成像声纳中多波束形成的成像声纳中多波束形成的FPGA工程实现工程实现
本方法基于180阵元均匀半圆阵,通过阵元等效弦的转动,仅采用6组加权系数矢量即可在90°范围内产生540个
波束,使存储量降低了两个数量级,从而有效降低对硬件存储资源的要求。
1 近场聚焦多波束形成
成像声纳[16]往往工作在近场。在近场范围内,声波近似为球面波,指向性是距离的函数,所以必须作近场聚焦进行校正
[711]。本文采用所有波束都聚焦的方法,提前计算好聚焦在不同距离的补偿相位并存储在存储器中,以供波束形成时调用。
近场聚集多波束形成示意图如图1所示。
图1 近场聚集多波束形成示意图
根据参考文献[11],近场条件为:
其中,λ为波长,R为圆阵的半径。
以聚焦在R0距离(R0为聚焦面到圆心的距离)、波束预成方向为θi为例,均匀半圆阵由180个相同的阵元构成。波束输出可表
示成:
其中,xk(t)是第k个水听器在时刻t时的信号。ω0是输入信号的角频率,为了获得较高的分辨率,参考国外同类产品的指标,采
用了较高的信号发射频率450 kHz。N是形成一个波束所采用的阵元数,本文中取为91。Ak是第k个水听器的幅度加权系数,
采用余弦平方加权来抑制旁瓣:
τk是第k个水听器相对于接收阵圆心的延时,φk是为了在θi方向形成波束,第k个水听器需要补偿的相位。
根据余弦定理有:
其中rk为聚焦点到第k个阵元的距离。
将上式对R在0点进行泰勒级数展开,可以将rk简化为:
则第k个阵元相对于圆心的延时为:
其中c为水中声速,R为圆阵的半径,为了避免出现方位角模糊现象[12],取0.12 m。
在允许主瓣方向有0.001°误差、旁瓣电平小于-14 dB和主瓣宽度不大于1°的情况下需要7个聚焦面就能完成近场(r<18 m)范
围的波束形成,聚焦距离1~18 m(1 m以内为盲区,不考虑),焦面之间的距离不是均匀的,而是随着声源距离的增加而增
加。
图2 聚集波束形成的1#波束方向图
以基阵所处位置为圆心,目标所处位置用(距离,方位)来表示。假设声源位于(1 m,45°),选取不同聚焦面对波束形成
的影响如图2所示,其中理想情况下,采用与实际所处位置相同的聚焦距离(1.1 m)进行聚焦时的1#波束方向图,其波束指
向为45°,主瓣宽度为0.901 0°,旁瓣电平为-14.47 dB。声纳系统实际工作情况下,按照上述8个聚焦面对实际距离进行近似
选取,采用1.05 m聚焦时的1#波束方向图。两种情况下的波束方向图吻合得很好,因此虽然只取了7个聚焦面做近场波束形
成,但对波束形成的效果影响不大,却可以大大提高系统资源的利用效率。
2 多波束形成的FPGA 实现
数字多波束形成(DBF)主要完成复数乘法和复数加法运算,每路输入信号为经过下变频后输出的基带I/Q分量。采用91个阵
元的单波束DBF要完成实数的364个乘法和363个加法运算,而在FPGA里影响计算速度和资源消耗的主要是乘法器。若仅采
用并行处理方法,产生540个波束需要540×91×4=196 560个乘法器,需要消耗大量的乘法器资源,在一片FPGA上实现不
了。另一方面,单通道数据输入波束形成器的速度为30 kHz,而FPGA的芯片处理速度通常可达几百兆,因此可以利用FPGA
的高速性能,充分利用乘法器资源,通过时分复用乘法器(TDM)实现多通道数据多系数乘法运算。采用90个波束91个系数
共用一个乘法器,实现8 190倍复用,产生540个波束所需乘法器的数量减少到24。
数字多波束形成分为6个模块,每个模块采用同一组加权系数产生90个波束,如图3所示。
图3 DBF整体功能框图
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