图1 近场聚集多波束形成示意图
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(1m,45°),选取不同聚焦面对波束形成的影响如图5所示,其中蓝线为理想情况下,采用与实际所处位置相同的聚焦距离(1.1m)进行聚焦时的1#波束方向图,其波束指向为45°,主瓣宽度为0.9010°,旁瓣电平为-14.47dB。红线为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1.05m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。表1 资源利用率与速度关系
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
Beam1-beam6模块功能相同,唯一的区别是输入加权矢量数据不同,因此以beam1模块为例说明其FPGA实现过程。基于FPGA 的多波束形成器由存储模块、控制模块、乘法累加模块等几部分实现,系统的组成结构框图如图4所示。图4 波束形成FPGA实现功能模块
2.1 存储模块图5 乘法累加器IP核
乘法累加采用Xilinx的IP核实现,如图5所示,其中各个参数的含义如表2所示。表2 乘法累加IP核各参数含义
通过控制BYPASS信号来控制乘法累加过程:当滤波后数据和加权系数有效时,使BYPASS维持一个周期的高电平后变为低电平,计数100周期后再次变为高电平,开始下一个波束数据的计算,因此bypass的周期为1.35MHz。图6 波束形成模块波形图
如图6所示,波束数据输出速率为2.7MHz,对应着单个波束输出速率为30KHz,计算结果与MATLAB仿真结果一致。各个波束实部和虚部输出后,通过乘法运算得到波束的模平方。图7 Chipscope验证标准信号源测试
图7所示为Chipcsope采集到的采用标准信号源测试时某个时刻的540个波束的波束值,具有良好的指向性。图8 标准信号源测试图像
图8所示为实际系统采用标准信号源测试,将波束数据通过千兆网上传至PC机得到的显示图像,为90°方向上的一条亮条纹。图9 FPGA资源利用率
本文提出的改进算法只需要6组加权系数矢量即可产生540个波束,有效降低了对存储资源的要求。通过乒乓操作实现了不间断的数据输入输出,以及流水并行处理,能够实现实时处理。通过多通道多系数复用技术,将乘法器资源使用量降低到24个,大大节省了FPGA的硬件资源。数字多波束形成所使用的FPGA资源如图9所示,其仅仅使用了整个芯片资源的一小部分,为成像声纳系统其余模块的实现提供了很大的空间。欢迎光临 电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛 (http://bbs.eccn.com/) | Powered by Discuz! 7.0.0 |