[发明专利]一种水下三维场景实时成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及3D立体投影技术领域，具体是指一种水下三维场景实时成像系统。

背景技术

近年来，随着人们对海洋资源的不断需求与开发，水下探测技术得到了飞速发展。人们对海洋的主要探测手段是声波，即声纳技术。因此，利用声纳进行水下探测成为了当今海洋研究的重点课题。然而，大部分声纳系统都是通过声波来判断有无声纳目标，以及目标的方位和距离。目前，国内外在海底三维声纳成像技术方面已经取得了一定的成果；例如：美国RESoN公司开发的新一代数字声纳SeaBat8125，欧洲共同体和挪威共同开发的Echoscope系列三维声纳，美国的海洋工业公司开发的双频识别声纳以及美国的Farsounder公司开发的三维前视声纳；但这些声纳成像技术大多基于二维映射三维图像，或者小范围的慢速三维成像，成像效果不佳，实时性太差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明在于提供一种水下三维场景实时成像系统，能够有效的解决上述现有技术存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种水下三维场景实时成像系统，包括由48块子板、主板和PC主控机组成；所述PC主控机通过千兆以太网与主板相连，所述主板通过LVDS分别48块子板相连；所述子板由输出放大器、4路功率放大器、AD转换器、DA转换器和外围电路构成；所述主板由嵌入式处理器、FPGAXC3S1200E和4片FPGAXC5VSX95T和外围电路组成；

还包括系统FPGA功能设计模块，所述系统FPGA功能设计模块包括子板FPGA设计模块，主板高性能FPGA设计模块和主板接口FPGA设计模块；所述子板FPGA设计模块包括A/D采样控制模块、数据处理模块、数据转换和发送模块以及主信号处理板的通信模块；所述主板接口FPGA设计模块包括发射脉冲信号模块、子板START信号模块、数据合并发送中断信号模块和差分信号转成单端信号模块；

还包括PowerPC系统软件构架和实时可视化显示系统；所述PowerPC系统软件构架包括嵌入式Linux操作系统、系统启动代码开发、驱动程序开发和应用程序开发；所述实时可视化显示系统包括数据模块、三维建模模块、参数控制模块和显示模块；所述数据模块包括网络接收模块、数据存储模块和数据读取模块；所述三维建模模块包括单帧匹配模块、精确配准模块和图像拼接模块；所述参数控制模块包括声纳控制模块、算法管理模块和显示方式控制模块；所述显示模块包括单帧显示模块和全局显示模块。

进一步地，所述每块子板设有48个信号接收通道。

进一步地，所述控制A/D采样芯片对声学信号的幅度和相位信息进行同步A/D采样和采样数据处理，并通过低压差分信号接口将数据上传主板。

进一步地，所述主板将波束形成汇总结果通过千兆以太网口传输给PC主控机。

进一步地，所述主板高性能FPGA设计模块采集数据平均分配给4块FPGA同步进行处理与计算，并通过彼此的数据交互完成波束形成。

进一步地，所述FPGAXC5VSX95T通过LVDS接口接收12块子板上传的数据，通过高速差分对数据线彼此进行数据交互。

进一步地，所述主板接口FPGA负责将4片主板高性能FPGA上传的数据合并，便于PowerPC读取。PowerPC控制FPGA生成脉冲信号，驱动系统发射声学信号，并通过FPGA控制子板开始采集数据。数据汇总完成后生成中断信号，PowerPC根据中断信号读取数据。

本发明的优点：本发明基于优化后的波束形成算法，利用大规模FPGA阵列，较好地解决了大量换能器信号采样和海量数据并行计算的问题。该系统在大坝水下部分监测、海港墙壁检查、水下工程实施、海底管道检查、水下航行器的避障和导航等方面具有广泛的应用前景；并在提高系统性能和降低系统功耗方面做进一步的改进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明子板硬件功能框图；

图3为本发明子板FPGA工作流程示意图；

图4为本发明Virtex-5工作流程示意图；