《電子技術應用》
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基于FPGA的寬帶多普勒測速聲納數(shù)字系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
來源：電子技術應用2012年第6期
楊 威,，李 迪,，趙極遠
哈爾濱工程大學 水聲工程學院,，黑龍江 哈爾濱150001
摘要： 針對多普勒測速聲納的高精度要求，采用寬帶發(fā)射信號和相控陣波束形成技術,，并利用FPGA在數(shù)據(jù)處理方面高速、并行,、實時的特點,，在以Altera StratixII EP2S60F484I4 FPGA為核心的系統(tǒng)上設計了寬帶多普勒測速聲納數(shù)字系統(tǒng)，實現(xiàn)了采樣控制及帶通濾波,、波束形成,、相關運算等信號處理算法。測試結(jié)果顯示,，寬帶信號能夠更好地滿足聲納系統(tǒng)高精度要求,。
中圖分類號： TN911.72
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)06-0013-02
Design and implementation of the digital system of broad band Doppler velocity measuring sonar based on FPGA
Yang Wei，Li Di,，Zhao Jiyuan
College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,，China
Abstract： To meet the high precision of the doppler velocity measuring sonar, the broad band transmitting signal and phased-array are used, also with the high speed, parallel, real-time characteristic of processing data by FPGAs, the digital system of the Doppler velocity measuring sonar is designed and implemented on the core of Altera’s StratixII EP2S60F484I4 FPGA , the sampling control, band-pass filtering, beam forming, correlation operation and other signal processing algorithms have been realized . Meanwhile, the test results show that the broad band signal can meet the high precision of sonar system better.
Key words : FPGA,；broad band signal；Doppler velocity measuring,；sonar

　21世紀是一個船舶工業(yè)飛速發(fā)展的時代,，無論從經(jīng)濟層面還是從軍事層面，都對船舶和水下潛器的定位與導航技術提出了新的要求,。從經(jīng)濟層面來講,，從事海洋運輸行業(yè)的艦船航行中需要高精度的速度信息，對高性能定位導航設備需求迫切,；從軍事層面來講,，水下潛器需要合適的速度測量設備保障水下保密航行。因此,，開發(fā)依據(jù)聲學原理的水下測速設備具有積極的意義[1],。

    在水聲定位與導航領域，目前主要依賴于多普勒計程儀實現(xiàn)定位導航功能,。多普勒計程儀是利用聲波測量艦船絕對運動速度的設備,。在已知艦船起始位置和航向信息的情況下，能夠通過推算為艦船提供位置信息,。寬帶發(fā)射信號相對于窄帶發(fā)射信號具有更高的頻率分辨率,，回波能夠攜帶更多的頻移信息，從而更有利于速度信息的測量,。面對大量數(shù)據(jù)的高速處理,，使用FPGA(Field Programmable Gate Array)代替?zhèn)鹘y(tǒng)DSP(Digital Signal Processor)可以更好地完成接收信號的實時處理，這也是本論文研究的出發(fā)點,。
1 多普勒測速聲納原理
    當收發(fā)合置換能器相對于海底運動時,，換能器接收到的反射信號頻率將會高于或者低于發(fā)射信號的頻率，這種由于相對運動所引起的接收頻率改變的現(xiàn)象叫做多普勒效應[2],。設聲速為c,，收發(fā)合置換能器發(fā)射頻率為fT的脈沖，艦船在海面上以水平速度分量vx向前運動,，經(jīng)過推導,，接收信號相對發(fā)射信號的多普勒頻移為：
    
    由式(1)可知，在fT,、α,、c已知的前提下，就可以根據(jù)多普勒頻移fdI計算出艦船運動速度vx,。
2 數(shù)字系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體設計框架
    在以FPGA為核心的系統(tǒng)上完成多普勒測速聲納數(shù)字系統(tǒng)的設計,，實現(xiàn)帶通濾波、波束形成、相關運算等信號處理算法,。系統(tǒng)由4個模塊組成,，包括A/D（Analog to Digital）采樣控制模塊、帶通濾波模塊,、波束形成模塊和相關運算模塊,，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


2.2 采樣控制模塊
    FPGA控制4片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8361完成8路數(shù)據(jù)采集,，每片ADS8361包含左右兩個通道,。結(jié)合ADS8361時序設計A/D采樣控制模塊，在采集數(shù)據(jù)完成后,，8路數(shù)據(jù)輸出至帶通濾波模塊,。
2.3 帶通濾波模塊
    帶通濾波器的中心頻率為40 kHz，帶寬為70 kHz,。濾波器通帶內(nèi)的波動為3 dB,，阻帶內(nèi)衰減為30 dB。中心頻率為280 kHz的偽隨機信號通過濾波器,，低于5 kHz和高于75 kHz的頻率分量通過濾波器之后被過濾掉,，實現(xiàn)了帶通濾波。
2.4 波束形成模塊
    根據(jù)相控陣波束形成的特點,，可設計出如圖2所示的FPGA波束形成接收框圖,。信號乘“-1”實現(xiàn)“相控陣移相π相位”，希爾伯特（Hilbert）變換實現(xiàn)“移相π/2”,，這種相移方式下信號相位的移動不受頻率的影響,，適合處理寬帶信號。采用ModelSim進行功能仿真,，得到波束1和波束2兩路輸出,，如圖3所示,。波束1輸出信號上得到了同相疊加,，而波束2輸出的信號被反相抑制。

2.5 相關運算模塊
      為了準確檢測回波信號的到達,，需對波束形成模塊輸出的數(shù)據(jù)進行相關處理,。為保證實時性，四個乘法器并行運算,，控制模塊將數(shù)據(jù)存入RAM,，讀取ROM中數(shù)據(jù)和RAM輸出數(shù)據(jù)進行乘加運算，ROM輸出數(shù)據(jù)順序調(diào)整由交叉開關完成,，運算結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[3],。ModelSim進行功能仿真如圖5所示，輸入信號datain_a輸入3 200個數(shù)據(jù)后,，輸出的相關運算值sum出現(xiàn)最大值,。

 

 

3 系統(tǒng)測試與分析
    系統(tǒng)輸入寬帶偽隨機信號,，SignalTapII采集到波束形成和相關運算輸出信號波形如圖6、圖7所示,。圖6中輸出的1路,、3路信號上得到了同相疊加的輸出，而2路,、4路信號輸出被反相抑制,；圖7中輸出1路信號觀察到相關運算峰值，說明此刻相關程度最大,。信號處理結(jié)果均與ModelSim的仿真結(jié)果相一致,，說明算法正確實現(xiàn)了預定設計目標。

    該設計摒棄了窄帶發(fā)射回波信號僅能攜帶少量頻移信息的缺點,，創(chuàng)新性地使用偽隨機寬帶發(fā)射信號,，并且針對寬帶信號的特點，設計了適合處理寬帶信號的帶通濾波,、波束形成和相關運算算法,。在Altera StratixII FPGA上運行算法，測試結(jié)果驗證了算法的正確性,。與傳統(tǒng)的單純窄帶信號相比,，寬帶測速技術極大地提高了水聲測量的抗干擾能力以及測速精度。
參考文獻
[1] 張占陽.寬帶多普勒計程儀測頻方法及其軟件設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學,，2010.
[2] 田坦,，劉國枝，孫大軍．聲吶技術[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社,，2000：156-169.
[3] 褚迎東.基于FPGA的相控陣波束形成設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,，2011.

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