多波束寬帶探魚儀發(fā)射波束形成的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)

魏 珂，李國棟，王志俊，湯濤林，程 婧

( 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

探魚儀作為海洋漁業(yè)中最廣泛應(yīng)用的探測儀器，通過發(fā)射聲學(xué)信號并利用信號遇到目標(biāo)后反射的水聲回波信息來探測魚群位置和大小[1-3]。近年來，隨著信息技術(shù)和集成電路的發(fā)展，探魚儀的研發(fā)工作進(jìn)一步向數(shù)字多波束[4-7]和寬帶[8-11]方向延伸。因具備更高的空間分辨能力[12-14]，多波束探魚儀在海洋漁業(yè)精準(zhǔn)、高效捕撈中作用日漸增加[15]。多波束聲學(xué)探測系統(tǒng)利用相控陣技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離海洋生物探測,通過短時(shí)間內(nèi)順序發(fā)射多個(gè)波束后同時(shí)接收回波來實(shí)現(xiàn)海底探測和生物定位的目的[16]。波束形成算法將一定陣型的換能器各陣子輸出信號經(jīng)過加權(quán)處理得到空間指向性[17]，發(fā)射系統(tǒng)通過波束形成實(shí)現(xiàn)在某一方向上信號同向疊加、噪聲非同向疊加的功能[18-19]，并以此達(dá)到在同等發(fā)射功率下集中發(fā)射能量、提高信噪比的目的?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)邏輯電路具備并行處理能力，合理安排運(yùn)算時(shí)鐘，充分發(fā)揮其內(nèi)部高速時(shí)鐘和流水線并行處理功能，可在多通道信號生成中發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢[20]。常見的波束形成實(shí)現(xiàn)方法包括數(shù)字信號處理器(DSP)+FPGA實(shí)現(xiàn)、專用直接數(shù)字頻率合成芯片(DDS)+FPGA實(shí)現(xiàn)以及僅用FPGA實(shí)現(xiàn)等。DSP和FPGA相結(jié)合的方法使用DSP計(jì)算波形數(shù)據(jù)，再由FPGA進(jìn)行波束形成[27-28]，增加了軟硬件控制的復(fù)雜度；DDS+FPGA的方法需要使用多片DDS芯片實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生并使用FPGA控制相移[29-30]，此方法硬件成本高，不利于系統(tǒng)集成；單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)功能可簡化控制并提高集成度，但采用多RAM實(shí)現(xiàn)波束形成的方法[31]增加了FPGA資源使用量。

本研究依據(jù)256通道全方位多波束寬帶探魚儀在海洋拖網(wǎng)和圍網(wǎng)捕撈工作場景中的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了包含發(fā)射控制模塊、DDS寬帶波形生成模塊、時(shí)延波束形成模塊和delta-sigma調(diào)制模塊的FPGA數(shù)字發(fā)射系統(tǒng)，并綜合現(xiàn)有測試條件，通過實(shí)驗(yàn)室水池完成水平相鄰4通道發(fā)射機(jī)的波束指向性測試。

1 圓柱陣波束形成原理

多波束寬帶探魚儀通常采用平面換能器陣和圓柱換能器陣[21]。相較于平面陣，圓柱陣具有搜索跟蹤方式靈活、能實(shí)現(xiàn)全域覆蓋等特點(diǎn)[22-23]，可以實(shí)現(xiàn)水平360°及垂直60°掃描[15]。圓柱陣機(jī)械結(jié)構(gòu)及其物理遮擋決定了每次波束形成僅由部分陣子即一個(gè)扇區(qū)參加，因此在發(fā)射過程中可以采用掃描旋轉(zhuǎn)方式來進(jìn)行定向發(fā)射，即一個(gè)扇區(qū)發(fā)射多個(gè)波束后水平旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)扇區(qū)重復(fù)發(fā)射多個(gè)波束[24-25]，依次類推直至發(fā)射結(jié)束。在接收過程中，多波束寬帶探魚儀采用多個(gè)陣子同步接收后進(jìn)行數(shù)字信號處理的接收方式來利用回波信號定位魚群。多扇區(qū)旋轉(zhuǎn)發(fā)射可保證扇區(qū)內(nèi)不同方位角都可以被掃描覆蓋，且發(fā)射能量可以集中在陣子正前方一定角度內(nèi)，保證發(fā)射波束形成效果。

