專利名稱：基于fpga和稀疏換能器面陣的波束形成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及FPGA技術(shù)、海底三維圖像聲納技術(shù)，具體來說是一種基 于FPGA和稀疏換能器面陣的波束形成器。
背景技術(shù)：
波束形成計算是信號處理領(lǐng)域的一種常用的信號處理方式，在聲納信 號處理，雷達信號處理，超聲波探測等領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用，但由于需 要處理的數(shù)據(jù)量很大，在實際應(yīng)用中往往很難對大規(guī)4莫的波束進行計算。 波束形成算法需要做的乘加次數(shù)較多，波束形成器進行乘加運算的能力直 接影響到系統(tǒng)的整體性能。
滿足一定大小的換能器面陣是高分辨率相控陣三維圖像聲納系統(tǒng)所必 需具備的為了阻止大的旁瓣產(chǎn)生，半波長間距布陣是必需滿足的條件； 為了取得一定的縱向分辨率，則需要一個比較大面積的面陣。高分辨率的 相控陣三維圖像聲納系統(tǒng)的半波長布陣要求和高縱向分辨率的要求使得 構(gòu)造此類系統(tǒng)所需的二維平面換能器陣由幾千甚至上萬個換能器組成。
以前的波束形成器通常使用通用的處理器和凄i:字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)實現(xiàn)。通用處理器和DSP具有技術(shù)較為成熟、實 現(xiàn)工具完善、編程簡單等優(yōu)點，但由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，在進行計算時 經(jīng)常會出現(xiàn)緩存樸空(Cache Miss)等現(xiàn)象，影響系統(tǒng)計算性能?；谕?用處理器和DSP技術(shù)的設(shè)計通常持續(xù)計算性能只能維持在其峰值計算性 能的10%~33%,無法取得很高的計算性能。
近年來FPGA技術(shù)取得了飛速發(fā)展，已經(jīng)從最初只能面向純邏輯替代 的應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛎嫦驈?fù)雜的計算密集型應(yīng)用。最新推出的FPGA器件 中，不僅集成有豐富的可配置邏輯塊資源(Configurable Logic Block, CLB),還包括大量面向計算密集應(yīng)用的DSP單元、塊狀RAM (Block RAM, BRAM)和用于高速串行通信的RocketIO GTP收發(fā)器單元。同時 為方便FPGA的調(diào)試，各FPGA廠商還推出了片內(nèi)邏輯分析測試工具(如Xilinx公司的ChipScope)，在軟硬件上保證了在FPGA上實現(xiàn)高性能計算 的可行性。
目前在使用FPGA實現(xiàn)波束形成計算這個領(lǐng)域還處于起步階段，已經(jīng) 有的一些成果也是對基于FPGA的波束形成計算的探索性研究，同樣目前 對高分辨率的三維圖像聲納系統(tǒng)中稀疏面陣的構(gòu)架和采用也處于探索性 研究階段，對于大規(guī)模的波束形成計算并沒有一個可以實際使用的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種基于FPGA和稀疏換能器面陣的波束形成器。
一種基于FPGA和稀疏換能器陣的波束形成器，該波束形成器包括稀 疏換能器陣，模擬調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)和FPGA芯片；
所述的稀疏換能器面陣是一個圓形邊緣的換能器平面陣，用于對海底 聲納回波信號進行轉(zhuǎn)換，將聲納回波信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號；
所述的模數(shù)調(diào)理電路是對微弱的電信號進行固定增益放大、時變增益 (Time Variant Gain)控制和帶通濾波等信號調(diào)理；
所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC )是對信號調(diào)理后的模擬電信號進行同步 采樣，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
所述的FPGA芯片對ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進^f亍波束形成算法。
一種基于FPGA和稀疏換能器陣的波束形成器，該波束形成器的處理 過程為
(a) .換能器面陣將接收到的海底聲納回波信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號；
(b) .調(diào)理電路對換能器轉(zhuǎn)換的電信號進行固定增益放大、時變增益 (TVG)控制和帶通濾波等信號調(diào)理；
(c) .多片ADC芯片對信號調(diào)理電路調(diào)理后的模擬電信號進行同步采 樣。FPGA對多片ADC芯片進行同時控制，多片ADC芯片對多 個數(shù)據(jù)通道進行同步釆集，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
(d) .FPGA芯片對ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過波束形成算法進行波束 形成計算。
所述的FPGA芯片對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過波束形成 算法進行波束形成計算包括以下步驟
分別對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的所有采樣通道用Z點離散傅立葉變換求得
5&, (/)表示采樣數(shù)據(jù)的頻域表達式，/為頻率索引號，z為離散傅
