三维声纳系统分级波束形成FPGA设计

【摘要】随着现代海洋开发技术的不断发展,水下声纳探测系统在多个领域具备广泛的应用前景。三维声纳系统利用换能器阵列接收回波信号,产生空间多个方向的波束结果,以此获取探测目标的三维实时图像。高精度三维声纳系统面临波束形成算法计算量庞大,硬件电路结构复杂、成本高昂等难题,亟待工程实现中加以解决。本文研究采用分布式结构的硬件系统,包括高性能Virtex-6系列FPGA和Spartan-6系列FPGA阵列,开发了FPGA阵列实现分级波束形成算法,具有重大的工程应用价值。将规模为48×48二维换能器面阵分解为6×6的一级子阵与8×8的二级子阵,采用分级波束形成算法,相比直接波束形成算法计算规模和参数存储需求减少了90%,可以满足三维声纳系统的高分辨率指标和实时性需求。12块子信号处理板的24片Spartan-6实现2,304路数据采集、DFT变换,并行完成一级子阵波束形成,主控制板的Virtex-6完成二级子阵波束形成。FPGA数据处理采用流水线结构,最终形成空间128×128个方向上的波束信号结果。借助MATLAB数学软件和ChipScope在线调试工具,采用声纳系统专用硬件调试平台模拟成像工作环境,采集各FPGA关键处理环节的数据流,与MATLAB计算结果进行比对,验证了FPGA各个数据处理模块功能的正确性和稳定性,数据结果计算分析得出系统方案满足三维声纳系统的实时性需求。波束结果导入MATLAB完成三维绘图,验证了FPGA分级波束形成具有良好的空间指向性。
【作者】林贤洲；
【导师】周凡；陈耀武；
【作者基本信息】浙江大学，电子信息技术及仪器，2014，硕士
【关键词】三维声纳；分级波束形成；数据处理；FPGA；

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