圓柱陣結(jié)構(gòu)及其扇區(qū)示意圖如圖 1所示。

圖1 圓柱陣示意圖

水平方向N個(gè)陣子，即為N列，其中相鄰兩列上下交錯(cuò)排列；垂直方向M個(gè)陣子，即為M行；底面半徑為R(單位m)。列編號從X軸右側(cè)起，依次為1～N；行編號由下至上依次為1～M。圓柱陣奇數(shù)列上任意一點(diǎn)(M，N)坐標(biāo)為：

podd=[R×cos(φ0),R×sin(φ0),(M-1)×d-d/4]

(1)

偶數(shù)列上任意一點(diǎn)(M,N)坐標(biāo)為：

peven=[R×cos(φ0),R×sin(φ0),(M-1)×d+d/4]

(2)

式中：φ0為陣子與X軸夾角，單位為弧度；d為垂直兩陣子間距，單位為m。

假設(shè)信號發(fā)射方向?yàn)?θ，φ)，其中θ為俯仰角(單位弧度)，φ為水平方位角(單位弧度)，則各陣子相對于原點(diǎn)聲程差為：

S=p(m,n)×sin(θ)×cos(φ)+p(m,n)×sin(θ)×sin(φ)+p(m,n)×cos(θ)

(3)

時(shí)延值為：

T=s(m,n)/c

(4)

式中：c=1 500 m/s，為聲音在水中傳播速度。

本研究選取8×32圓柱陣，其中M為8，N為32；半徑R為0.185 m，水平兩陣子之間夾角為11.25°。

多波束寬帶探魚儀波束形成是為了使得基陣中各陣子的發(fā)射信號經(jīng)一定信號處理后形成在預(yù)定方向的指向性。對于一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，具有指向性意味著發(fā)射聲能可集中在某一方向，這樣可以用較小的發(fā)射功率探測更遠(yuǎn)距離或更小的目標(biāo)[26]。發(fā)射時(shí)延波束形成示意圖如圖2所示，每個(gè)陣子發(fā)出信號的時(shí)延值由各自的聲程差決定，幅值頻率相位相同的信號經(jīng)過延時(shí)器后得到具有不同時(shí)延值的信號。這些信號分別輸入各自對應(yīng)的陣子后發(fā)射至水中，不同時(shí)延使得波形信號在水中某一特定方向疊加并自然形成指向性，實(shí)現(xiàn)發(fā)射能量的集中。

圖2 發(fā)射時(shí)延波束形成示意圖

2 FPGA實(shí)現(xiàn)原理及模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

發(fā)射框圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射框圖

相較于單片機(jī)，F(xiàn)PGA器件的靈活性及高性能可以使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加易于實(shí)現(xiàn)。本研究中涉及的FPGA發(fā)射模塊包括多波束發(fā)射控制、DDS波形生成、波束形成時(shí)延實(shí)現(xiàn)及delta-sigma調(diào)制4部分，其中多波束發(fā)射控制模塊依據(jù)技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)發(fā)射使能、波形計(jì)數(shù)及脈寬計(jì)數(shù)功能。

發(fā)射控制模塊根據(jù)設(shè)置參數(shù)生成發(fā)射使能信號、接收使能信號以及收發(fā)轉(zhuǎn)換信號。其中發(fā)射使能信號控制波形生成模塊，接收使能信號控制接收模塊，收發(fā)轉(zhuǎn)換信號通過引腳輸出直接控制開關(guān)電路。

收發(fā)轉(zhuǎn)換過程根據(jù)圖 4時(shí)序進(jìn)行控制。在一個(gè)周期內(nèi)完成一次收發(fā)過程，正程為接收過程，逆程為發(fā)射準(zhǔn)備、發(fā)射、等待過程，一次掃描通過多次發(fā)射，發(fā)射之間存在發(fā)射間隔，在發(fā)射和等待過程中收發(fā)轉(zhuǎn)換信號(TR)為低，無法接收。

圖4 收發(fā)轉(zhuǎn)換過程

波形生成模塊通過直接數(shù)字頻率合成器生成發(fā)射波形，波束形成模塊通過時(shí)延實(shí)現(xiàn)波束形成，Delta-Sigma調(diào)制模塊對時(shí)延后各路信號進(jìn)行調(diào)制輸出，調(diào)制后的兩路差分信號通過引腳輸出用以驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路。發(fā)射控制狀態(tài)機(jī)如圖5所示，初始狀態(tài)為空閑態(tài)。

圖5 發(fā)射控制狀態(tài)機(jī)

