21世紀(jì)是一個船舶工業(yè)飛速發(fā)展的時代,，無論從經(jīng)濟(jì)層面還是從軍事層面，都對船舶和水下潛器的定位與導(dǎo)航技術(shù)提出了新的要求,。從經(jīng)濟(jì)層面來講,，從事海洋運(yùn)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(dǎo)航設(shè)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(shè)備保障水下保密航行,。因此，開發(fā)依據(jù)聲學(xué)原理的水下測速設(shè)備具有積極的意義[1],。

    在水聲定位與導(dǎo)航領(lǐng)域,，目前主要依賴于多普勒計程儀實現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。多普勒計程儀是利用聲波測量艦船絕對運(yùn)動速度的設(shè)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(diǎn)。
1 多普勒測速聲納原理
    當(dāng)收發(fā)合置換能器相對于海底運(yùn)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(yùn)動所引起的接收頻率改變的現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)[2]。設(shè)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(yùn)動，經(jīng)過推導(dǎo),，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(yùn)動速度vx,。
2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)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(shè)計,，實現(xiàn)帶通濾波、波束形成,、相關(guān)運(yùn)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(guān)運(yùn)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(shè)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(jī)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(diǎn),，可設(shè)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(jìn)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(guān)運(yùn)算模塊
      為了準(zhǔn)確檢測回波信號的到達(dá)，需對波束形成模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理,。為保證實時性,，四個乘法器并行運(yùn)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(jìn)行乘加運(yùn)算,，ROM輸出數(shù)據(jù)順序調(diào)整由交叉開關(guān)完成，運(yùn)算結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[3],。ModelSim進(jìn)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(guān)運(yùn)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(jī)信號,，SignalTapII采集到波束形成和相關(guān)運(yùn)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(guān)運(yùn)算峰值，說明此刻相關(guān)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(yù)定設(shè)計目標(biāo),。

    該設(shè)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(diǎn)，創(chuàng)新性地使用偽隨機(jī)寬帶發(fā)射信號,，并且針對寬帶信號的特點(diǎn),，設(shè)計了適合處理寬帶信號的帶通濾波、波束形成和相關(guān)運(yùn)算算法,。在Altera StratixII FPGA上運(yùn)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(shù)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(xiàn)
[1] 張占陽.寬帶多普勒計程儀測頻方法及其軟件設(shè)計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.
[2] 田坦,，劉國枝,，孫大軍．聲吶技術(shù)[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000：156-169.
[3] 褚迎東.基于FPGA的相控陣波束形成設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),，2011.