一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法，包括：步驟1，主要芯片上電啟動狀態(tài)檢測；步驟2，系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路傳輸狀態(tài)檢測；步驟3，前端大規(guī)模信號調(diào)理電路及A/D采集電路狀態(tài)檢測；步驟4，復(fù)雜高速數(shù)字系統(tǒng)的波束形成算法模塊狀態(tài)檢測。本發(fā)明設(shè)計以BIT設(shè)計要求為原則，實現(xiàn)自動準(zhǔn)確定位三維聲學(xué)攝像聲納系統(tǒng)故障，檢測覆蓋率高，故障定位周期短，極大地提高了設(shè)備的可測試性。
【專利說明】
一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及三維聲學(xué)攝像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)是一種新型的實時三維成像聲吶，它用一個聲脈沖透射整個觀察體積，利用相控陣技術(shù)同時產(chǎn)生上萬個實時接收的波束信號，經(jīng)過實時信號處理得到三維聲吶圖像。相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)是一個相當(dāng)龐大的電子產(chǎn)品，它是一個由數(shù)以千萬計的元器件、零部件、結(jié)構(gòu)件組成的具有特定功能的大型電子設(shè)備。它的特點是，系統(tǒng)復(fù)雜，由水上和水下兩大部分組成，機電一體，數(shù)字模擬兼?zhèn)洌惭b和工作環(huán)境差，因此對其可測試性要求較高。
[0003]傳統(tǒng)的測試及故障定位方法會將設(shè)備從水下提起至岸邊實驗平臺，打開設(shè)備機蓋，對大量的元器件，包括CPU、FPGA、前端大規(guī)模信號調(diào)理電路、板間連接線等進行逐一測試，進行故障定位。傳統(tǒng)的測試及故障定位方法定位故障操作復(fù)雜，周期長，還需要有經(jīng)驗的調(diào)試人員，故傳統(tǒng)的測試已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)或設(shè)備的測試性要求。
[0004]目前機內(nèi)測試，簡稱BIT(Built_inTest)技術(shù)已成為改善系統(tǒng)或設(shè)備測試性與診斷能力的重要途徑。BIT是指設(shè)備依靠自身的電路和程序來完成對系統(tǒng)的故障診斷和隔離，BIT也是提高系統(tǒng)可測試性，保證系統(tǒng)工作可靠性，減少系統(tǒng)維護費用的關(guān)鍵技術(shù)，它通過附加在系統(tǒng)內(nèi)的軟件和硬件對系統(tǒng)進行在線的故障檢測。
[0005]國內(nèi)對BIT的研究起步較晚，BIT的方法研究相對薄弱，對于相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的BIT研究尚處于空白，故亟需一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的BIT機內(nèi)測試方法。
[0006]BIT設(shè)計的基本要求如下:
[0007 ] (I) BIT應(yīng)該作為系統(tǒng)設(shè)計的一部分，從系統(tǒng)設(shè)計開始就加以考慮，BIT設(shè)計應(yīng)該貫穿于產(chǎn)品設(shè)計的各個階段；
[0008](2)根據(jù)使用維修和測試要求，系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備都可分別設(shè)計必要的BIT電路；
[0009](3)BIT故障檢測器的設(shè)計應(yīng)保證滿足操作人員和維修人員的要求；
[0010](4)BIT電路的可靠性必須高于被測設(shè)備的可靠性。BIT電路的故障率在任何情況下都不能超過被測試設(shè)備故障率的10% ;
[0011](5)BIT電路中的故障不影響系統(tǒng)功能；
[0012](6)BIT必須設(shè)計成故障安全的，BIT電路本身的故障或連線錯誤應(yīng)導(dǎo)致一個故障指示；
[0013](7)BIT容差的設(shè)計應(yīng)保證在預(yù)期的工作環(huán)境中故障檢測率最大而虛警率低；
[0014](S)BIT電路應(yīng)盡可能應(yīng)用微處理器和微診斷器用于測試與監(jiān)控；
