干涉合成孔径声纳系统中的数据采集

干涉合成孔径声纳系统中的数据采集 干涉合成孔径声纳系统中的数据采集 第22卷第4期 2007年12月 数据 Journa1of 采 Data 集与处理 Acquisition8LProcessing Vo1.22No.4 Dec.2007 引 文章编号:1004—9037(2007)04—0501—06 干涉合成孑L径声纳系统中的数据采集 邹志农唐劲松汪铭东 (海军工程大学电子工程学院,武汉,430033) 摘要:为了协调测绘速率与方位模糊之间的矛盾,给出了干涉合成孔径声纳采集系统中信号源的设计,多路回波 信号的同步采集,时变增益的控制,姿态数据的获取等问题的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,采用双线程技术实现了回波与姿态数据 的同时采集.经干涉合成孔径声纳湖试检验,证明此采集系统是稳定可行的. 关键词:干涉合成孔径声纳;同步;数据采集;时变增益 中图分类号:TP274文献标识码:A DataAcquisitioninInterferometricSyntheticApertureSonarSystem ZouZhinong.TangJinsong,WangMingdong (ElectronicsEngineeringCollege,NavalUniversityofEngineering,Wuhan,430033,China ) Abstract:Interferometricsyntheticaperturesonar(InSAS)usuallyadoptsmulti— receiverasa compromisebetweenmappingrateandazimuthambiguity.SosynchronalacquisitionOfmulti— channelechosignalisnecessaryforthesystemcoherence.Inaddition,theacquisitionsystem resolvessignalattenuationandrollerrorbyseriousinfluenceoninterferometricimaging.Aset ofmeansincludessignalgeneration,synchronalacquisitionofmulti— channelechosignal,atti— tudedata,andcontrollingofTVG(Timevariablegain).Bothechosignalandattitudedataare synchronouslycollectedbydual—threadtechnology.ResultsfromlaketrialsoftheInSAS demonstratethereliabilityandthefeasibilityoftheacquisitionsystem. Keywords:interferometricsyntheticaperturesonar(InSAS);synchronicity;dataacquisition; timevariablegain 目 干涉合成孔径声纳(InSAS)是在合成孔径声 纳(SAS)基础上增加一幅(或多幅)接收基阵,通过 比相测深的方法得到场景的高度信息,从而得到场 景的三维图像.InSAS兼备了合成孔径声纳分辨率 与成像距离和工作频率无关的优点和干涉测深精度 高,设备简单的优点,近年来在国际上发展迅速. InSAS工作过程大体为声纳平台作匀速直线 运动.在某个位置发射一个脉冲,两分离的接收阵 同时接收目标反射回波.经过固定的脉冲重复间隔 (Pulserepetioninterval,PRI),在下一个位置再 发送同样脉冲并接收回波.工作示意图如图1所 示.两阵元靠基线进行分离,实现干涉,配置如图2 所示. 