一种合成孔径实验系统、实验方法及高分辨率探测设备与流程

[0001]
本发明属于实验技术领域，尤其涉及一种合成孔径实验系统、实验方法及高分辨率探测设备。


背景技术：

[0002]
目前，合成孔径成像是一种新型高分辨率探测技术，在经济社会和军事信息领域应用广泛。在高校电子信息类专业课程教学中，合成孔径原理已经成为探测原理类课程的核心基础的教学内容。其理论体系抽象、技术要素庞杂、专业性和学术性都很强，长期以来，该部分教学内容的配套实验大多采用虚拟仿真的方式，实物实验手段受限，严重影响教学效果提升。
[0003]
如果将现有的合成孔径声纳搬移至实验室，不但需要大型水池，实验场地造价昂贵，而且合成孔径声纳声纳设备少则需要几百万人民币，多则需要几千万人民币。因此现有的合成孔径成像设备搬移至实验室进行实验，难度较大，成本较高。
[0004]
本发明对复杂的合成孔径成像设备进行简化设计，不但能够反应合成孔径成像的原理，还大大降低了成本和使用场地条件。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种合成孔径实验系统、实验方法及高分辨率探测设备。
[0006]
本发明是这样实现的，一种合成孔径实验系统，所述合成孔径实验系统包括：
[0007]
显控与处理系统、实验箱体、换能器单元及探测轨道；
[0008]
显控与处理系统，用于进行参数设置、指令控制、数据采集、信号处理以及实验波形和数据的显示；同时用于进行人机交互；
[0009]
实验箱体，包括主控实验模块以及自主实验模块；用于进行参数设置、指令控制、数据采集和进行自主实验；
[0010]
换能器单元，用于进行电声转换；即发射时，将电信号转换成声信号；接收时，将声信号转换成电信号；
[0011]
探测轨道，用于牵引换能器单元进行匀速直线运动，模拟合成孔径原理的运动状态。
[0012]
进一步，所述显控与处理系统包括：
[0013]
信号发射控制模块，用于进行信号发射控制；同时用于当回波信号记录进度达到100％时，停止信号发射；
[0014]
信号记录控制模块，用于进行回波信号记录控制；并用于当记录进度达到100％后，自动停止数据记录；同时用于控制数据记录的暂停；
[0015]
数据处理模块，用于对记录的数据进行合成孔径成像处理；
[0016]
显示模块，用于显示记录数据的进步以及成像结果；
[0017]
数据测量模块，用于对成像结果中的目标位置进行测量。
[0018]
进一步，所述实验箱体包括：
[0019]
主控实验模块，包括主控fpga单元、adc单元、主控dds单元、tvg单元、接收单元、发射单元、检波整形单元和主控led显示单元；用于利用显示控制软件进行参数设置、指令控制、数据采集，以及实验波形和数据显示；
[0020]
自主实验模块，包括fpga单元、dds单元1、dds单元2、数码管显示单元和led显示单元；用于进行自主编程以及自主实验。
[0021]
进一步，所述主控实验模块包括：
[0022]
主控fpga单元，用于产生发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号；用于将发射门控信号引出至学生自主实验模块fpga单元，进行信号互联；同时用于与网络接口芯片进行以太网通信，接收pc机发来的控制指令和参数，发送获得的数据；用于产生数字发射信号、接收检波整形模块输出信号，计算距离测量值；产生adc的控制信号，通过adc打算采集回波信号；产生主控dds单元的控制信号，并计算相关寄存器参数，通过主控dds单元输出指定参数的波形信号；产生tvg数据和控制信号，通过tvg单元输出可变增益放大器的增益控制信号；产生轨道电机控制信号，控制轨道电机运动；
[0023]
adc单元，用于进行回波信号的采集；
[0024]
主控dds单元，用于生成发射信号；
[0025]
发射单元，用于采用开关形式驱动mos管导通或截止，再变压器进行升压，驱动换能器发射；
[0026]
tvg单元，包括dac、参考源和信号隔离电路；用于产生随距离变化的增益控制信号；
[0027]
接收单元，包括前级放大器、第一级有源带通滤波器、可变增益放大器、第二级有源带通滤波器；用于对接收的回波践行放大和滤波；
[0028]
检波整形单元，用于调理后信号的包络检波，并通过施密特整形器对检波后信号进行整形处理，同时通过光电隔离将其输出至fpga；
