成像聲吶中聚焦波束形成技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

張昌，王錦柏

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成像聲吶中聚焦波束形成技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

張昌，王錦柏

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

介紹了聚焦波束形成的基本原理，分析了一種基于半圓陣的相位補(bǔ)償方法。通過Matlab仿真得出聚焦波束形成的波束圖，相比遠(yuǎn)場方法，波束寬度減小，旁瓣得到抑制。設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的數(shù)字聚焦波束形成器的實(shí)時(shí)處理結(jié)構(gòu)，使用8組加權(quán)系數(shù)即可完成成像聲吶近場范圍內(nèi)分辨力的改進(jìn)。通過乒乓操作和并行結(jié)構(gòu)提高處理速度，實(shí)時(shí)產(chǎn)生72個(gè)波束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的聚焦波束形成器使某型成像聲吶近場分辨力得到了提高。

成像聲吶；聚焦波束形成；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言

在實(shí)際應(yīng)用中，很多情況下目標(biāo)都處于陣列的近場范圍，聲波以近似球面波的形式傳播到陣列，此時(shí)若按遠(yuǎn)場平面波模型設(shè)計(jì)波束形成器，由于相位失配，波束主瓣將變寬，旁瓣升高，致使方位分辨力下降，成像聲吶圖像性能嚴(yán)重惡化。聚焦波束形成技術(shù)根據(jù)球面波[1]傳播的幾何關(guān)系，計(jì)算聲源至各接收陣元的聲程差，對(duì)接收陣列進(jìn)行聚焦補(bǔ)償，可以獲得窄主瓣、低旁瓣的波束圖，達(dá)到成像聲吶高分辨的要求。成像聲吶的聚焦波束算法可應(yīng)用于水下目標(biāo)探測,在探雷領(lǐng)域特別是水雷外形識(shí)別上發(fā)揮著不可替代的作用。

1 近場聚焦波束形成技術(shù)概述

以半圓陣為例[2]說明波束聚焦的原理。平面均勻間隔半圓陣有個(gè)陣元，半徑為，聲源到陣元的距離為，以逆時(shí)針排列，如圖1所示。

近場范圍的條件為[3]

式中：為波長；為滿足近場條件的距離。

陣元的時(shí)間延遲為

第號(hào)波束輸出為

(4)

由此可見，聚焦波束的形成與信號(hào)的入射角有關(guān)，還與聲源與陣中心的距離有關(guān)。

1.1 計(jì)算機(jī)仿真分析

為了驗(yàn)證近場環(huán)境下，常規(guī)波束形成與聚焦波束形成的區(qū)別，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。假設(shè)半圓陣有144個(gè)陣元，等間隔分布，半徑=0.086 m，72個(gè)陣元參與波束形成，在[45°, 135°]方向上共形成72個(gè)波束。水中聲速=1500 m/s，入射信號(hào)為CW信號(hào)，中心頻率為=600 kHz，帶寬=25 kHz，帶通采樣率=96 kHz。聲源方向?yàn)?0°，與陣元中心的距離為2 m,背景噪聲為各向同性的高斯噪聲，對(duì)應(yīng)的陣元信噪比為10 dB。

仿真結(jié)果如圖2所示，目標(biāo)在近場環(huán)境下，若使用遠(yuǎn)場模型會(huì)導(dǎo)致相位失配，第一旁瓣幅度約為-5.49 dB。而近場聚焦波束形成算法主瓣寬度為1°、第一旁瓣幅度約為-13.04 dB、旁瓣級(jí)遠(yuǎn)低于遠(yuǎn)場模型時(shí)的旁瓣級(jí)。

1.2 分段聚焦補(bǔ)償

對(duì)單點(diǎn)聚焦只能保證焦點(diǎn)附近區(qū)域的波束性能[4]，而其他位置上的目標(biāo)未得到精確補(bǔ)償，波束會(huì)惡化。因此，要將整個(gè)近場區(qū)域分成若干段，對(duì)每段距離分別采用聚焦補(bǔ)償。在定位方向上，圓陣與線列陣不同，通過參與波束形成陣元的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同角度的定位，各個(gè)波束的相位補(bǔ)償系數(shù)是相同的。