目标回波作为一个模拟信号通过A/D转换成 数字信号后即可采用合成孔径成像技术(如距离多 图1干涉合成孔径声纳系统工作示意图 基金项目:国家高技术发展研究"863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 "(2004AA631120,2007AA091101)资助项 目. 收稿Et期:200607—26;修订日期2006—1106 502数据采集与处理第22卷 图2干涉合成孔径声纳阵的配置 普勒算法,波数域算法等)得到两幅平面复图像,对 其进行配准再共轭相乘,得到的相位信息即干涉图 模为27c,经过相位解卷,坐标变换后可以获得地形 的三维图像口].由于水中声速与平台速度是可比拟 的,使得最远测绘距离与脉冲重复频率(Pulserep— etitionfrequency,PRF)之间存在矛盾,即为了同 时避免距离向和方位向采样混叠,当PRF按最远 测绘距离设定时,为了满足空间采样率,基阵将被 限制于非常缓慢的运动速度,从而增加了平台的不 稳定性.解决这一问题目前最有效的途径是多子阵 方法,其基本思想是利用实孔径来弥补合成孔径空 间采样率的不足u].对于数据采集系统来说,多子 阵的引入加大了系统的复杂性,其中最突出的问题 是要保证多通道采集同步进行. 总的说来,此采集系统需要解决以下问题: (1)InSAS是一个相干系统,必须要保证信号 发送,接收精确的时间关系.发送和接收的时间起点 必须一致,由此来确定延时并得到距离信息;由于采 用多子阵技术,需要保证各接收通道同步采集. (2)由于受传播衰减,反向散射强度和波束指 向的影响,回波信号强度会随距离(时间)而不同, 为了保证强度的一致性需要引入时变增益 (TVG). (3)实际工作中由于声纳平台运动速度不可能 很高,水体对平台会造成较大扰动,使得声纳无法 实现真正的匀速直线运动,有运动误差.其中对干 涉影响较大的主要是横滚误差,需要加以测量和 补偿. 针对以上3个问题,本文将就数据采集系统中 的信号源设计,多通道回波信号的同步采集,时变 增益控制,姿态数据获取和软件开发等问题给出相 应的解决方案. 1干涉合成孔径声纳数据采集系统 干涉合成孔径声纳数据采集系统主要包括信号 源,带采集卡的PC机和姿态传感器等.信号源除了提 供波形信号外还供给时钟和同步信号,以此保证系统 时间的一致性.姿态传感器用来测量横滚误差PC机 通过人机交互,完成回波信号和姿态传感器数据的采 集和存储,同时产生TVG信号给接收机实现对信号 衰减的补偿.系统构造图如图3所示,图中SCI(Sys— temsynchronizationinterface)为系统同步接口. s从卡皿 姿态串口PCPCI 传感机1....一,r'一 器 ………… 千一卜… . 1. 模l?G 同步,时钟信号信号+ 信 . 号接收机 源线形高频信粤=_回波' 图3InSAS采集系统构造图 实际工作中,信号源按预定的PRI发送波形和 同步,时钟信号.各采集通道收到同步信号后经过 固定的延时以一致的采集频率采集等长的数据,与 此同时系统读一次姿态数据.一个PRI结束后再开 始下一次脉冲,如此反复,直至完成要求的重复次 数.采集系统的时序关系如图4所示. 第1个脉冲间隔第2个脉冲间隔第个脉冲间隔 图4采集系统的时序关系 第4朗邹志农,等:干涉合成孔径声纳系统中的数据采集5O3 1.1信号源设计 信号源除了供给发射机的模拟信号和门控信 号外,另外还供给数据采集系统时钟和同步信号, 以此保证系统时问的一致性. 信号源设计的关键是确定波形表容量.系统中 信号脉宽不大于2Oms,D/A芯片采用AD768,其 转换频率为2MHz,精度16位,则所需容量为40k 双字.存储器采用AT29C1024,其总容量为64k双 字,可以满足要求.数字波形预先采用Matlab等软 件产生并写入存储器. 为了方便脉宽和脉冲重复间隔的控制,信号源 中引入了EPLD(E1ectronica11yprogrammablelog— icdevice)结构.主芯片选用ATERAL公司的 EPM7128SLc84—15.由主计数器产生驱动各存储 器的计数地址,主计数总线信号被送入重复周期比 较器.参加比较的是主计数脉冲和某预置数,事先 预制好的数据由数据选择器选择出来,该选择器是 个多选一选择器,控制选择器选择的是在片外的 DIP拨码开关.