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基于FPGA的多波束合成孔径声呐信号采集处理系统设计与实现

摘要

成像声呐在海底地形地貌的探测等方面发挥着不可或缺的作用，其中多波束测深声

呐具备高效率、高精度、高分辨等特点，但其波束脚印从根本上限制了航迹向分辨率。

传统合成孔径声呐大多基于侧扫声呐基阵结构，虽然利用孔径合成信号处理技术能够获

得水下成像高分辨率，但其正下方不可避免地存在探测间隙。多波束合成孔径声呐既不

需要对正下方进行补隙，又具备航迹向高分辨率不受距离与频率影响的优势。因此本文

在国家自然科学基金-山东省联合基金项目的支持下，基于现有的声呐基阵，完成多波束

合成孔径声呐信号采集处理系统设计与实现。

首先，简述多波束合成孔径声呐的国内外发展现状、探测机理与信号采集处理技术。

研究多波束合成孔径声呐探测机理，分析其功能需求以及硬件组成结构，结合多波束合

成孔径声呐基阵参数进行关键参数论证。提出了基于FPGA的多波束合成孔径声呐信号

采集处理系统模拟接收电路、数字处理平台与信号采集、成像预处理逻辑方案。

其次，对模拟接收电路中的固定增益、可控增益、带通滤波、模数（后续简称A/D）

转换、数模（后续简称D/A）转换等进行芯片选型与电路实现，并通过Multisim仿真验

证电路设计的正确性。完成基于FPGA的数字处理平台中电源转换、千兆网传输、串口

通信、辅助存储模块的电路实现。通过AltiumDesigner绘制多波束合成孔径声呐信号采

集处理系统硬件电路原理图、PCB并完成制板、焊接。

再次，基于多波束合成孔径声呐信号采集逻辑方案，利用Zynq7100核心处理平台，

实现信号采集逻辑中串口通信、信号源输出、增益控制、A/D转换、基于FDMA的高速

缓存模块并完成逻辑功能的仿真验证。对多波束合成孔径声呐信号成像预处理过程中相

关原理进行介绍，提出多波束合成孔径声呐成像预处理逻辑的改进方案，实现数字混频、

延时抽取、脉冲压缩等模块并完成逻辑功能的仿真验证。

最后，完成多波束合成孔径声呐信号采集处理系统硬件电路中增益放大、带通滤波、

通道一致性、等效输入噪声性能指标的测试，并通过集成逻辑分析仪获取联调测试过程

中的数据，验证了信号采集与成像预处理逻辑的功能。最终通过水池与外场试验，验证

了多波束合成孔径声呐信号采集处理系统的有效性与可靠性。

关键词：多波束合成孔径声呐；信号采集处理；FPGA；Zynq7100；FDMA

基于FPGA的多波束合成孔径声呐信号采集处理系统设计与实现

ABSTRACT

Imagingsonarplaysanindispensableroleinthedetectionofseabedtopographyand

landforms,amongwhichmultibeambathymetricsonarhasthecharacteristicsofhighefficiency,

highaccuracy,andhighresolution.However,itsbeamfootprintfundamentallylimitsthe

resolutionofthetrajectory.Traditionalsyntheticaperturesonarismostlybasedonasidescan

sonararraystructure.Althoughhigh-resolutionunderwaterimagingcanbeachievedusing

aperturesynthesissignalprocessingtechnology,thereisinevitablyadetectiongapdirectly

belowit.Multibeamsyntheticaperturesonardoesnotrequireclearancedirectlybelow,and

hastheadvantageofhighresolutioninthedirectionoft