某型成像聲吶的半圓陣半徑=0.086 m，由式(1)計(jì)算可得近場范圍為0.4~6 m(0.4 m內(nèi)是盲區(qū)，暫不考慮)，設(shè)置7個(gè)焦面完成近場范圍的相位補(bǔ)償，焦面之間的距離隨著聲源距離的增大而增大。在遠(yuǎn)場范圍依然使用遠(yuǎn)場系數(shù)，一共8組相位補(bǔ)償系數(shù)完成整個(gè)近場和遠(yuǎn)場范圍的波束形成算法的設(shè)計(jì)，保證了一定精度，有效降低了對(duì)硬件儲(chǔ)存的要求。

2 聚焦波束形成的FPGA

2.1 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的硬件核心采用Altera公司的Stratix Ⅲ系列的高速FPGA，在Quartus II環(huán)境下用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示，各通道數(shù)據(jù)經(jīng)過帶通采樣后先用乒乓RAM緩存，然后送入正交解調(diào)模塊，經(jīng)低通濾波后，得到復(fù)基帶信號(hào)，再做聚焦波束形成。

通過鎖相環(huán)分頻得到整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率clk=6.91 MHz，可滿足72個(gè)通道數(shù)據(jù)的串行處理。時(shí)鐘控制模塊輸出ADC采集同步信號(hào)，每72個(gè)周期輸出一個(gè)周期的高電平，滿足采樣率=96 kHz的要求。采用串行工作方式，利用第一個(gè)通道的標(biāo)志信號(hào)sop和最后一個(gè)通道的標(biāo)志信號(hào)eop，實(shí)現(xiàn)與各通道輸出的時(shí)序?qū)?zhǔn)。

從ADC讀取的144路通道16位數(shù)據(jù)，每4路并成64 bit，在數(shù)據(jù)有效時(shí)寫入乒乓RAM。乒乓RAM的輸出數(shù)據(jù)為32 bit，讀地址由同步信號(hào)啟動(dòng)，通過數(shù)據(jù)選擇使高16 bit輸出依次為通道2, 4, 6…144的數(shù)據(jù)，低16 bit輸出依次為通道1, 3, 5…143的數(shù)據(jù)。寫地址和讀地址的最高位互為相反，在每個(gè)采樣周期取反，通過乒乓操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷傳輸。

低通濾波采用Altera提供的IP核FIR Complier實(shí)現(xiàn)。使用Matlab濾波器設(shè)計(jì)工具fdatool設(shè)計(jì)低通濾波器的參數(shù)，確定階數(shù)、截止頻率等，把得到的脈沖響應(yīng)系數(shù)保存后導(dǎo)入FIR核。濾波后得到基帶信號(hào)的實(shí)部和虛部。

如圖4所示，聚焦波束形成單元共有72個(gè)并行處理單元，實(shí)時(shí)產(chǎn)生72個(gè)波束。每個(gè)單元的功能相同，僅是參與波束形成的數(shù)據(jù)通道不同?；鶐盘?hào)的實(shí)部和虛部首先存入乒乓RAM中。144路通道數(shù)據(jù)中每2路合并成32 bit輸入，需要寫72個(gè)時(shí)鐘。輸出數(shù)據(jù)為16 bit，讀地址起始地址為，經(jīng)過72個(gè)時(shí)鐘周期，依次輸出,+1, …+72號(hào)通道數(shù)據(jù)，完成號(hào)波束的運(yùn)算。同樣通過乒乓操作保證數(shù)據(jù)的不間斷傳輸。

聚焦補(bǔ)償系數(shù)的實(shí)部和虛部分別存放在FPGA內(nèi)部的2個(gè)ROM中，運(yùn)算時(shí)從ROM中讀取，其讀時(shí)鐘和波束形成單元的乒乓RAM相同。存放一組相位補(bǔ)償系數(shù)需要7 bit讀地址，采用分段聚焦方法，一共8組相位補(bǔ)償系數(shù)。讀地址的高3位由發(fā)射同步信號(hào)控制，根據(jù)不同距離的信號(hào)到達(dá)時(shí)刻不同，使用不同的焦面系數(shù)。