通过控制DIP开关的不同组合,选 择出所需要的PRI.当主计数值和预制值一致时产 生清零信号,该主计数器重新开始计数,开始下一 个波形的产生,如此循环往复.调制脉宽则由脉宽 比较器控制.和重复周期比较器一样,通过DIP开 关的设置,得到脉冲结束值,当两个值相等时,D/ A结束.EPID框图如图5所示. l拨码开关 预置数1 预置数 消零厂]=?l竺竺 时钟卜—叫主计数器 预置数1 预置数月 数据选择器. l拨码开关 图5信号源中的EPLD结构 为了增加信号源的驱动能力,信号源的模拟输 出采用线驱LH0002CN,数字输出则采用电流环. 整个信号源的实现框图如图6所示.试验时信 号源输出的一个线性调频信号(Iinearfrequency modulation,IFM)的波形和频谱如图7,8所示,其 脉宽5ms,中心频率150kHZ,带宽2OkHZ. 要 憩 图6基于可编程器件的信号源实现方案框图 鲁 \ 疆 t/ms 图7信号源产生的LFM信号波形 0 — 10 — 20 — 30 , 40 — 50 — 2,0—1,5—1,0—0.500.51.01.52.0 {|10Hz 图8信号源产生的LFM信号的频谱 1.2多通道回波信号的同步采集 为了缩短研发周期并实现多通道的同步采集, 数据采集卡采用台湾凌华公司的DAQ2010.这是 一 款高性能PCI卡,具有以下功能:最高采样速率 2ms/s;4路14位同步A/D;2路1ms/s的D/A输 出;灵活多样的外部控制.系统中需要12,16个通 道来采集回波信号,由于每块DAQ2010卡最多只 能提供4个通道,所以总共需要3,4块卡才能完成 任务.为保证时间一致性采集卡采用主从配置:主 卡接收从信号源发来的时钟和门控信号,由此实现 发送和接收时间起点的一致,而卡之问同步则采用 采集卡的系统同步接口(Systemsynchronization 4,2O1 5O4数据采集与处理第22卷 interface,SSI)功能完成. 1.3时变增益(TVG) TVG主要考虑以下3项[3]: (1)球面扩展损失 TL一2×10log(r2)一401ogr(1) 式中,因考虑了声信号的往返,所以乘数因子为2. (2)反向散射强度 图9为InSAS波束示意图,根据Lambert定 律,反向散射强度 SB一101ogp+10log[sin.](2) 式中:为比例常数,8=asin(/r),则 B=101ogp+10log[sin.]一 101ogp+201ogH一201ogr(3) (3)波束指向性 对于图9,虚线对应着声轴,指向性函数为 1SinfL孚sin(一) D,=10logf—L—f(4)} Lsin(一)fLAJ 式中::c.sfH1,L为阵长,为波长,一般为 已知量. 综合以上3项,所得TVG 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为 TVG一L一B—D,=401ogr一 101ogp一201ogH+201ogr—D,一 +601ogr—D,(5) 式中为合成的一个常数因子. 工作时由主采集卡按照TVG公式生成控制电 压传给接收机,接收机对信号进行增益调整后传给 采集卡.触发信号同样由信号源提供. 图9InSAS波束示意图 1.4姿态数据的获取 由于环境的影响,实际工作中声纳平台不可能 作匀速直线运动,存在运动误差.为测量对干涉影 响较大的横滚误差,系统选用HLPLANAR系列的 二维姿态传感器.该传感器可以实时提供被测平台 的二维倾角,倾角测量范围达到-+-15.,精度可达 0.01.,频率响应为10Hz.数据通过传感器的RS232 通讯口送出,由计算机串口直接接收. 传感器具有被动和主动两种工作模式:被动触 发模式时计算机触发一次,传感器送出一次数据; 主动测量模式时由传感器单向地以一定时间间隔 送出测量数据.传感器默认情况下为主动测量模 式,可以通过RS232口进行工作模式调整. 