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论文专区多波束成像声纳系统低功耗设计

溪流的海洋人生2019-01-16 04:25:59

【编者按针对多波束成像声纳系统降低系统功耗提高续航能力的要求,从硬件和算法两个方面展开了对系统的低功耗设计。硬件方面通过采用单电源运算放大器(OPA)电路架构对系统调理模块的放大、滤波链路进行了重新设计,实际测试结果表明实现了14.37W的系统功耗降低。算法方面通过提出一种基于圆阵的旋转多波束形成方法,在完成系统多波束设计的基础上实现了85倍的资源优化效果,为信号处理模块的FPGA芯片低功耗选型提供了技术支撑。本文发表在《海洋测绘》2015年第3期上,现编发给朋友们阅读了解。崔海英,女,1965年出生,北京人,无锡市海鹰加科海洋技术有限责任公司,高级工程师,主要从事声呐信号处理研究。

文/崔海英 董琎琎 夏伟杰 窦法旺 蒋鹏飞 金雪


一、引言

成像声纳[1]通过直观、实时的图像来展现探测区域的信息,能够比其他类型的探测声纳提供更高的分辨能力和更多的目标图像信息。本文的多波束成像声纳主要针对浅水成像探测应用,通过蓄电池进行供电而分辨率的提高主要通过增加信号的通道数目和采用高复杂度的信号处理算法来实现。系统复杂度的提高必然带来系统功耗的急剧上升,从而影响到产品的续航能力,因此系统软硬件的低功耗设计显得尤为重要

文献[2]提出了一种温室监测系统的低功耗设计方案,硬件设计通过采用低功耗射频芯片和智能开关芯片,软件编写通过采用事件驱动方法延长节点休眠时间来降低系统的功耗。文献[3]对FPGA设计中影响系统功耗的几个相互关联的参数进行取样,通过XPower软件估算不同样点下的系统功耗,找到功耗最低的取样点,得到最佳设计参数,从而达到优化系统功耗设计的目的。文献[4]通过改进回波检测算法,将混沌检测理论引入水声测距领域,提高了系统对微弱信号的检测能力,从而降低了系统的发射功率,实现了低功耗设计。文献[5]通过对磁力仪、电缆、数据采集计算机、UPS等各个部件的改装、改造、替换构思,提出一套完整的便携化方案,使整套系统的功耗、体积、质量均显著降低,从而实现系统便携化。

多波束图像声纳能够对水下目标精细成像,可用于海洋测绘、海洋工程、水下警戒及水下防险救生,多数情况下为支架机动安装甚至潜水员手持式应用,以电池供电方式为主,所以,降低设备功耗,提高电池续航力具有重要意义。本文基于多波束成像声纳系统样机[6]的课题研究,依据对产品进行的性能实测结果,综合考虑了系统低功耗设计的众多前沿技术和方法,从硬件和算法等方面展开了对声纳系统整体性能的低功耗设计工作。一方面,通过改进运算放大器的供电方式,降低信号调理电路的功耗;另一方面,改进波束形成算法,巧妙地实现了加权系数和计算单元的复用,降低了FPGA芯片的资源需求,进而减小了FPGA电路的功耗。


二、系统总体架构

本文的成像声纳系统架构见图1,整个硬件系统安装在一个塑料水密舱中,包括180路的发射与接收声基阵、电源模块、信号调理模块、信号处理与传输模块以及一些接口电路。


系统工作时,通过发射声基阵将发射模块产生的震荡信号转换成脉冲声波发射出去,信号在水底形成反射,反射的声波信号再经接收声基阵转换为电信号,进入接收电路。接收声基阵具有180个基元,每个基元输出的回波信号通过接口板进入接收电路进行信号的调理与采集。采集后的180路数字信号再进入信号处理与传输模块,该模块对采集数据进行复解调、抽取滤波等一系列的处理,实现数字波束形成以及波束数据的千兆网传输。同时干端PC实时下发控制命令,对发射接收电路和波束形成过程进行控制。电源模块则负责给成像声纳系统中各个分模块提供低噪声的电源。


三、系统的低功耗设计

⒈ 系统总体功耗分析

由于本文成像声纳系统前端接收到的换能器回波信号为μV级的微弱差分信号,对系统电源的噪声水平提出了较高的要求。综合考虑电源的利用效率和噪声系数,选用了Vicor公司的低噪声解决方案,使用其零电压开关DC-DC转换器配合μRAM有源滤波模块,实现在10Hz~10MHz工作频段内20~60dB的纹波衰减,实际测试下可以有效检测200μV的回波信号。声纳系统的电源分配网络见图2。


对系统总体功耗的测试结果如表1所示,可以看到Vicor公司的低噪声解决方案85%的电源效率带来了13.16W的功率损耗,180路的调理通道的功耗也高达43.12W,而信号处理模块中两部分FPGA电路的功耗为31.45W,系统整体87.73W的总功耗对于产品海洋应用的续航能力带来了很大的影响,因此在产品投入市场之前,迫切需要进行基于软硬件系统的低功耗设计。


⒉ 基于单电源OPA的调理采集电路优化设计

依据设计指标中调理通道对信号增益控制的要求,本文的成像声纳系统样机设计了基于可编程器件的信号调理采集电路[7],完成了对180路差分回波信号的调理和采集。该电路由前置放大模块、AGC/TVG模块、带通滤波器模块以及ADC(analog to digitalconverter)模块组成。具体的信号链流程图见图3。