當(dāng)周期開始信號為1時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至發(fā)射態(tài)同時(shí)脈寬計(jì)數(shù)器開始工作，此時(shí)發(fā)射使能信號置1。當(dāng)脈寬計(jì)數(shù)器至最大值時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至冷卻態(tài)，同時(shí)發(fā)射間隔計(jì)數(shù)器開始工作。冷卻態(tài)為兩次發(fā)射之間的等待時(shí)間，當(dāng)發(fā)射間隔計(jì)數(shù)器至最大值時(shí)狀態(tài)機(jī)再次跳轉(zhuǎn)回發(fā)射態(tài)，循環(huán)往復(fù)直至達(dá)到最大發(fā)射次數(shù)，隨后狀態(tài)機(jī)依次跳轉(zhuǎn)至接收等待和接收態(tài)，完成本周期收發(fā)后跳轉(zhuǎn)回空閑態(tài)并等待下一次周期開始信號。

2.2 寬帶信號的DDS實(shí)現(xiàn)

直接數(shù)字頻率合成(Direct digital synthesizers，DDS)是一種在固定頻率的參考時(shí)鐘作用下，利用相位累加器及查找表生成正余弦波形的方法。FPGA DDS IP核框圖如圖6所示，其中相位控制字及初始相位為IP核輸入?yún)?shù)，波形為輸出值；IP核內(nèi)部包含一個(gè)相位累加器和一個(gè)用以存儲單周期波形的查找表。

相位控制字(Δθ)為所需生成波形相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的相位差。在參考時(shí)鐘的作用下，相位寄存器的值以初始相位值為基礎(chǔ)，每個(gè)時(shí)鐘上升沿增加一個(gè)相位控制字，通過相位累加器輸出當(dāng)前相位，并使其作為地址對ROM進(jìn)行查找隨后輸出波形。

線性調(diào)頻脈沖信號實(shí)部可表示為：

s(t)=cos(2πf0t+πkt2),t∈[0,T]

(5)

其瞬時(shí)頻率為

f(t)=f0+kt,t∈[0,T]

(6)

式中：k=B/T，k為信號頻率變化率，B為信號帶寬(單位Hz)；f0表示起始頻率(單位Hz)；T表示脈沖寬度(單位s)。本研究采用20 kHz～30 kHz的寬帶信號，帶寬10 kHz，中心頻率為25 kHz。

圖6 DDS原理圖

根據(jù)DDS IP核文檔，當(dāng)前輸出頻率fout與相位控制字Δθ關(guān)系如下：

(7)

式中：Bθ(n)為相位的位數(shù)(32位)，fclk為參考時(shí)鐘頻率，即采樣頻率或計(jì)算頻率(此處選擇1M/通道)。

由式(6)、式(7)可得：

(8)

則

=85 899 000+42 950n/pw

(9)

式中：pw為脈寬(單位ms)，n=fclk×pw×10-3，為采樣點(diǎn)數(shù)。

發(fā)射鏈路中使用單通道DDS進(jìn)行信號生成。LFM信號生成時(shí)因頻率變化頻繁，故Δθ以streaming模式配置，初始相位則配置為0。波形生成時(shí)，在每個(gè)1 M時(shí)鐘的上升沿DDS輸出一個(gè)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，持續(xù)輸出直至本次發(fā)射結(jié)束。

2.3 波束形成

波束形成模塊通過對前一級模塊輸出的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)延來實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成功能。DDS輸出的波形數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)有效信號為1 時(shí)以1 M的時(shí)鐘頻率寫入一個(gè)由大小為256×8 bit的雙口RAM構(gòu)成的緩存區(qū)中。位置存儲指針作為緩存區(qū)端口A的寫地址在每個(gè)1M時(shí)鐘的上升沿加1，并在累加至255時(shí)清零以達(dá)到循環(huán)寫入的目的。

在指定波束方向下，發(fā)射根據(jù)各通道聲程差通過時(shí)延實(shí)現(xiàn)波束形成。每個(gè)1 M時(shí)鐘內(nèi)采用200 M為工作時(shí)鐘依次讀取32通道的數(shù)據(jù)，每通道預(yù)留6個(gè)時(shí)鐘，并在第一個(gè)時(shí)鐘時(shí)將時(shí)延使能信號置1。以水平掃描發(fā)射模式下第一個(gè)波束為例，時(shí)延使能信號為1時(shí)時(shí)延狀態(tài)機(jī)以指針與BRAM0輸出的時(shí)延參數(shù)差值為緩存區(qū)端口B讀地址進(jìn)行對應(yīng)通道的波形讀取，并依次將讀取的各通道時(shí)延后波形值存入寄存器時(shí)延波形中以供后續(xù)模塊使用。圖7為水平掃描發(fā)射模式下第一個(gè)波束形成示意圖。

