基于fpga的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种声学测流的信号处理方法和系统，属于声学测流领域和高速数字信号处理领域，尤其涉及一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着经济社会的发展和新的水问题出现，需要进一步创新水文资源理论和方法，服务于水资源的安全、高效与可持续利用。水流流速测量是水文测验最主要的项目之一，快速、准确地开展水流流速测验，已经成为水资源保护、开发和利用以及防汛抗旱的基本要求。传统的水流测流技术无法适应现代水文监测的需求，需要自动化技术促进水文监测自动化的发展。
[0003]声学多普勒流速剖面仪(AcousticDoppler Current Profiler,简称ADCP)是一种新型的声呐测流技术，近十年来得到迅速发展并得到广泛的应用。ADCP假定水体中泥沙、微生物等散射体与水体流速相同，且水体中每一层的流速是相同的。其配有一个或者多个声波换能器，先向水体发射一定频率的声波信号，然后接受被水体中散射体反射回来的声波。当水中散射体远离换能器运动时，换能器接收到的回波信号频率比发射信号频率低，反之则高。这种回波频率与发射频率之间的差值，称为多普勒频偏。ADCP通过分析回波信号的多普勒频偏，计算出水体的流速。其优点主要是采用遥测的方式，对水体流场不产生扰动，能够更加真实、准确地反映出流场的分布情况，而且节约了大量的人力和物力。
[0004]近年来，随着嵌入式微处理器系统的发展，很多高速数字信号处理系统都是以DSP数字信号处理器或者ARM处理器作为主处理器，但是由于这些微处理器都是以顺序指令执行，且自身的接收传输接口带宽比较小，很难满足多路高速模拟采集系统的并行性、实时性和高带宽的要求。单纯的FPGA硬件逻辑架构方案是能够很好地满足系统实时性的要求，但不适合较为复杂的运算，比如复杂的判断结构和顺序流程控制等，系统后期如再需扩展功能或者升级修改算法，就可能会给设计者带来非常重的任务量，不利于系统的维护与二次开发。现在很多FPGA厂商将一些常用的嵌入式处理器硬核MicroBlaZe、PowerPC、ARM等嵌入至IJFPGA芯片中。采用硬件与软件协同的方式进行系统构建，这是一种高效、快捷、灵活的解决方案，同时具有硬件结构电路处理数据的高速、低延迟和实时性等优点以及处理器实现软件多样性、易升级维护等特点。
【发明内容】
[0005]为了克服现有ADCP信号处理系统的结构复杂、功耗高、成本较高、体积大、实时性较差的不足，本发明提供了一种结构简单、功耗低、成本低、体积小、实时性良好的基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法及系统。
[0006]为了解决上述技术问题采用的技术方案为:
[0007]—种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一，系统初始化，上位机设置参数并给出启动信号，系统启动后等待定时器中断，定时时间到进入正式工作流程；
[0009]步骤二，FPGA给出一定长度的数字脉冲信号，等到信号发射完毕后开启DA控制前端增益，高速AD电路采集4路波束输出信号，将数字信号传入FPGA内部，数字信号缓存入DDR2存储器；
[0010]步骤三，从DDR2存储器中读取波束数字信号数据，做正交基带调制处理，变为复数形式，再做复降采样滤波处理，将得到的复数结果存入DDR2存储器中；
[0011]步骤四，从DDR2存储器中读取复降采样滤波之后的数据，计算每一层数据对应的起始点以及层厚对应的点数，对每一层数据做复相关运算；
[0012]步骤五，低速AD电路采集纵摇、横摇、温度、压力信号，计算出装置的姿态以及当前环境的温度和压力值，进而计算出当前水体中的声速，然后读取复相关处理后的数据计算每一层的流速和回波能量；
[0013]步骤六，将参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量储存在TF卡中，并通过RS422或RS232发送给上位机显示。
[0014]一种基于FPGA的声学多普勒剖面仪信号处理系统，所述系统包括数字脉冲信号发射模块、DA输出模块、高速AD采集模块、DDR2存储模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块、低速AD采集模块、TF卡控制模块、网口控制模块以及RS422\RS232通讯模块；
[0015]所述数字脉冲信号发射模块用于输出两路反向编码脉冲信号，供外部电源板使用来驱动声波换能器；
[0016]所述DA输出模块用于输出两路电压信号，供外部模拟电路板使用来调节输入信号的增益；
[0017]所述高速AD采集模块用于采集波束输出信号；
[0018]所述DDR2控制模块用于存储数字信号数据和计算的中间值；
[0019]所述正交调制模块用于将时域数字信号转换为复数形式；
[0020]所述滤波降采样模块用于信号滤波降采样处理；
[0021 ]所述复相关计算模块用于每一层数据复相关运算处理；
[0022]所述低速AD采集模块用于采集纵摇、横摇、温度、压力值；