立葉變換的點數(shù)，具體實施例中的24點DFT，就是丄-24。其中，S^(/)表 示采樣數(shù)據(jù)的時域表達式。
所述的&， (/)由回波信號的采樣數(shù)據(jù)流5;，"。經(jīng)過以下的離散傅立葉 變換公式(1)求得
^,"(^l^,Wexp(-傳"/)……(1)
式中x為系統(tǒng)的采樣頻率，w和w分別表示換能器在稀疏面陣中的行
號和列號，厶為回波信號的中心頻率，/為頻率索引號，由式(2)計算得到；
"(Ax現(xiàn)—(2)
(c).對離散傅立葉變換結(jié)果通過式(3)進行乘累加運算；
丑(7,/ )-ZiX^^WexpC-K^^wA^ + ^O,...... (3)
戰(zhàn)=1
其中相移參數(shù)(^(w，"，/ )和^(m,w,; ))可以分別通過索引號 附，w和 從FPGA芯片的內(nèi)存中讀取，其中m和w分別表示換能器在稀疏矩陣中 的行號和列號，M和W分別表示稀疏矩陣的行數(shù)和列數(shù)，lSm^， l^i￡iV, 戶表示波束方向號。
本發(fā)明采用稀疏換能器面陣，大大降低的波束形成算法的計算量，能 應(yīng)用于高分辨率的相控陣三維聲納圖像系統(tǒng)，對波束形成算法進行了優(yōu) 化，大大減少了系統(tǒng)所需的乘累加的計算量，降低了系統(tǒng)成本。


圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例子中采用的稀疏換能器陣的示意圖； 圖2為本發(fā)明基于FPGA和稀疏換能器陣的波束形成器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示 意框圖3為本發(fā)明FPGA內(nèi)部功能模塊示意圖； 圖4為本發(fā)明波束形成器的流程示意框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明優(yōu)選實例施例子中，采用300 kHz的回波信號中心頻率，900kHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，F(xiàn)PGA里面的傅里葉變換采用24點DFT 運算。
如圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實例施例子中采用的稀疏換能器陣的示意圖， 采用317個陣元，每個陣元為一個換能器，圖1中每個點表示換能器的位 置，x軸和y軸表示換能器的坐標號從第l行到第12行，換能器數(shù)目為 60個；從第13行到24行，換能器數(shù)目為100個；從第25行到第36行， 換能器數(shù)目為108個；從第37行到第48行，換能器數(shù)目為49個。滿足 一定大小的換能器面陣是高分辨率相控陣三維圖像聲納系統(tǒng)所必需具備 的，若按全矩陣布陣，由圖1中x與y的最大數(shù)值的乘積，可以得到該具 體實施例需要2304個換能器陣元。由式(3)可知，波束形成算法的計算 量與陣元的數(shù)量成正比。317個陣元的稀疏布陣的采用，大大減少的波束 形成算法的計算量。
如圖2所示， 一種基于FPGA和稀疏換能器陣的波束形成器的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)示意框圖，具體步驟包括
i. 換能器210將接收到的海底聲納回波信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號；
ii. 調(diào)理電路220對換能器轉(zhuǎn)換的電信號進行固定增益放大221 、時變
增益(TVG)控制222和兩階帶通濾波223等信號調(diào)理，其中時變增 益控制222的增益是由一個模擬電平的電壓值決定，該電壓值是 由FPGA芯片240中數(shù)值輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC) 224轉(zhuǎn)換 得到；
iii. 多片ADC芯片230是對信號調(diào)理后的模擬電信號進行同步采樣， 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
iv. FPGA芯片240對多片ADC芯片230轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行波束 形成算法。
如圖3所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部功能模塊示意圖，其進行波束形成算法的步 驟為
(1) 在Ad—ctrl模塊中，40個ADC驅(qū)動模塊310對317路的信號進行 同步采樣，其中每8路通過4選1分路器311，將采樣結(jié)果存儲在 40個雙口 RAM312中；
(2) 在Dft模塊中，4個10選1分路器320將存儲在雙口 RAM312中 的采樣數(shù)據(jù)讀出，分別送給4個24點DFT計算模塊321,計算結(jié)
7果存儲在雙口 RAM322中；
(3) 在Beamforming模塊中，定點復(fù)數(shù)乘累加器330從存儲DFT結(jié)果 的雙口 RAM322讀取結(jié)果，并從FPGA內(nèi)部的ROM模塊331中 讀取相移參數(shù)，對DFT結(jié)果和相移參數(shù)進行定點復(fù)數(shù)乘累加；
(4) 在Tx模塊中，數(shù)據(jù)接收并轉(zhuǎn)化格式模塊340接收330的乘累加結(jié) 果，并將轉(zhuǎn)化后的結(jié)果存儲在雙口 RAM341中，發(fā)送模塊342將 雙口 RAM341中的結(jié)果讀出，并以差分時鐘、差分數(shù)據(jù)的形式傳 送給上位機。
如圖4所示，波束形成器運行的流程如下
1) 波束形成器進行上電或復(fù)位，此時波束形成器處于空閑狀態(tài)。