其中樣點(diǎn)0～樣點(diǎn)255依次為DDS輸出數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)取決于脈寬，如1 ms波形在1 M頻率下樣點(diǎn)數(shù)為1 000個(gè)，16 ms為16 000個(gè)。所有樣點(diǎn)循環(huán)存入緩存區(qū)中。BRAM0僅示意第一個(gè)波束通道0～通道31的時(shí)延數(shù)據(jù)， 通道0_樣點(diǎn)0～ 通道31_樣點(diǎn)0為當(dāng)前時(shí)刻各通道發(fā)射波形。

波束形成時(shí)延狀態(tài)機(jī)如圖 8所示，初始狀態(tài)為空閑態(tài)。狀態(tài)機(jī)處于空閑態(tài)時(shí)，當(dāng)clk_1M上升沿出現(xiàn)且數(shù)據(jù)有效信號為1時(shí)，時(shí)延緩沖區(qū)地址寫地址寄存器寫入當(dāng)前指針值，時(shí)延緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)寄存器依次寫入DDS數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)延使能信號有效時(shí)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至補(bǔ)償態(tài)。狀態(tài)機(jī)處于補(bǔ)償態(tài)時(shí)，首先進(jìn)行當(dāng)前指針值與對應(yīng)補(bǔ)償參數(shù)大小的判斷。若指針大于參數(shù)值，則緩沖區(qū)地址寫入指針數(shù)值減去時(shí)間補(bǔ)償參數(shù)；反之則需進(jìn)行減法后加上256。完成上述操作后狀態(tài)跳轉(zhuǎn)返回態(tài)而后跳轉(zhuǎn)至空閑態(tài)進(jìn)行同一采樣時(shí)鐘下后續(xù)通道的時(shí)延計(jì)算。狀態(tài)機(jī)在一個(gè)1M時(shí)鐘內(nèi)完成全部32路時(shí)延參數(shù)讀取及波形輸出后，當(dāng)數(shù)據(jù)有效信號下降沿出現(xiàn)時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至清除態(tài)進(jìn)行緩存區(qū)與其端口的清零操作；清零操作完成后，狀態(tài)機(jī)再次跳轉(zhuǎn)回空閑態(tài)等待數(shù)據(jù)有效信號上升沿出現(xiàn)，直至本次發(fā)射結(jié)束。

圖8 時(shí)延狀態(tài)機(jī)

圖9為4通道波束形成時(shí)延仿真示意圖，發(fā)射信號為20 kHz～30 kHz、脈寬1 ms的寬帶信號，由上至下每路信號時(shí)延均為20 μs。

圖9 波束形成時(shí)延仿真圖

2.4 Delta-Sigma調(diào)制

Delta-Sigma調(diào)制技術(shù)，其調(diào)制器可將高采樣率、高精度的數(shù)字信號量化為1 bit低精度脈沖信號。輸出的脈沖信號直接連接模擬電路，驅(qū)動(dòng)模擬電路中MOS管以達(dá)到放大信號的作用；放大后的信號隨后通過低通濾波器解調(diào)，轉(zhuǎn)化為模擬信號發(fā)送至換能器。數(shù)字調(diào)制器和后級功率放大電路、低通濾波電路共同組成D 類功放。

2階DS 誤差反饋型調(diào)制器由積分器、減法器、量化器以及負(fù)反饋回路組成。相較于1階調(diào)制器，2階調(diào)制器性能更優(yōu)，可以獲得更高的信噪比；而2階負(fù)反饋調(diào)制器相較于2階標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)更為簡單且易于實(shí)現(xiàn)。16 bit量化器起到比較器作用，對累加值與0進(jìn)行比較，并將量化前后差值反饋至輸入端與輸入數(shù)字信號進(jìn)行累加。反饋回路起到重新分配量化噪聲的作用，通過將量化噪聲整形到高頻階段來達(dá)到減少帶內(nèi)噪聲、提高信噪比的目的，Delta-Sigma調(diào)制器框圖如圖10所示。

圖10 Delta-Sigma調(diào)制器框圖

其中V(z)為調(diào)制后輸出1 bit信號，U(z)為輸入數(shù)字信號，本設(shè)計(jì)中為16 bit。E(z)為量化器帶來的誤差，Y(z)為量化前信號。由框圖可知：