[0023]所述TF卡控制模块用于存储参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量等结果数据；
[0024]所述网口控制模块用于将信号数据通过网线上传至上位机；
[0025]所述RS422\RS232通讯模块用于系统跟上位机进行通讯。
[0026]进一步，所述高速AD采集模块和低速AD采集模块各为4路，所述DA控制模块为2路。
[0027]再进一步，所述DDR2存储模块包括AD原始数据缓存区、滤波数据缓存区、复相关计算结果缓存区。
[0028]所述滤波降采样模块包括:低通滤波单元，用于信号256阶低通滤波处理；降采样单元，将滤波之后的信号数据进行8降I降采样。
[0029]所述复相关计算模块包括:浮点复数相乘单元，用于浮点复数相乘计算;浮点复数累加单元，用于浮点复数累加计算。
[0030]本发明的有益效果:本发明能够发射数字脉冲信号，然后实时采集声呐回波信号，快速、精确的计算出水流坡剖面的速度和回波能量，并将结果数据和参数存储在TF卡，同时通过串口将数据传输到上位机进行显示，满足ADCP流速计算实时性、精确性的要求。
【附图说明】
[0031]图1是一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统结构示意图。
[0032]图2是一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法流程图。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的技术实现更加明了，下面结合具体示意图，进一步阐述本发明。
[0034]参照图1和图2，一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法，所述方法包括以下步骤:
[0035]步骤一，系统初始化，上位机设置参数并给出启动信号，系统启动后等待定时器中断，定时时间到进入正式工作流程；
[0036]步骤二，FPGA给出一定长度的数字脉冲信号，等到信号发射完毕后开启DA控制前端增益，高速AD电路采集4路波束输出信号，将数字信号传入FPGA内部，数字信号缓存入DDR2存储器；
[0037]步骤三，从DDR2存储器中读取波束数字信号数据，做正交基带调制处理，变为复数形式，再做复降采样滤波处理，将得到的复数结果存入DDR2存储器中；
[0038]步骤四，从DDR2存储器中读取复降采样滤波之后的数据，计算每一层数据对应的起始点以及层厚对应的点数，对每一层数据做复相关运算；
[0039]步骤五，低速AD电路采集纵摇、横摇、温度、压力信号，计算出装置的姿态以及当前环境的温度和压力值，进而计算出当前水体中的声速，然后读取复相关处理后的数据计算每一层的流速和回波能量；
[0040]步骤六，将参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量储存在TF卡中，并通过RS422或RS232发送给上位机显示。
[0041]一种基于FPGA的声学多普勒剖面仪信号处理系统，所述系统包括数字脉冲信号发射模块、DA输出模块、高速AD采集模块、DDR2存储模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块、低速AD采集模块、TF卡控制模块、网口控制模块以及RS422\RS232通讯模块，其中，
[0042]所述数字脉冲信号发射模块用于输出两路反向编码脉冲信号，供外部电源板使用来驱动声波换能器;所述DA输出模块用于输出两路电压信号，供外部模拟电路板使用来调节输入信号的增益;所述高速AD采集模块用于采集波束输出信号；所述DDR2控制模块用于存储数字信号数据和计算的中间值;所述正交调制模块用于将时域数字信号转换为复数形式;所述滤波降采样模块用于信号滤波降采样处理;所述复相关计算模块用于每一层数据复相关运算处理;所述低速AD采集模块用于采集纵摇、横摇、温度、压力值;所述TF卡控制模块用于存储参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量等结果数据;所述网口控制模块用于将信号数据通过网线上传至上位机;所述RS422\RS232通讯模块用于系统跟上位机进行通讯。
[0043]所述数字脉冲信号发射模块，与所述DA输出模块相连接；
[0044]所述DA输出模块，与所述数字脉冲信号发射模块和高速AD采集模块相连接；
[0045]所述高速AD采集模块，与所述DA输出模块、DDR2存储模块和正交调制模块相连接；
[0046]所述DDR2存储控制模块，与所述高速AD采集模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块相连接；
[0047]所述正交调制模块，与所述高速AD采集模块、DDR2控制模块、滤波降采样模块相连接；
[0048]所述滤波降采样模块，与所述正交调制模块、DDR2控制模块、复相关计算模块相连接；
[0049]所述复相关计算模块，与所述DDR2控制模块、滤波降采样模块相连接；
[0050]所述低速AD采集模块