1.5程序设计 程序设计采用的语言是VisualC++6.0,通 过采集卡自带的链接库——D2K—DASK.LIB控制 底层A/D转换n],利用VC的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 MSComm控件 读取姿态数据]. 本文将程序中参数的输入以及波形的输出放 在同一个界面上,这样既简化了程序的设计,又使 得界面紧凑并易于操作.程序提供4个图形窗口, 可以同时显示4块卡16通道的波形.每4个通道的 波形又分别以绿,红,黄,蓝4种颜色加以区分.采 集参数,如采样频率,采样点数,延时时间,脉冲重 复频率,重复次数等均通过人机界面输入.程序初 次运行时完成所需卡的配置和内存申请,以后再采 集时则首先检查与此相关的参数是否改变,如果已 改变则重新配置卡和申请内存,否则直接跳人下一 步.这样既可减少启动时间,也能避免频繁的注册, 注销操作对采集卡的损伤.随后启动TVG输出,开 始采集回波信号,并接收串口数据.为了保证回波 的采集和姿态数据获取同时进行,程序采用双线程 技术.其中主线程用来接收串口数据,辅线程用来 循环检测预定的脉冲重复次数是否达到,外部是否 给予中止指令.当完成预定的脉冲重复次数时,则 显示采集到的回波信号并存档;如果外部中断数据 采集则给出提示信息.两种方式均停止TVG输出 并关闭串口.如果需要继续采集则重复以上过程, 否则释放卡和内存,程序结束.程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图1O所 不. 此外波形显示时如果采用直接画线的方式,则 图像显示很慢而且屏幕闪烁频繁.为此采用GDI 位图和内存设备环境的方法来消除屏幕的闪烁,并 提高显示的速度.该方法的基本思想是:首先利用 绘图函数在内存设备环境以及与显示兼容的位图 中开始绘制,当整个所需要显示的图形绘制完后, 再将图形快速地复制到屏幕上.这样就不必擦除屏 幕,并且图形在显示之前已经在内存中的位图保存 好,然后直接复制到屏幕.消除了在屏幕上直接绘 第4期邹志农,等:干涉合成孔径声纳系统中的数据采集5O5 图10InSAS数据采集软件流程图 图的时间和背景的擦除,从而消除了屏幕的闪烁, 也加快了图形的显示速度]. 2试验结果 2006年,课题组在浙江对河口水库完成了拖 曳式干涉合成孔径声纳湖试.试验中通过人机界面 调整采样点数,延时时间,脉冲重复次数等参数来 确定测绘带.回波信号与姿态数据采集后一并保存 在硬盘上,最后由信号处理软件完成成像. 图11为多子阵逐点合成孔径成像结果,图 像细节比较清楚,强度前后也比较均衡,在图像的 左部可以看到细沟和小坑等细节.图12为原始地 形图,出现的虚假横向条带地形是由横滚误差引起 的,而细沟和小坑则完全不能分辨出.图13为测得 的横滚误差,横轴对应方位向发送脉冲的位置,纵 轴为当前方位置所测得的横滚角.图14为进行横 滚补偿后的地形图,可见虚假条带基本消除,地形 细节也得以体现.试验结果充分反映出整个采集系 统是可行的. 3结束语 甚 ,一 种 g , 斜距/m 图11合成孔径图 图12横滚补偿前的高程图 吕 \ 魁 隧 脉冲个数 图13横滚误差曲线 图14横滚补偿后的高程图 O 此采集系统主要解决了干涉合成孔径声纳信可靠 . 号源的设计,时间同步,信号TVG补偿和横滚误差 测量等问题.软件界面紧凑,直观,用户可以灵活方参考文献: 便地控制采集方式,也可以通过回波波形实现故障[1]徐江.干涉合成孔径声纳信 号处理研究[D].长沙:国 的快速定位.试验结果表明,该采集系统运行稳定,防科技大学电子科学与工程学 院,2003? 5O6数据采集与处理第22卷 [2]GriffithsHD,RafikTA,MengZ,eta1.Interfer— ometircsyntheticaperturesonarforhigh-resolution 3一Dmappingoftheseabed[J].IEEProc—Radar, SonarNavig,1997,144(2):96—103. 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