字电源之间的共同地电位，这些接地由每个接收器卡上的AD转换器下的0Omega;电阻连接。
3.3.3计算机接口
这是一个简单的卡，提供缓冲和终止到计算机和背板的高速串行链路。 它还包含锁相环（PLL）芯片（MC88915），为整个系统提供主要的40MHz时钟。 使用HCT系列缓冲器实现计算机和背板之间的缓冲。
3.3.4定时/波形发生卡
这张卡有两个主要功能。第一个是产生所有的定时信号来控制系统的其他部分。第二个是产生用作声发射信号的任意模拟波形。该卡的核心是从板载串行PROM芯片（XC17108E）启动的FPGA（XILINX XC4003E）。该FPGA器件配置有可通过背板寻址的多个内部寄存器。
系统的总体时序通过FPGA的两个内部寄存器进行控制。这些寄存器控制发送波形的长度和波形的整体重复周期。这些定时信号通过背板的数字部分发送到系统中的其他卡。它们也被缓冲并路由到前面板上的BNC测试连接器。
声纳使用的任意信号通过FPGA从中央计算机下载到现场存储设备中。然后使用双通道12位数模转换器（DAC7801）将这些波形转换为模拟信号。
然后将DAC的输出缓冲并通过差分变送器（EL2140C）传送到背板。单端信号也通过专用缓冲器路由到前面板上的BNC测试点。这样可以连接示波器来监视发送的信号。除了改变存储在现场存储器中的最大数字码以外，对任何发射信号都没有增益控制。这是因为声纳的发射器总是以最大信号电平工作，以最大程度地发挥声响应。
3.3.5接收卡
接收器卡的主要作用是从拖船获取输入的差分信号，并将其转换为适合数字格式存储在计算机硬盘上。每个卡都有两个独立的，相同的接收器通道。为了在所有接收器通道之间提供同步性，所有器件都由相同的时钟和来自波形卡的定时信号进行控制。每个接收器通道由模拟整形级，数字转换，然后数字下变频降低数据速率。
每个通道被采样为12位40MSps，然后以约30kSps下变频为16位实数16位虚拟采样。以高于奈奎斯特速率对数据进行采样，并将其下采样到较低的速率，从而允许使用低阶抗混叠滤波器。这简化了滤波器设计，减少了所得信号频谱内的相位效应。
使用差分接收器（EL2142C）终止来自拖船的输入差分信号并将其转换为单端信号;匹配的接收器到发射器在towfish。接收器的输入也可以经由继电器从背板切换到辅助测试输入。这允许使用已知的测试信号作为任何接收机的输入来测试它们的操作。该继电器由PC进行软件控制。单端信号然后通过软件控制下的增益级（AD603），从-10dB变为 30dB。这允许将最大信号施加到ADC而不使其过载。从可变增益级的输出，使用截止频率为300kHz的LCL滤波器模块（P3LP-300）对信号进行低通滤波。然后通过由单位增益缓冲器驱动的中心抽头变压器将该滤波后的信号加到ADC（CLC952）的输入端。变压器需要将信号从双极性信号电平转换为适合于ADC输入的单极信号。 ADC输入也通过专用缓冲器路由到前面板进行监控。
AD转换器工作在完整的40MHz时钟频率，执行12位信号转换。该数字数据被传送到执行数据流的频移和抽取的数字下变频器（DDC）（HSP50016）芯片。 DDC的操作是完全软件控制，允许将内部循环调谐到所需的频谱部分。
该卡由复杂可编程逻辑器件（CPLD）（XC95108）数字控制。该设备还对来自两个DDC设备的串行数据流进行时分复用（TDM）。每个DDC产生一个33位数据字，由一个帧脉冲，后跟32个数据位组成。然后将来自三个接收器卡中的每一个的数据流组合成一个串行TDM流，经由定制PCI卡传输到PC，如图（6）所示。
来自三个接收器卡的数据被时分复用在一起以形成用于传输到PC的一个数据流。 这通过在数据流中分配每个卡独特的时隙号来实现。 然后，每个卡将串行线路保持在三态条件，直到达到其时隙。 然后，该卡将驱动串行线路与两个DDC的数据，然后返回到三态条件，以允许另一个卡控制总线。 该时隙分配通过在接收卡CPLD内设置寄存器来实现。将背板的直流电源线性调节到模拟电路的plusmn;5V，数字电路为 5V。 电源的这种分离是减少从数字切换到模拟信号的干扰。
图6：时分多路复用数据总线
- 示例数据
澳大利亚悉尼港的测试地点的结果如图（7）所示。 这个场景包含几个人造物体，包括几个点反射器和一个梯形结构。 还有一个自然平淡的背景。
图7：澳大利亚悉尼港的测试地点的声纳图像已经应用于具有自动对焦处理的合成孔径之后
5.KIWISAS-IV
KiwiSAS系统目前正在重建，以结合新的接收器元件阵列，将接收器元件的总数增加到18.这将允许执行自动对焦领域的进一步工作。 这也将允许更快的拖船操作或增加成像范围。 变送器也被重新设计，以允许使用独立信号驱动各个元件。 这将允许透射光束在方位角上被控制。 发射机和接收机信道的这种增加使得需要在拖船外壳内部包含计算机系统并开发新的多通道数据采集系统[3]。 这个新系统还将引入一种新的导航系统，以便在成像时精确定位tow鱼。 该系统将在长基线配置中使用放置在海底上的固定转发器[4,5]
- 结论
KiwiSAS-III系统已被用于在不同地点多次收集声纳数据。 该数据允许为多个图像处理阶段开发算法，包括合成孔径重建，直接自动对焦[6]，统计自动对焦[7]和测深[8,9]。 这里描述的硬件是数据收集过程的重要部分，显示在一系列尝试条件下是可靠的。
- 致谢
我们要感谢其他成员、声学研究组。 也是成员的研讨会，特别是麦克·库斯丁，史蒂夫·唐宁，尼克·史密斯和彼得·兰伯特，他们对第（4）节中的声纳图像的贡献收集了海上试验
- APPENDIX
bull;XILINX www.xilinx.com
XC95108在系统可编程CPLD
XC4003现场可编程门阵列XC17108串行配置PROM
bull;Analog Devices www.analog.com CLC952 12位，41MSPS单片A / D Con-
越狱
AD603低噪声，90MHz可变增益Am-
膨胀器
bull;Burr-Brown（德州仪器）analog.ti。 com
DAC7801双路单片CMOS 12位乘法数模转换器
bull;OKI Semiconductor
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