波束有线通测速

基于FPGA的宽带多普勒测速声纳数字系统设计与实现作者:杨威,李迪,赵极远(哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨,150001)摘要:多普勒测速声纳通过向水下发射并接收声波来测定舰船相对于海底或者水层的运动速度.
针对多普勒测速声纳的高精度要求,采用宽带发射信号和相控阵波束形成技术,并利用FPGA处理数据高速、并行、实时的特点,在以AlteraStratixIIEP2S60F484I4FPGA为核心的系统上完成了宽带多普勒测速声纳数字系统的设计,实现了采样控制,带通滤波、波束形成、相关运算等信号处理算法.
同时测试结果显示,宽带信号能够更好的满足声纳系统高精度要求.
关键词:FPGA;宽带信号;多普勒测速;声纳中图分类号:TN911.
72文献标识码:A文章编号:DesignandImplementoftheDigitalSystemofBroadBandDopplerVelocityMeasuringSonarBasedonFPGAAuthor:YANGWei,LIDi,ZHAOJiyuan(CollegeofUnderwaterAcousticEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Dopplervelocitymeasuringsonarmeasuresthevelocityoftheshipswhichisrelativetosubmarineorwaterlevelbytransmittingandreceivingsoundwavesunderwater.
Tomeetthehighprecisionofthedopplervelocitymeasuringsonar,thebroadbandtransmittingsignalandphased-arrayareused,alsowiththehighspeed,parallel,real-timecharacteristicofprocessingdatabyFPGAs,thedigitalsystemofthedopplervelocitymeasuringsonarisdesignedandimplementedonthecoreofAltera'sStratixIIEP2S60F484I4FPGA,thesamplingcontrol,band-passfiltering,beamforming,correlationoperationandothersignalprocessingalgorithmshavebeenrealized.
Meanwhile,thetestresultsshowthatthebroadbandsignalcanmeetthehighprecisionofsonarsystembetter.
Keywords:FPGA;Broadbandsignal;Dopplervelocitymeasuring;Sonar1引言二十一世纪是一个船舶工业飞速发展的时代,无论从经济层面还是从军事层面,都对船舶和水下潜器的定位与导航技术提出了新的要求.
经济层面来讲,从事海洋运输行业的舰船航行中需要高精度速度信息,对高性能定位导航设备需求迫切;军事层面来讲,水下潜器需要合适的速度测量设备保证水下保密航行.
因此,开发依据声学原理的水下测速设备具有积极的意义[1].
针对水声定位与导航领域,目前主要依赖于多普勒计程仪实现定位导航功能.
多普勒计程仪是利用声波测量舰船绝对运动速度的设备,在已知舰船起始位置和航向信息的情况下,能够通过推算为舰船提供位置信息.
宽带发射信号相对于窄带发射信号具有更高的频率分辨率,回波能够携带更多的频移信息,从而更有利于速度信息的测量.
面对大量数据的高速处理,使用FPGA(FieldProgrammableGateArray)代替传统DSP(DigitalSignalProcessor)可以更好地完成接收信号的实时处理,这也是本论文研究的出发点.
2多普勒测速声纳原理当收发合置换能器相对于海底运动时,换能器接收到的反射信号频率将会高于或者低于发射信号的频率,这种由于相对运动所引起的接收频率改变的现象叫做多普勒效应[2].
设声速为,收发合置换能器发射频率为的脉冲,舰船在海面上以水平速度分量向前运动,经过推导,接收信号相对发射信号的多普勒频移为:由此公式可知,在,,已知的前提下,就可以根据多普勒频移计算出舰船运动速度.
3数字系统设计与实现3.
1系统总体设计框架在以FPGA为核心的系统上完成多普勒测速声纳数字系统的设计,实现带通滤波、波束形成、相关运算等信号处理算法.
系统由四个模块组成,包括AD(AnalogtoDigital)采样控制模块、带通滤波模块、波束形成模块和相关运算模块,系统的结构框图如图1所示.
图1系统的结构框图3.
2采样控制模块FPGA控制四片模数转换芯片ADS8361完成8路数据采集,每片ADS8361包含左右两个通道.
结合ADS8361时序设计AD采样控制模块,在采集数据完成后,8路数据输出至带通滤波模块.
3.
3带通滤波模块带通滤波器的中心频率为40kHz,带宽为70kHz.
滤波器通带内的波动为3dB,阻带内衰减为30dB.
中心频率为280kHz的伪随机信号通过滤波器,低于5kHz和高于75kHz的频率分量通过滤波器之后被过滤掉,实现了带通滤波.
3.
4波束形成模块根据相控阵波束形成的特点,可设计出如图2所示的FPGA波束形成实现框图.
信号乘"-1"实现相控阵移相π相位,希尔伯特(Hilbert)变换实现移相/2π,这种相移方式信号相位的移动不受频率的影响,适合处理宽带信号.
ModelSim进行功能仿真,得到波束形成1路和2路输出如图3所示.
1路输出信号上得到了同相叠加,而2路的输出信号被反相抑制.
-1-1Hilbert移相π/2-1ΣΣΣΣ1234波束2波束1图2FPGA波束形成接收框图图3ModelSim波束形成输出波束1和波束23.
5相关运算模块为了准确检测回波信号的到达,需对波束形成模块输出的数据进行相关处理.
为保证实时性,四乘法器并行运算,控制模块将数据存入RAM,读取ROM中数据和RAM输出数据进行乘加运算,ROM输出数据顺序调整由交叉开关完成,结构图如图4所示[3].
ModelSim进行功能仿真如图5所示,输入信号datain_a输入3200个数据后,输出的相关运算值sum出现最大值.
图4相关运算结构图图5相关运算ModelSim仿真图4系统测试与分析系统输入宽带伪随机信号,SignalTapII采集到波束形成和相关运算输出信号波形如图6、图7所示.
图6中输出的1路、3路信号上得到了同相叠加的输出,而在2路、4路信号输出被反相抑制;图7中输出1路信号观察到相关运算峰值,说明此刻相关程度最大.
信号处理结果均与ModelSim的仿真结果相一致,说明算法正确实现.
图6伪随机信号波束形成四路输出图7伪随机信号相关运算两路输出5结论设计摒弃窄带发射回波信号仅能携带少量频移信息的缺点,创新性地使用伪随机宽带发射信号,并且针对宽带信号的特点,设计了适合处理宽带信号的带通滤波、波束形成和相关运算算法.
在AlteraStratixIIFPGA上运行算法,测试结果验证了算法的正确性.
与传统的单纯窄带信号相比,宽带测速技术极大地提高了水声测量的抗干扰能力以及测速精度.
参考文献[1]张占阳.
宽带多普勒计程仪测频方法及其软件设计.
哈尔滨工程大学硕士学位论文,2010:1-2.
[2]田坦,刘国枝,孙大军.
声呐技术[M].
哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000:156-169.
[3]褚迎东.
基于FPGA的相控阵波束形成设计与实现[D].
哈尔滨工程大学硕士学位论文,2011:20-22.
作者简介杨威(1988-),男,哈尔滨工程大学,水声工程学院,电子与通信工程专业在读硕士研究生,主要研究方向为数字信号处理的FPGA实现.