[发明专利]一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统

说明书

一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，涉及海洋声学装备技术领域，包括ZYNQ模块、Spartan‑6模块、高速AD模块、模拟前端模块、电源模块、DDR3模块、千兆网模块、PWM模块、DA模块、SD卡模块以及串口通信模块。本发明抗干扰能力较好、功耗较低、实时性良好。本发明提供了一种能对多路模拟通道同步采集、大量数据高速处理、成像速度快的基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统。

技术领域

本发明涉及海洋声学装备技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统。

背景技术

由于海洋中水下环境比较复杂，使得能在水中远距离传输的声波成为海洋探索和研究过程中有效的信息传递方式。虽然声信号的频率越低其能量在水下衰减的越少，但是为了保证图像的分辨率，一般成像声呐系统还是会选取较高频率的信号。声呐成像技术利用声信号作为传递信息的载体，并通过成像设备进行图像生成和显示，用于目标或者障碍物的识别、定位以及显示等。常见的前视声呐分为单波束成像声呐、多波束成像声呐和三维成像声呐。多波束成像声呐虽然存在成本高、传输数据大等缺点，但是目标识别精度高、图像生成速度快。

水中压力与压强和受力面积有关，同样压强受力面积小则受到的压力小，所以要求声呐电路小型化、嵌入式化。FPGA硬件逻辑架构因为其并行性、实时性好的特点被广泛应用于嵌入式系统，而嵌入式系统具有专用性强、可裁剪性高、系统精简安全等特点，适用于水下声呐系统。近年来随着嵌入式微处理器系统的发展，前视声呐的信号处理算法比较复杂，多波束形成时需要使用大量的聚焦参送，目前对于该困难的解决大多是提升硬件设备，而利用FPGA的高速处理能力，这样即满足储存要求也对系统成像性能有所提升。

ZYNQ系列集成ARM处理器的软件可编程性与FPGA的硬件可编程性，不仅可实现重要分析、硬件加速与优异的性能功耗比和设计灵活性，还在单个器件上高度集成CPU、DSP、ASSP以及混合信号功能。使用ZYNQ芯片优点在于开发环境的大集成；AXI4标准总线互联；PS和PL数据交换便捷且通讯速度快；节省一个ARM的布局面积和通讯总线的资源消耗，硬件集成度高等。

发明内容

为了克服现有前视声呐信号处理系统需要同时采集几十路甚至上百路模拟前端电路、数据量庞大、成像速度慢等问题。采用ZYNQ+Spartan-6结合的方式来对多路AD数据进行采集，并利用FPGA的PS+PL结构实现系统的控制指令处理、高速回波信号上传、高速并行数字信号处理；在模拟前端采用多路低噪声、小相移差和高增益调节范围的电路。本发明提供了一种能对多路模拟通道同步采样、大量数据高速处理、成像速度快的基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，所述硬件系统包括ZYNQ模块、Spartan-6模块、高速AD模块、模拟前端模块、电源模块、DDR3模块、千兆网模块、PWM模块、DA模块、SD卡模块以及串口通信模块，其中，模拟前端模块包括信号放大模块、带通滤波模块和TVG模块，

所述ZYNQ模块包括ZYNQ最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块和外部晶振模块，用于负责和Spartan-6模块、DA模块、PWM模块、千兆网模块、串口通信模块、DDR3模块以及SD卡模块数据交互，在信号处理系统中，ZYNQ用于多波束形成算法的实现；

所述Spartan-6模块包括Spartan-6最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块以及外部晶振模块，将多路AD的数据初步处理后通过LVDS方式传输给ZYNQ模块，在信号处理系统中，Spartan-6对AD传输过来的信号进行回波信号采集以及DFT(离散傅里叶变换)谱线抽取处理；

所述高速AD模块将模拟前端处理完的模拟信号转为数字信号，具有多路高速、高精度的A/D采样通道；