[0029]
主控led显示单元，包括实验状态指示灯、电源状态指示灯、通信状态指示灯和实验项目指示灯；用于指示电源状态、网络状态和目前正在进行的实验。
[0030]
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述合成孔径实验系统的合成孔径实验方法，所述合成孔径实验方法包括：
[0031]
步骤一，将实验箱体的主控fpga单元输出的数字发射信号与发射单元的数字发射信号连接，将主控fpga单元产生的信号输入至发射单元，并由发射单元功能放大后驱动换能器，产生发射声波；
[0032]
步骤二，将接收机输出信号与ad采集信号连接，将放大滤波后的接收回波信号输入至ad采集单元，将实验目标放置于换能器前方，调整目标的高度，保持目标高度与换能器的高度基本一致；
[0033]
步骤三，接通实验箱体电源，检测系统供电是否正常；若正常，则进行系统参数设定；
[0034]
步骤四，移动电机，调整换能器在轨道的一个端部向另一端运动时；并利用显控与处理系统进行信号发射以及合成孔径成像的数据采集，同时进行数据采集的进度的显示；
[0035]
步骤五，当数据采集进度到达100％时，显控与处理系统控制电机将、信号发射和数据采集自动停止；对采集的数据进行合成孔径成像处理；
[0036]
步骤六，当处理完成后，显控与处理系统进行成像结果显示；同时测量所显示的目标的距离和位置，对比与实际位置的误差，记录相关数据。
[0037]
本发明的另一目的在于提供一种高分辨率探测设备，其特征在于，所述高分辨率探测设备用于实现所述的合成孔径实验控制方法。
[0038]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明填补了国内高校实物类合成孔径实验系统的空白。本发明对合成孔径成像复杂庞大的装备系统进行了简化设计，保留其理论体系，突出其基本原理和核心技术，要素齐全，开放自主，以超声波为信号载体，搭建起抽象晦涩的理论知识与直观可体验的物理现象之间的桥梁。既可开展系统时钟设计、收发转换、时间增益控制等3项模块级验证性实验，又可通过模块间柔性互联构成微系统，开展脉冲测距、dds、正交解调、脉冲压缩、合成孔径成像等5项自主创新性实验，实现了课程理论教学主体知识点和关键技术的全覆盖。
[0039]
本发明具备以下优点：
[0040]
(1)具备模拟雷达/声纳信号发射功能。可产生相参电子探测系统的各种典型信号。利用发射模块进行功率放大，驱动换能器发射。
[0041]
(2)具备模拟雷达/声纳信号接收功能。利用tvg模块和接收模块对换能器接收的信号进行信号调理。具备接收回波信号的检波整形输出功能。adc模块采集调理后的接收信号，并传输至显控与处理单元。
[0042]
(3)具备模拟雷达/声纳信号处理功能。显控与处理单元可模拟正交解调、脉冲压缩、合成孔径成像等雷达/声纳典型信号处理算法。
[0043]
(4)具备模拟雷达/声纳显示控制功能。显控与处理单元可模拟雷达/声纳的信号参数设置、系统控制、原始回波显示、处理结果显示等功能。
[0044]
(5)具备模拟雷达/声纳平台运动功能。核心主控单元通过驱动器控制轨道，带动换能器匀速直线运动，模拟平台运动。
[0045]
(6)具备开放自主编程实践功能。学生可vhdl编程自主开发学生区fpga，设计实现数字式脉冲测距；可matlab编程对实验数据进行处理，完成dds、正交解调、脉冲压缩及合成孔径成像等处理。
[0046]
与合成孔径仿真实验相比，本发明不但能够让学生了解声纳接收机、发射机、显控系统和信号处理系统的基本结构和实现方式，还能够让学生掌握合成孔径的基本原理和电子探测原理的常用手段。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
[0048]
图1是本发明实施例提供的合成孔径实验系统原理图。
[0049]
图2是本发明实施例提供的合成孔径实验系统结构示意图；
[0050]
图中：1、显控与处理系统；2、实验箱体；3、换能器单元；4、探测轨道。
[0051]
图3是本发明实施例提供的核心主控单元的结构示意图。
[0052]
图4是本发明实施例提供的adc模块与主控fpga之间的连接关系示意图。
[0053]
