高分辨率多波束成像聲吶關鍵技術研究.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，在水下援潛救生領域中，通作對水下目標的構造、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支持，而且還能夠實時監(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”自動化領域中的“堤壩安全檢測水下機器人”項目為主要應用背景開展的，提出了一種基于并行互連拓撲網絡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)的設計與實現展開了一系列關鍵技術的研究工作。主要研究內容包括：并行處理系統(tǒng)的性能分析研究；并行互連拓撲網絡結構研究，并詳細討論了反圖拓撲網絡；在上述并行處理互連網絡研究的基礎上，進行了多DSP節(jié)點的聲納信號并行處理系統(tǒng)的設計與實現研究；然后，針對數字內插、流水線-延時

3、-采樣-聚焦和Delta-Sigma等三種數字波束形成技術進行了研究，并基于實時性研究了動態(tài)延時聚焦算法。最后，所實現的高分辨率多波束成像聲納結合實際的探測需求，進行了應用實驗研究。 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)展歷程以及在國內外的研究應用情況，給出了成像聲納基陣的技術指標和具體設計，介紹了實時并行處理技術的研究與發(fā)展現狀，本文的主要研究內容和組織結構。 第2章論述了高速數字

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構進行了分析研究。在此基礎上，研究了并行處理技術，建立了并行處理系統(tǒng)的數學分析模型。接著研究和分析了并行處理系統(tǒng)設計中的流水線技術的特點和性能。對靜態(tài)互連網絡拓撲結構和動態(tài)互連網絡拓撲結構進行了研究，，并對一些常用的網絡拓撲結構進行了定量對比分析。在二維反圖拓撲結構的基礎上，研究了結合靜態(tài)互連網絡和動態(tài)互連網絡優(yōu)點的反圖拓撲結構。 第3章詳細闡述了基于多DSP的并行處理系統(tǒng)

5、設計思想。提出了基于共享總線的反圖拓撲互連網絡結構，并以此結構為基礎設計和實現了基于C64XDSP的多DSP聲納信號并行處理系統(tǒng)，提出并實現了系統(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技術的并行處理分系統(tǒng)設計思想，設計和實現了配置功能寄存器和軟、硬件結構的中斷共享。設計了完整的基于主動消息傳遞的數據同步通信協(xié)議，實現了多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用的兩種情況，研究了數字內

6、插波束形成技術及波束形成器的設計實現。在聲納信號處理技術領域，提出了直接采樣同相/正交分量的帶通信號數字內插波束形成技術。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和基于中值繪圖算法的實時延時聚焦算法，結合硬件結構的并行處理技術要求，提出和實現了實時延時聚焦并行處理算法及相應的硬件結構設計。研究Delta-Sigma波束形成技術，并給出了Delta-Sigma波束形成器的結構性設計。 第5章論述了高分辨

7、率多波束成像聲納的系統(tǒng)設計實現，闡述了實現數字波束形成并行處理運算的軟件成像算法，并給出了基于所設計的硬件平臺的具體應用。然后結合所設計的高分辨率多波束成像聲納進行了應用實驗研究，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據分析驗證了高分辨率多波束成像聲納達到了技術指標的設計要求和實際應用需求。 論文的最后總結了本文的研究成果和創(chuàng)新之處，并對