2) 波束形成器接收到"開始計算"的命令后，波束形成器的FPGA 芯片對內(nèi)部變量(相移參數(shù)的索引號附，"和p)進行初始化，將中間結(jié)
果存儲單元清零，并設(shè)置TVG參數(shù)(FPGA將存儲在FPGA內(nèi)存空間的 初始TVG值發(fā)給DAC224, DAC224將該初始值轉(zhuǎn)化為模擬電平，控制 TVG222 )。
3) 波束形成器初始化完成后，F(xiàn)PGA控制多片ADC芯片對調(diào)理電路 處理后的信號進行采樣，并對釆樣數(shù)據(jù)進行波束形成算法。
4) 對波束形成算法的結(jié)果進行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送給上位機，同時接收 上位機的控制信號。如果此時已經(jīng)接收到上位機的控制信號為"完成計算" 命令，則波束形成器進入空閑狀態(tài)，若還沒收到上位機的控制信號"完成 計算"命令，則繼續(xù)進行信號采樣和波束運算，直至接收到"完成計算" 命令。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA和稀疏換能器面陣的波束形成器，其特征在于包括稀疏換能器平面陣(210)，模擬調(diào)理電路(220)，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(230)和FPGA芯片(240)；所述的稀疏換能器面陣(210)用于對海底聲納回波信號進行轉(zhuǎn)換，將聲納回波信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號；所述的模數(shù)調(diào)理電路(220)用于對微弱的電信號進行固定增益放大、時變增益控制和帶通濾波信號調(diào)理；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(230)用于對信號調(diào)理后的模擬電信號進行同步采樣，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；所述的FPGA芯片(240)對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(230)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過波束形成算法進行波束形成計算。
2. 如權(quán)利要求1所述的波束形成器，其特征在于，所述的稀疏換能 器面陣(210)是一個圓形邊緣的換能器平面陣。
3. 如權(quán)利要求1所述的波束形成器，其特征在于，F(xiàn)PGA芯片(240) 對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過波束形成算法進行波束形成計算 包括以下步驟(a) .分別對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的所有采樣通道用Z點離散傅立葉變換求得所述的s，(/)由回波信號的采樣數(shù)據(jù)流s^(&)，經(jīng)過以下的離散傅立葉變換公式(1)求得= i^ p(-j*"/)……(1)式中/5為系統(tǒng)的采樣頻率，m和w分別表示換能器在稀疏面陣中的行 號和列號，A為回波信號的中心頻率，/為頻率索引號，由式(2)計算得到；"(Ax丄)/y; — (2)(b) .對離散傅立葉變換結(jié)果通過式(3)進行乘累加運算；丑仏P)-liZ!^，"(Oexp(—j(^(附,w,; ) + ^(w,"，p)))…(3)附=1 =i其中相移參數(shù)Ox(w，",； )和^(w,"，/ ))可以分別通過索引號m， w和 ; 從FPGA芯片內(nèi)部的內(nèi)存中讀取，其中m和w分別表示換能器在稀疏矩 陣中的行號和列號，M和W分別表示稀疏矩陣的行數(shù)和列數(shù)，15wS 1Sw^V, ; 表示波束方向號。
4. 如權(quán)利要求1所述的波束形成器，其特征在于所述的波束形成 算法中乘法運算采用FPGA內(nèi)部的DSP單元實現(xiàn)。
5. 如權(quán)利要求1所述的波束形成器，其特征在于所述的稀疏換能 器面陣為317個陣元，每個陣元為一個換能器，其中第l行到第12行， 換能器數(shù)目為60個；從第13行到24行，換能器數(shù)目為100個；從第25 行到第36行，換能器數(shù)目為108個；從第37行到第48行，換能器數(shù)目 為49個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPGA和稀疏換能器面陣的波束形成器，包括用于對海底聲納回波信號進行轉(zhuǎn)換，并將聲納回波信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號的稀疏換能器平面陣，用于對微弱的電信號進行固定增益放大、時變增益控制和帶通濾波等信號調(diào)理的模擬調(diào)理電路，用于對信號調(diào)理后的模擬電信號進行同步采樣，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和進行波束形成計算的FPGA芯片；其中FPGA芯片分別對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的所有采樣通道用L點離散傅立葉變換求得S_m，n(l)，再對離散傅立葉變換結(jié)果S_m，n(l)進行乘累加運算。本發(fā)明能應(yīng)用于高分辨率的相控陣三維聲納圖像系統(tǒng)，對波束形成算法進行了優(yōu)化，大大減少了系統(tǒng)所需的乘累加的計算量，降低了系統(tǒng)成本。
文檔編號G01S7/52GK101630008SQ20091010138
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者袁龍濤, 朋 陳, 陳耀武 申請人:浙江大學