图5是本发明实施例提供的dds模块与主控fpga之间的连接关系示意图。
[0054]
图6是本发明实施例提供的tvg模块的结构示意图。
[0055]
图7是本发明实施例提供的接收模块示意图。
[0056]
图8是本发明实施例提供的检波整形模块原理图。
[0057]
图9是本发明实施例提供的合成孔径实验控制方法流程图。
具体实施方式
[0058]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0059]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种合成孔径实验系统、实验方法及高分辨率探测设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0060]
如图1-图2所示，本发明实施例提供的合成孔径实验系统包括：
[0061]
显控与处理系统1、实验箱体2、换能器单元3及探测轨道4；
[0062]
显控与处理系统1，用于进行参数设置、指令控制、数据采集、信号处理以及实验波形和数据的显示；同时用于进行人机交互；
[0063]
实验箱体2，包括主控实验模块以及自主实验模块；用于进行参数设置、指令控制、数据采集和进行自主实验；
[0064]
换能器单元3，用于利用超声波作为媒介进行电声转换；即发射时，将电信号转换成声信号；接收时，将声信号转换成电信号；
[0065]
探测轨道4，用于进行匀速直线运动，模拟合成孔径原理的运动状态。
[0066]
本发明实施例提供的显控与处理系统1包括：
[0067]
信号发射控制模块，用于进行信号发射控制；同时用于当回波信号记录进度达到100％时，停止信号发射；
[0068]
信号记录控制模块，用于进行回波信号记录控制；并用于当记录进度达到100％后，自动停止数据记录；同时用于控制数据记录的暂停；
[0069]
数据处理模块，用于对记录的数据进行合成孔径成像处理；
[0070]
显示模块，用于显示记录数据的进步以及成像结果；
[0071]
数据测量模块，用于对成像结果中的目标位置进行测量。
[0072]
本发明实施例提供的实验箱体2包括：
[0073]
主控实验模块，包括主控fpga单元、adc单元、主控dds单元、tvg单元、接收单元、发射单元、检波整形单元和主控led显示单元；用于利用显示控制软件进行参数设置、指令控制、数据采集，以及实验波形和数据显示；
[0074]
自主实验模块，包括fpga单元、dds单元1、dds单元2、数码管显示单元和led显示单元；用于进行自主编程以及自主实验。
[0075]
如图3至图8所示，本发明实施例提供的主控实验模块包括：
[0076]
主控fpga单元，用于产生发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号；用于将发射门控信号引出至学生自主实验模块fpga单元，进行信号互联；同时哈用于与网络接口芯片进行以太网通信，接收pc机发来的控制指令和参数，发送获得的数据；用于产生数字发射信号、接收检波整形模块输出信号，计算距离测量值；产生adc丹玉的控制信号，通过adc打算采集回波信号；产生主控dds单元的控制信号，并计算相关寄存器参数，通过主控dds单元输出指定参数的波形信号；产生tvg数据和控制信号，通过tvg单元输出可变增益放大器的增益控制信号；产生轨道电机控制信号，控制轨道电机运动；
[0077]
adc单元，用于进行回波信号的采集；
[0078]
主控dds单元，用于生成发射信号；
[0079]
发射单元，用于采用开关形式驱动mos管导通或截止，再变压器进行升压，驱动换能器发射；
[0080]
tvg单元，包括dac、参考源和信号隔离电路；用于产生随距离变化的增益控制信号；
[0081]
接收单元，包括前级放大器、第一级有源带通滤波器、可变增益放大器、第二级有源带通滤波器；用于对接收的回波践行放大和滤波；
[0082]
检波整形单元，用于调理后信号的包络检波，并通过施密特整形器对检波后信号进行整形处理，同时通过光电隔离将其输出至fpga；
[0083]
主控led显示单元，包括实验状态指示灯、电源状态指示灯、通信状态指示灯和实验项目指示灯；用于指示电源状态、网络状态和目前正在进行的实验。
[0084]