每個(gè)復(fù)數(shù)乘法模塊由4個(gè)乘法器和2個(gè)加法器組成。~+72號(hào)通道數(shù)據(jù)與加權(quán)系數(shù)串行進(jìn)入復(fù)數(shù)乘法器后累加，得到第號(hào)波束的實(shí)部和虛部。

求模模塊采用近似求模方法。復(fù)數(shù)i，先對(duì)、求絕對(duì)值，再比較大小，得到較大值和較小值。模值由式(6)得到[5]

該方法不需要平方開方運(yùn)算，并保證相對(duì)誤差不超過3%，節(jié)省了硬件資源。求模后得到第號(hào)的波束，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行圖像處理。

2.2 仿真驗(yàn)證

聲源方向?yàn)?0°，與陣中心的距離為2 m，各通道接收的信號(hào)包含相位延遲信息。將各通道數(shù)據(jù)存放在信號(hào)處理單元，參與波束形成運(yùn)算。將系統(tǒng)的輸出結(jié)果與Maltab仿真對(duì)比，檢測系統(tǒng)是否正常工作。

圖5所示為SignalTapII采集到某個(gè)周期主極大波束附近的波束值，圖中主瓣的波束值為3085，與主瓣方位角相差1°的波束值為400和398，驗(yàn)證了系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性和有效性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證聚焦波束形成對(duì)近場小目標(biāo)的聚焦效果，進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)。首先將成像聲吶由轉(zhuǎn)臺(tái)固定放置在深度2.5 m處，在正前方1.5 m、相鄰5 cm處放置兩個(gè)鋼球反射體，與成像聲吶同深度。成像聲吶的基陣為半圓陣，共有144個(gè)等間隔分布的陣元，基陣半徑=0.086 m。采用常規(guī)波束形成和聚焦波束形成的聲吶聚焦效果如圖6所示。從圖6可以清楚地看出常規(guī)方法在近場范圍內(nèi)產(chǎn)生了嚴(yán)重的成像模糊，甚至分辨不出兩個(gè)目標(biāo)，而聚焦波束形成能清楚地分辨出兩個(gè)目標(biāo)，圖像分辨力明顯優(yōu)于常規(guī)方法。

其次，在成像聲吶正前方1.5、2、2.5 m各放置一個(gè)鋼球反射體，其余實(shí)驗(yàn)條件相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖7所示。顯見，分段聚焦保證了不同距離的聚焦效果。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證聚焦波束形成的成像效果，在成像聲吶正前方2 m處放置一塊邊框內(nèi)刻有“七二六”三字的鐵板，與水平面成20°夾角，與成像聲吶同為2.5 m深，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。圖8(a)為常規(guī)波束形成，難以分辨“七”字和“六”字，圖8(b)為聚焦波束形成，波束寬度小，能量集中，圖像分辨力高，可以清楚地分辨出三個(gè)字。

4 結(jié)論

本文主要提出了基于圓弧陣的聚焦波束形成算法的相位補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過乒乓操作、并行處理提高速度，完成144個(gè)通道72個(gè)波束的實(shí)時(shí)產(chǎn)生，成功應(yīng)用于某型成像聲吶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的聚焦波束形成器的實(shí)時(shí)性和有效性，提高了成像聲吶在近場區(qū)域的分辨力。

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Focused beam-forming technique and implementation of imaging sonar

ZHANGChang, WANGJin-bo

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai201108, China)

This paper introduces the principle of focused beam-forming in near-field, and analyses the method of phase compensation for a semicircle array. The beam pattern of focused beam-forming has been obtained by matlab simulation. Compared with the beam pattern of conventional methods, the beam width is shaped and the sidelobe is decreased. A real time processing structure of digital focusing beamformer is designed based on FPGA, in which eight sets of weight coefficients are used to achieve the improvement of resolution in the near-field environment. The processing speed is increased and 72 beams are generated in real time through ping-pong option and parallel structure. The experimental results testify that the focusing beamformer designed in this paper makes a great improvement in near-field resolution of the imaging sonar.

imaging sonar; focused beam-forming; Field-Programmable Gate Array(FPGA)

TB556

A

1000-3630(2015)-06-0493-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.004

2015-01-03;

2015-04-05

張昌(1989－), 男, 浙江嘉興人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

王錦柏, E-mail: misspopular@126.com