水聲陣列波束形成的FPGA實現(xiàn)研究.pdf

1、波束形成系統(tǒng)是聲吶處理系統(tǒng)中的一個重要組成部分，在信號發(fā)射端其可以通過聚焦發(fā)射信號能量的方式來提高發(fā)射距離，在信號接收端其可以提高信噪比、實現(xiàn)目標的定向與跟蹤，因此波束形成的研究對于水下探測、水下武器等聲吶處理系統(tǒng)而言意義重大。在非實時場合里，人們在現(xiàn)場可以只采集數(shù)據(jù)，事后再進行數(shù)據(jù)分析;但在實時處理場合中波束形成處理就必須在硬件中實現(xiàn)，且處理速度往往是系統(tǒng)性能的瓶頸所在。
　　在FPGA(Field Programmable G

2、ate Array)得到快速發(fā)展以前，人們主要使用DSP(Digital Signal Processing)、ARM(Advanced RISC Machines)等器件完成波束形成系統(tǒng)的設計，這種方法的缺點在于:需要的芯片數(shù)量與種類比較多，導致硬件電路板電路復雜且造價高;而且由于器件的CPU核數(shù)量有限、只能順序執(zhí)行而無法流水線式的執(zhí)行任務等原因又導致了在大規(guī)模陣列信號處理場合中該類系統(tǒng)的并行度、處理速度并不十分理想。因此在規(guī)模大或性

3、能要求高的場合中，人們開始使用FPGA進行系統(tǒng)的設計。
　　本文的主要研究目標是:設計一套包含實時波束形成處理的下位機硬件、實時顯示掃描結(jié)果的上位機軟件在內(nèi)的軟硬件系統(tǒng)，從而可以實時的、全方位的掃描水下目標。該卜位機硬件以FPGA為核心，采用“FPGA+AD+USB”的模塊化設計方案，利用Verilog語言實現(xiàn)所有系統(tǒng)功能的方式將能夠在成功提高電路板集成度的同時，做到實時性。
　　本課題的工作主要包括:分析理解并仿真現(xiàn)有多種

4、時頻域波束形成算法，在此基礎卜深入研究算法的FPGA實現(xiàn)時的優(yōu)缺點;系統(tǒng)硬件平臺的規(guī)劃、設計及調(diào)試;研究芯片數(shù)據(jù)手冊并分析芯片工作原理及步驟，然后通過設計并利用Verilog實現(xiàn)正確讀寫時序來控制芯片;研究分析相移波束形成算法，按照自頂而下分解算法并設計模塊時序，最終完成波束形成算法的實時FPGA實現(xiàn);設計并實現(xiàn)具備USB數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)糾錯、數(shù)據(jù)解析以及實時繪圖功能的上位機軟件。
　　通過多次的消聲水池實驗既驗證了該波束形成系統(tǒng)功