如图9所示，本发明实施例提供的合成孔径实验方法包括以下步骤：
[0085]
s101，将实验箱体的主控fpga单元输出的数字发射信号与发射单元的数字发射信号连接，将主控fpga单元产生的信号输入至发射单元，并由发射单元功能放大后驱动换能器，产生发射声波；
[0086]
s102，将接收机输出信号与ad采集信号连接，将放大滤波后的接收回波信号输入至ad采集单元，将实验目标放置于换能器前方，调整目标的高度，保持目标高度与换能器的高度基本一致；
[0087]
s103，接通实验箱体电源，检测系统供电是否正常；若正常，则进行系统参数设定；
[0088]
s104，移动电机，调整换能器在轨道的一个端部向另一端运动时；并利用显控与处理系统进行信号发射以及合成孔径成像的数据采集，同时进行数据采集的进度的显示；
[0089]
s105，当数据采集进度到达100％时，显控与处理系统控制电机将、信号发射和数据采集自动停止；对采集的数据进行合成孔径成像处理；
[0090]
s106，当处理完成后，显控与处理系统进行成像结果显示；同时测量所显示的目标的距离和位置，对比与实际位置的误差，记录相关数据。
[0091]
下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
[0092]
实施例1：
[0093]
合成孔径原理实验系统由显控与处理单元、实验箱体、换能器单元及探测轨道四部分组成。系统结构框图如图1所示。
[0094]
(一)显控与处理单元
[0095]
显控与处理单元是实验系统的核心，完成参数设置、指令控制、数据采集和信号处
理，最终完成实验波形和数据的显示，实现人机对话。显控与处理单元界面分左右两个部分，左半部分为原始回波显示窗口，右侧为合成孔径成像结果显示窗口。两个窗口的横坐标方向为距离向，纵坐标方向为方位向。
[0096]
单击“开始播放”按钮时，实验系统开始向目标发射信号，同时开始记录回波信号，并在原始图像窗口显示数据记录的进度。记录进度达到100％后，实验系统将停止数据记录，同时停止信号发射、停止轨道电机的运动。
[0097]
单击“暂停播放”按钮时，将暂停数据记录。
[0098]
单击“数据处理”或在合成孔径图像界面上单击鼠标右键时，将对记录的数据进行合成孔径成像处理，并将成像结果显示至界面右侧的合成孔径图像窗口。
[0099]
单击“数据测量”按钮时，可对成像结果中的目标位置进行测量。
[0100]
(二)实验箱体
[0101]
实验箱体内安装有核心主控单元和驱动器，分为主控实验区和自主实验区两个区。在主控实验区，学员通过显示控制软件可参数设置、指令控制、数据采集，以及显示实验波形和数据；在自主实验区，学生可自主编程，完成自主实验。核心主控单元的结构框图如图3所示，其中灰色的区域为学生自主实验区的相关模块，其他均为主控实验区模块。
[0102]
主控实验区由主控fpga模块、adc模块、dds模块、tvg模块、接收模块、发射模块、检波整形模块和led显示模块等组成，虚线的信号需要学员手动进行连接。学生自主实验区由学生区fpga模块、dds模块1、dds模块2、数码管显示模块和led显示模块组成。具体如下：
[0103]
1、主控fpga模块
[0104]
主控fpga模块中的对外部开放的管脚主要包括系统时钟、发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号。发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号由fpga产生，并经过驱动芯片驱动。同时，主控fpga模块还将发射门控信号引出至学生自主实验区fpga模块，实现两者之间信号互联。
[0105]
主控fpga模块主要完成以下功能：
[0106]
(1)与网络接口芯片完成以太网通信功能，接收pc机发来的控制指令和参数，发送获得的数据；
[0107]
(2)产生数字发射信号；
[0108]
(3)接收检波整形模块输出信号，计算距离测量值；
[0109]
(4)产生adc模块的控制信号，通过adc模块采集回波信号；
[0110]
(5)产生dds模块的控制信号，并计算相关寄存器参数，通过dds模块输出指定参数的波形信号；
[0111]
(6)产生tvg数据和控制信号，通过tvg模块输出可变增益放大器的增益控制信号；