[0015](9)設(shè)計增量限制，BIT電路和裝置組成的電子系統(tǒng)設(shè)計的增量不應(yīng)超過電子系統(tǒng)電路的10% ；
[0016](1)BIT電路或裝置的重量、體積和功耗應(yīng)不超過設(shè)計要求的限制；
[0017](Il)BIT設(shè)計費用要求:在滿足設(shè)計要求的前提下，BIT的設(shè)計成本應(yīng)該最低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明提供了一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法，以BIT設(shè)計要求為原則，實現(xiàn)自動準(zhǔn)確定位三維聲學(xué)攝像聲納系統(tǒng)故障，檢測覆蓋率高，故障定位周期短，極大地提高了設(shè)備的可測試性。
[0019]一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法，所述相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)包括主控機PC、與主控機PC通訊連接的通訊處理器CPU、與通訊處理器CPU通訊連接的主信號處理機FPGA、與主信號處理機FPGA連接的至少一個子信號處理機FPGA，每個子信號處理機FPGA依次連接有信號調(diào)理和同步A/D采樣電路，以及水聲換能器，所述相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)還包括:芯片狀態(tài)檢測器、模擬多路選擇器、以及回波模擬器，其中芯片狀態(tài)檢測器與主控機PC、通訊通訊處理器CPU、主信號處理機FPGA和各子信號處理機FPGA通信連接，模擬多路選擇器與信號調(diào)理和同步A/D采樣電路通訊連接，水聲換能器通過模擬多路選擇器與信號調(diào)理和同步A/D采樣電路通訊連接，回波模擬器和模擬多路選擇器通訊連接，所述的故障檢測方法包括:
[0020]步驟I，通訊處理器CPU、主信號處理機FPGA、子信號處理機FPGA啟動并向芯片狀態(tài)檢測器反饋啟動狀態(tài)，芯片狀態(tài)檢測器向主控機PC傳輸啟動狀態(tài)，若啟動狀態(tài)均為正常，則進行步驟2;
[0021 ] 步驟2，對主控機PC和通訊處理器CPU的通訊鏈路，以及通訊處理器CPU和主信號處理機FPGA的通訊鏈路進行串行測試，對主處理機FPGA與各子處理機FPGA之間的通訊鏈路進行并行測試，測試結(jié)果反饋至芯片狀態(tài)檢測器，芯片狀態(tài)檢測器向主控機PC傳輸通訊鏈路測試結(jié)果，若測試結(jié)果均合格，則進行步驟3;
[0022]步驟3，回波模擬器產(chǎn)生各陣元間幅度相位已知的信號，并將該信號輸出至陣元，信號調(diào)理和同步A/D采樣電路采樣后，子信號處理機FPGA對采樣數(shù)據(jù)進行處理，將得到的各通道的采樣信號的幅度與相位，與回波模擬器產(chǎn)生的信號相比較，并將比較結(jié)果反饋至芯片狀態(tài)檢測器，芯片狀態(tài)檢測器向主控機PC傳輸比較結(jié)果，若幅度或相位均未超出閾值，則進行步驟4;
[0023]步驟4，回波模擬器產(chǎn)生二維空間中任意方向的回聲信號，經(jīng)信號調(diào)理和同步A/D采樣電路采樣后，子信號處理機FPGA和主信號處理機FPGA計算波束結(jié)果，并通過通訊處理器CPU傳輸至主控機PC，主控機PC將波束結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，若波束計算結(jié)果和理論計算結(jié)果相符，則相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)正常。
[0024]步驟I用于檢測上電后，各主要部件是否能夠正常啟動，若能夠正常啟動，進行后續(xù)故障檢測，若不能正常啟動，則定位不能正常啟動的部件。通過設(shè)置芯片狀態(tài)檢測器，滿足BIT電路應(yīng)盡可能應(yīng)用微處理器和微診斷器用于測試與監(jiān)控的要求。
[0025]步驟2用于檢測通訊鏈路是否正常，即數(shù)據(jù)的傳輸是否正常，若數(shù)據(jù)傳輸正常，則進行后續(xù)故障檢測，若數(shù)據(jù)傳輸不正常，則定位不正常的鏈路。
[0026]步驟3用于前端大規(guī)模信號調(diào)理電路及A/D采集電路的狀態(tài)是否正常，若數(shù)據(jù)采樣正常，則進行后續(xù)故障檢測，若數(shù)據(jù)采樣不正常，則定位有問題的采樣通道。