V(z)=Y(z)+E(z)

(10)

將Y(z)代入得：

V(z)=U(z)+(1-z-1)2×E(z)

(11)

由上式可得，信號傳遞函數(shù)STF(z)=1，噪聲傳遞函數(shù)NTF(z)=(1-z-1)2。

通過對調(diào)制生成脈沖波形進(jìn)行仿真，得到如圖11所示頻譜圖。由圖11可見，大量噪聲被轉(zhuǎn)移到高頻部分，因此僅通過低通濾波器便可完成調(diào)制信號的解調(diào)及波形的復(fù)原，實(shí)現(xiàn)調(diào)制器與后續(xù)模擬電路構(gòu)造D類功放的目的。

圖11 調(diào)制信號頻譜圖

3 結(jié)果與分析

3.1 水池試驗(yàn)及波束指向性

為了驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的數(shù)字發(fā)射系統(tǒng)功能及測試實(shí)際發(fā)射波束形成性能，搭建了試驗(yàn)平臺進(jìn)行水池試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖12所示，發(fā)射換能器為1×32陣子單層圓柱體，相鄰兩列陣子高低交錯(cuò)排列；換能器及連接件固定于旋轉(zhuǎn)裝置上，入水深度2.75 m。接收標(biāo)準(zhǔn)水聽器與發(fā)射換能器處于同一深度，相距5.5 m，與采集板卡相連；后者通過網(wǎng)口將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖12 水池指向性測試實(shí)驗(yàn)平臺

綜合考慮水池試驗(yàn)條件，測試僅使用換能器位于同一水平面的相鄰四陣子進(jìn)行發(fā)射測試。發(fā)射信號選取頻率20 kHz～30 kHz、脈寬1 ms的寬帶信號，發(fā)射周期為30 ms，時(shí)延后發(fā)射信號示波器截圖如圖 13所示，由上至下每路信號時(shí)延均為20 μs。

圖13 發(fā)射時(shí)延波形示意圖

試驗(yàn)過程中旋轉(zhuǎn)裝置以 2°/s速度旋轉(zhuǎn)360°，分別測試仿真波束水平角度為±15.75°、±11.25°、±6.75°、±2.25°時(shí)實(shí)際波束角度。其中仿真坐標(biāo)系以兩陣子連線中點(diǎn)為X軸方向,實(shí)測極坐標(biāo)0°為中央兩陣子無時(shí)延時(shí)指向性最大角度，逆時(shí)針為極坐標(biāo)正方向。

3.2 誤差分析

圖 14及圖15測試結(jié)果匯總?cè)绫?，實(shí)測角度取-3 dB兩點(diǎn)連線中點(diǎn)角度值，仿真陣子指向性使用實(shí)測單陣子數(shù)據(jù)。波束開角實(shí)測與理論仿真[26]基本吻合，誤差在±1.25°內(nèi),可能因旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)速度與采集頻率誤差引入；測試值與理論值峰值相當(dāng)，誤差小于1%，差異最大為0.4 dB，出現(xiàn)在-15.75°處，可能由換能器束控特性引起。

圖14 發(fā)射指向性(反向)

圖15 發(fā)射指向性(正向)

表1 仿真測試對比

試驗(yàn)仿真部分計(jì)算聲程差時(shí)選取信號頻率為20 kHz～30 kHz寬帶信號的中心頻率25 kHz。因試驗(yàn)條件所限，選取同一水平面的連續(xù)四陣子，其中相鄰兩陣子圓心角為22.5°。圖16為水平方向不同陣子數(shù)[24]N的仿真指向性圖，N分別為16、24及32，即相鄰兩陣子圓心角分別為22.5°、15°及11.25°。如圖所示，試驗(yàn)所采用的22.5°圓心角降低主瓣寬度的同時(shí)增加了旁瓣高度。

圖16 水平方向不同陣子數(shù)指向性對比

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的多波束發(fā)射波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)過軟件仿真與測試驗(yàn)證，能夠有效實(shí)現(xiàn)寬帶信號發(fā)射及波束形成，水池測試表明4陣子波束指向性與仿真結(jié)果基本符合，可以達(dá)到能量聚焦的目的。因水池測試環(huán)境所限，本研究僅利用水平4個(gè)陣子及其形成的波束數(shù)據(jù)，且僅測試陣子正前方30°內(nèi)波束形成。今后的研究及測試將著眼于多陣子水平波束形成及垂直波束形成指向性，進(jìn)一步完善本設(shè)計(jì)和測試方案。

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