[0112]
(7)产生轨道电机控制信号，控制轨道电机运动；
[0113]
2、adc模块
[0114]
adc模块由主控fpga模块控制，完成回波信号的采集，功能框图如图4所示：
[0115]
3、dds模块
[0116]
dds模块由主控fpga模块控制，生成发射信号。dds模块与主控fpga之间的连接关系，如图5所示：
[0117]
4、发射模块
[0118]
发射模块采用开关形式驱动mos管导通或截止，再变压器进行升压，驱动换能器发射。
[0119]
5、tvg模块
[0120]
tvg模块用于产生随距离变化的增益控制信号。tvg模块由dac、参考源和信号隔离电路组成。主控fpga模块根据tvg参数，生成tvg控制数据，控制dac产生增益控制电压，经信号隔离电路输出至接收模块中的可变增益放大器，实现tvg控制。tvg模块的结构框图如图6所示。
[0121]
6、接收模块
[0122]
接收模块完成对接收的回波放大和滤波的任务。接收模块主要由四部分组成：前级放大器、第一级有源带通滤波器、可变增益放大器、第二级有源带通滤波器。接收模块连接关系如图7所示。
[0123]
7、检波整形模块
[0124]
检波整形模块用于调理后信号的包络检波，然后通过施密特整形器对检波后信号进行整形处理，后通过光电隔离将其输出至fpga。其原理框图如图8所示。
[0125]
检波电路把调理后的模拟信号进行包络检测，并将检波后的信号进行幅度放大。检波输出信号经过施密特整形器后，驱动高速光耦完成光电隔离，将包络信息输出至主控fpga模块。光耦用于模拟地与数字地的隔离，减少数字信号对模拟部分的干扰。由于学生自主实验区fpga也需要该包络信号，光耦输出信号向主控fpga和学生区fpga输出。
[0126]
8、led显示模块
[0127]
主控实验区的led显示模块用于指示电源状态、网络状态和目前正在进行的实验，实验状态指示灯，其包含电源状态指示灯、通信状态指示灯和实验项目指示灯。
[0128]
当实验箱电源正常，则电源状态指示灯常亮。
[0129]
当电脑主机正在通过网络与实验箱正常交换数据，则通信状态指示灯为呼吸状态，否则指示灯为长灭状态。
[0130]
当电脑主机通过网络进行相关配置并启动实验时，则相应的实验项目指示灯则进行周期性的亮灭指示。
[0131]
(三)换能器单元
[0132]
实验系统以超声波为媒介，换能器单元完成电声转换。发射时，换能器单元将电信号转换成声信号；接收时，换能器单元将声信号转换成电信号。
[0133]
(四)探测轨道
[0134]
探测轨道牵引换能器单元进行匀速直线运动，模拟合成孔径原理的运动状态。
[0135]
合成孔径原理实验步骤如下：
[0136]
(1)将主控fpga输出的“数字发射信号”与发射模块的数字发射信号连接，将fpga产生的信号输入至发射模块，并由发射模块功能放大后驱动换能器，产生发射声波；将“接收机输出信号”与“ad采集信号”连接，将放大滤波后的接收回波信号输入至ad采集模块；
[0137]
(2)将实验目标放置于换能器前方，调整目标的高度，使其与换能器的高度基本一致。
[0138]
(3)打开实验箱电源(电源开关位于实验箱后部)，检测系统供电是否正常，若正常则电源指示灯会常亮。
[0139]
(4)打开系统控制软件，选择“合成孔径原理实验”；
[0140]
(5)设定好系统参数(可按照默认参数)，依次单击“连接服务”。
[0141]
(6)单击“电机左移”或“电机右移”，调整换能器在轨道的一个端部向另一端运动时(尽量使采集过程中，轨道运动不换向)，点击“开始播放”，此时开始合成孔径成像的数据采集，同时在左侧界面上将显示数据采集的进度，当数据采集进度到达100％时，电机将自动停止，同时信号发射和数据采集也自动停止；
[0142]
(7)当采集完成时，单击“数据处理”，开始进行合成孔径成像处理，当处理完成后，成像结果将在右侧界面上显示。
[0143]
(8)单击“数据测量”，测量所显示的目标的距离和位置，对比与实际位置的误差，记录相关数据。
[0144]
上述步骤完成后，生成的目标成像结果与现有的仿真成像结果相比，能够更加真实的反应实际情况，而且还能够培养学生的理论指导实践能力。
[0145]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。