[0027]作為優(yōu)選，所述回波模擬器包括回波模擬器FPGA、x軸方向模數(shù)轉(zhuǎn)換器(即模擬信號激勵模塊)、y軸方向模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及模擬加法器構(gòu)成，每個陣元對應(yīng)連接一個模擬加法器，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對應(yīng)一行或一列模擬加法器。
[0028]相控陣聲納前端設(shè)置分布式回波模擬器，分別在X軸方向和y軸方向進行相位幅度一致性檢測。對于陣元數(shù)為MXN的二維平面接收陣列，此分布式回波模擬器只需M+N個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)，與傳統(tǒng)回波模擬器所需MXN個DAC的方式相比，大大降低了硬件復(fù)雜度。
[0029]本發(fā)明提供的分布式測試方法，能夠在龐大的采集陣列中快速定位有問題的模擬通道，同時，與傳統(tǒng)單通道測試方法相比，大大簡化了硬件電路復(fù)雜度，滿足BIT設(shè)計增量限制。
[0030]作為優(yōu)選，所述主控機PC和通訊處理器CPU之間通過千兆以太網(wǎng)通訊連接，通訊處理器CPU和主信號處理機FPGA之間通過PCIe通訊連接，主信號處理機FPGA和各子信號處理機FPGA之間通過LVDS接口進行通訊連接。
[0031]對千兆以太網(wǎng)，PCIe總線進行串行鏈路測試，同時，LVDS接口進行測試。千兆以太網(wǎng)與PCIe總線鏈路測試都與通訊處理器CPU連接，故兩者需依次串行測試，而LVDS接口為主處理機FPGA與各子處理機FPGA之間的通訊接口，故可以與千兆以太網(wǎng)、PCIe總線進行串行鏈路測試并行執(zhí)行，縮短測試時間。
[0032]作為優(yōu)選，步驟4中，主控機PC將波束結(jié)果和理論計算結(jié)果以三維圖像方式進行顯不O
[0033]本發(fā)明對三維聲學(xué)攝像聲納系統(tǒng)嵌入式硬件和嵌入式軟件兩個方面進行檢測，包括主要器件、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、前端大規(guī)模信號調(diào)理電路、A/D采集電路以及波束形成算法模塊的檢測，具有故障檢測全面，覆蓋故障多的特點。
[0034]本發(fā)明可以允許三維聲學(xué)攝像聲納系統(tǒng)在水下工作，或者現(xiàn)場不具備打開設(shè)備的條件下，僅通過千兆以太網(wǎng)和RS485通訊接口準(zhǔn)確定位出復(fù)雜的系統(tǒng)故障，極大提高了系統(tǒng)的可測試性。
[0035]本發(fā)明對三維聲學(xué)攝像聲納系統(tǒng)檢測階段進行優(yōu)化，縮短時間周期，提高故障檢測效率。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明三維聲學(xué)攝像聲納系統(tǒng)組成示意框圖；
[0037]圖2為本發(fā)明總體故障檢測的流程示意圖；
[0038]圖3為本發(fā)明上電檢測流程示意圖；
[0039]圖4為本發(fā)明系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路傳輸狀態(tài)檢測示意圖；
[0040]圖5為本發(fā)明前端大規(guī)模信號調(diào)理電路示意圖；
[0041]圖6(a)和圖6(b)為本發(fā)明波束形成算法檢測結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0042]為了更詳細地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的方法做詳細描述。
[0043]如圖1所示，三維聲學(xué)攝像聲納系統(tǒng)包含主控機PC、通訊處理器CPU、主信號處理機FPGA、子信號處理機FPGA、芯片狀態(tài)檢測器(采用高可靠性單片機)、模擬多路選擇器、回波模擬器和水聲換能器。
[0044]上電后，通訊處理器CPU、主信號處理機FPGA、子信號處理機FPGA將OK信號發(fā)送至芯片狀態(tài)檢測器，芯片狀態(tài)檢測器通過RS485串口發(fā)送信號至主控機PC。主控機PC與通訊處理器CPU之間通過千兆以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，通訊處理器CPU與主信號處理機FPGA之間通過PCIE總線進行數(shù)據(jù)交互，主信號處理機FPGA與多個子信號處理機FPGA之間通過LVDS接口進行數(shù)據(jù)交互。