从表1的系统总体功耗测试数据可以看到,采用双电源供电的180路信号放大、滤波、采集电路的平均单路功耗为0.24W,调理采集电路的总功耗达到了43.12W,再综合考虑到前级有源滤波电路85%的电源转换效率,总功耗为50.73W。由于系统的通道数高达180路,因此单路功耗的降低可以被明显积累,在系统的低功耗设计中占据重要的地位。

合理的单电源OPA电路设计[8]可以在保证原有双电源供电模式性能的基础上大大降低整个放大、滤波链路的功耗,但是由于仪表放大器不能提供轨到轨输出而导致输出的摆幅会有所降低[9],由于本文设计的声纳系统前端增益的裕度较大,系统信号调理电路输出信号的峰-峰值只有1V,所以可以考虑单5V供电,甚至不必要求OPA为轨至轨(满幅)输出,故可以通过单电源的设计来降低系统功耗,由于前端是0V的差分信号,导致前置放大器使用单电源供电时会出现负半轴信号截止的问题,只能通过电路结构在差分信号上加入2.5V的偏置。

表2为本文声纳系统的放大链路单、双电源供电模式下的静态功耗对比,可以看到改为单电源供电方式之后单个放大、滤波链路仅芯片功耗就可以降低59mW,而最重要的是系统电源分配网络中可以减少掉-5V的供电模块,考虑到该有源滤波模块85%的供电效率,系统的功耗得到了明显的降低,总功耗降低了59mW×180+2.94W=13.56W。实际测试中由于LDO数目的减少,+5.5V电源的电流仅增加了0.42A,即总功耗降低了14.37W,优化效果明显。


⒊ 基于旋转多波束形成算法的优化设计

FPGA的功耗[10]高度依赖于用户的设计,没有哪种单一的方法能够实现功耗的降低,这里旨在通过对信号处理核心算法的优化,降低对乘法器和存储资源的需求来达到系统低功耗设计的目的。本文的声纳系统采用部分阵元移相相加形成多波束[11],通过对接收声基阵各阵元信号进行相位补偿处理形成预设方向的波束。但是成像声纳具有阵元数多,工作频率高,需要产生的波束数多的特点,所以数据量庞大,产生P个波束,就需要P组加权系数矢量,而每组加权系数矢量又含有相当多的系数,存储各通道信号数据和波束加权系数矢量需要耗费大量的存储空间。本文在相移算法基础上进行了一些改进,提出一种基于圆阵的旋转多波束形成方法[12],相比现有技术,本方法可使存储需求降低两个数量级,有效降低系统对波束加权矢量系数的存储量,大大节省系统的存储资源。

采用如图4所示的均匀半圆阵作为接收声基阵,则对接收阵列中N个连续排列的接收阵元所接收的回波信号进行加权移相相加得到θ方向的波束输出可表示成:


式中,xk(t)为第k个水听器在时刻t时的信号;ω0为输入信号的角频率;N为形成一个波束所采用的阵元数;τk为第k个水听器相对于接收阵圆心的延时。


本文基于圆弧阵的旋转多波束形成方法,只需要6组加权系数矢量即可以在45°~135°方向产生均匀分布的538个波束:1-91#阵元分别采用6组加权系数矢量产生1-6#波束,2-92#阵元采用相同的6组加权系数矢量产生7-12#波束。以此类推,最后90-180#阵元也采用相同的6组加权系数矢量产生535-540#波束(其中539#和540#波束在成像的90°范围之外,舍弃不用),这样设计之后,只需要6组加权系数矢量就可以产生540个波束

对于180阵元的均匀半圆阵,相邻两个阵元之间的圆心角为180°÷179=1.0056°;另一方面,波束间距为90°÷537=0.1676°。可以发现,相邻阵元之间的圆心角刚好是波束间距的6倍。当用2-92#阵元产生7-12#波束时,因为2-92#阵元等效弦与1-91#阵元等效弦相比转过的角度为1.0056°,同时波束与1#波束之间的间距也为1.0056°,因此产生7#波束时各阵元的延时及幅度加权系数矢量与以1-91#阵元产生1#波束时相同,可以用相同的加权系数矢量产生1#、7#、…、535#波束,只是每次采用的阵元不同,选取不同的阵元可以通过阵元等效弦的转动实现。以此类推,采用第二组加权系数矢量可以同时产生2#、8#、…、536#共90个波束。因此,90个波束复用1组加权系数矢量,只需要6组加权系数矢量,即可通过等效弦的转动来实现540个等间距波束的产生,所需加权系数矢量个数降低了85倍,大大降低了运算存储量和乘法器资源需求,为后期选用低功耗的FPGA芯片做好了技术准备。


四、结束语

本文基于课题组多波束成像声呐系统样机的课题研究,从运算放大器电源和信号处理算法等方面展开了对声呐系统整体性能的低功耗设计。基于单电源OPA的改进设计将系统总功耗由87.73W降低至73.36W,而基于旋转多波束形成的创新算法设计有效地降低了系统高达180路调理通道对硬件运算和存储资源的需求,显著降低了系统的功率损耗,从而有效提高了产品的续航能力


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[12]夏伟杰,周建江,于政,等.一种多波束形成方法及使用该方法的多波束纳:CN103630887A[P].2014-03-12.


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