[0045]如圖2所示，總體故障檢測的流程如下:
[0046]首先，進行芯片上電啟動狀態(tài)檢測，若各主要芯片啟動成功，都發(fā)出OK信號時，則檢測通過，進行下一步檢測，否則停止檢測，芯片狀態(tài)檢測器將未成功啟動的芯片信息上傳至主控機PC，由主控機PC顯示檢測狀態(tài)；
[0047]其次，進行數(shù)據(jù)鏈路傳輸狀態(tài)檢測，當(dāng)各數(shù)據(jù)鏈路檢測通過時，進行下一步檢測，否則停止檢測，芯片狀態(tài)檢測器將錯誤鏈路信息上傳至主控機PC，由主控機PC顯示檢測狀態(tài)；
[0048]然后，進行前端模擬電路檢測，當(dāng)各個通道信號的幅度和相位檢測通過時，進行下一步檢測，否則停止檢測，芯片狀態(tài)檢測器將錯誤通道信號上傳至主控機PC，由主控機PC顯示檢測狀態(tài)；
[0049]最后，進行波束形成算法模塊檢測，由回波模擬器產(chǎn)生二維空間中任意方向的回聲信號，經(jīng)過波束形成算法模塊運算，將運算結(jié)果圖像在主控機PC上顯示，將其與理論計算圖像進行比較，即可判斷波束形成算法模塊的正確性。
[0050]如圖3所示，進行數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)檢測時，先后對千兆以太網(wǎng)、PCIe總線進行鏈路測試，同時，對LVDS接口進行測試。因千兆以太網(wǎng)與PCIe總線鏈路測試都與通訊處理器CPU連接，故兩者需依次串行測試，而LVDS接口為主處理機FPGA與各子處理機FPGA之間的通訊接口，故可以并行執(zhí)行，測試完成后，將鏈路狀態(tài)經(jīng)芯片狀態(tài)檢測器發(fā)送至主控機PC，主控機PC顯示各個鏈路的測試狀態(tài)。
[0051 ]如圖4所示，回波模擬器由回波模擬器FPGA、X軸方向數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、y軸方向數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC以及模擬加法器構(gòu)成，由回波模擬器FPGA控制X軸方向數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC與y軸方向數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，分別在X軸方向與y軸方向產(chǎn)生任意方向的模擬信號，經(jīng)過模擬加法器將兩信號疊加，即可產(chǎn)生二維空間中任意方向的回聲信號。主信號處理機FPGA控制模擬多路選擇器，在測試模式下，將回波模擬器的信號輸出至陣元;在正常工作模式下，將水聲換能器的信號輸出至陣元。
[0052]如圖5所示，回波模擬器的結(jié)構(gòu)圖，為方便起見，未畫出模擬多路選擇器。每個數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC串行連接一行或一列模擬加法器，對于陣元數(shù)為MXN的二維平面接收陣列，沿X軸方向排列N行陣元，沿y軸方向排列M列陣元，每個陣元與對應(yīng)的模擬加法器連接?；夭M器FPGA只需控制M+N個DAC，即可產(chǎn)生二維空間中任意方向的回聲信號。
[0053]在測試前端大規(guī)模信號調(diào)理電路時，由回波模擬器FPGA產(chǎn)生各陣元間幅度相位已知的信號，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC及模擬加法器輸出至各陣元，經(jīng)過信號調(diào)理電路及A/D采樣后，子信號處理機FPGA對采樣數(shù)據(jù)進行DFT運算(離散傅里葉變換)，可得到各個通道采集信號的幅度和相位，因回波模擬器FPGA產(chǎn)生的信號幅度相位已知，將兩者進行比較判斷，當(dāng)幅度或相位誤差超出預(yù)設(shè)的閾值時，發(fā)出報警信息，并提示具體的陣元號。
[0054]波束形成算法狀態(tài)檢測，由回波模擬器FPGA產(chǎn)生二維空間中任意方向的回聲信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路及A/D采樣通道，子信號處理機FPGA和主信號處理機FPGA的波束形成算法的運算，將波束結(jié)果通過通訊處理器CPU上傳至主控機PC，主控機PC進行實時三維圖像顯示，將顯示的圖像與理論計算圖像進行比較，能夠迅速判斷波束形成算法的正確性。
[0055]如圖6(a)、圖6(b)所示，當(dāng)回波模擬器FPGA產(chǎn)生二維空間中任意方向的回聲信號時，圖6(a)為正確波束形成算法模塊的結(jié)果，圖6(b)為錯誤波束形成算法的結(jié)果。
【主權(quán)項】
1.一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法，所述相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)包括主控機PC、與主控機PC通訊連接的通訊處理器CPU、與通訊處理器CPU通訊連接的主信號處理機FPGA、與主信號處理機FPGA連接的至少一個子信號處理機FPGA，每個子信號處理機FPGA依次連接有信號調(diào)理和同步A/D采樣電路，以及水聲換能器，其特征在于，所述相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)還包括:芯片狀態(tài)檢測器、模擬多路選擇器、以及回波模擬器，其中芯片狀態(tài)檢測器與主控機PC、通訊通訊處理器CPU、主信號處理機FPGA和各子信號處理機FPGA通信連接，模擬多路選擇器與信號調(diào)理和同步A/D采樣電路通訊連接，水聲換能器通過模擬多路選擇器與信號調(diào)理和同步A/D采樣電路通訊連接，回波模擬器和模擬多路選擇器通訊連接，所述的故障檢測方法包括: 步驟I，通訊處理器CPU、主信號處理機FPGA、子信號處理機FPGA啟動并向芯片狀態(tài)檢測器反饋啟動狀態(tài)，芯片狀態(tài)檢測器向主控機PC傳輸啟動狀態(tài)，若啟動狀態(tài)均為正常，則進行步驟2; 步驟2，對主控機PC和通訊處理器CPU的通訊鏈路，以及通訊處理器CPU和主信號處理機FPGA的通訊鏈路進行串行測試，對主處理機FPGA與各子處理機FPGA之間的通訊鏈路進行并行測試，測試結(jié)果反饋至芯片狀態(tài)檢測器，芯片狀態(tài)檢測器向主控機PC傳輸通訊鏈路測試結(jié)果，若測試結(jié)果均合格，則進行步驟3; 步驟3，回波模擬器產(chǎn)生各陣元間幅度相位已知的信號，并將該信號輸出至陣元，信號調(diào)理和同步A/D采樣電路采樣后，子信號處理機FPGA對采樣數(shù)據(jù)進行處理，將得到的各通道的采樣信號的幅度與相位，與回波模擬器產(chǎn)生的信號相比較，并將比較結(jié)果反饋至芯片狀態(tài)檢測器，芯片狀態(tài)檢測器向主控機PC傳輸比較結(jié)果，若幅度或相位均未超出閾值，則進行步驟4; 步驟4，回波模擬器產(chǎn)生二維空間中任意方向的回聲信號，經(jīng)信號調(diào)理和同步A/D采樣電路采樣后，子信號處理機FPGA和主信號處理機FPGA計算波束結(jié)果，并通過通訊處理器CPU傳輸至主控機PC，主控機PC將波束結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，若波束計算結(jié)果和理論計算結(jié)果相符，則相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)正常。2.如權(quán)利要求1所述的相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法，其特征在于，所述回波模擬器包括回波模擬器FPGA、X軸方向模數(shù)轉(zhuǎn)換器、y軸方向模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及模擬加法器構(gòu)成，每個陣元對應(yīng)連接一個模擬加法器，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對應(yīng)一行或一列模擬加法器。3.如權(quán)利要求2所述的相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法，其特征在于，所述主控機PC和通訊處理器CPU之間通過千兆以太網(wǎng)通訊連接，通訊處理器CPU和主信號處理機FPGA之間通過PCI e通訊連接，主信號處理機FPGA和各子信號處理機FPGA之間通過LVDS接口進行通訊連接。4.如權(quán)利要求3所述的相控陣三維聲學(xué)攝像聲吶系統(tǒng)的故障檢測方法，其特征在于，步驟4中，主控機PC將波束結(jié)果和理論計算結(jié)果以三維圖像方式進行顯示。
【文檔編號】G01S7/52GK105974399SQ201610303592
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】陳耀武, 田翔, 李曉鵬
【申請人】浙江大學(xué)