fpga实现延迟累加波束的方法
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发布时间：2023-01-30 22:59
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时间：2023-08-16 05:35
高分辨率多波束图像声纳的种类较多、应用广泛，可用于水下环境监测、水坝渗漏检测、航行中前视避障、水下反恐警戒等等。其中高分辨率多波束图像声纳具有窄波束、短脉冲、高数据刷新率、图像清晰稳定等特点，性能优势明显且具有更广阔的应用前景。但由于数字成像系统数据运算量大、需要实时成像等特点，对处理器性能要求很高；采用大规模fpga为核心器件实现多波束图像声纳的波束形成，不仅提高了整体性能，同时其系统结构简单且小型。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非*性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的高分辨率图像声纳波束形成的实现框图；
图2是本发明的波束形成系统的正交解调和低通滤波实现框图；
图3是本发明的波束形成系统的远场环境下波束仿真示意图；
图4是本发明的波束形成系统的近场环境下波束仿真示意图；
图5是本发明的波束形成系统的时延补偿模块实现框图；
图6是本发明的波束形成系统的复数乘法实现框图；
图7是本发明的波束形成系统的累加模块实现框图。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是在高速处理芯片fpga内完成图像声纳的多波束形成算法，实现图像质量优质，成像速度快，体积小，便于携带等特点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于fpga实现的智能多波束形成系统，其特征在于，所述的系统包括：
波束形成数据存储器：对参与波束形成的带通采样的多通道数据进行整理，将并行输入的多通道数据根据处理需要串行输出，利用fpga资源，提高波束形成的实时性；
波束形成正交解调模块：根据带通采样原理，对串行输入的多通道数据进行流水处理，完成频谱搬移，产生数据标志位；
波束形成低通滤波器：设计滤波器系数，实现多通道数据的低通滤波，根据信号动态范围选取数据有效位，避免数据溢出；
延迟系数存储器：根据声纳接收前端布阵参数，产生延迟系数，并根据圆阵与线阵的特点，完成延迟系数的存储；
波束形成延迟控制器：与波束形成低通滤波器、系数存储器相连，完成数据延迟；
相位补偿系数存储器：根据声纳接收前端的布阵方式，产生相位补偿系数，并根据圆阵与线阵的特点，完成相位补偿系数的存储；
波束形成相位补偿器：与所述的波束形成延迟器、相位补偿系数存储器相连，完成相位补偿；
千兆网口控制器：与波束相位补偿器相连，送出波束形成数据，同时与延迟系数存储器、相位补偿系数存储器相连，接收控制命令。
优选地，所述fpga为单片xilinx公司virtex-5系列芯片xc5vsx95t；
在fpga内通过流水处理，采用串行处理结构和并行处理结构相结合的方式；
在fpga内采用高速时钟125mhz衍生的时钟统一完成处理，数据传输的握手信号包括：
数据起始标志符号、数据结束标志符号、数据通道标识号以及数据有效信号。
优选地，波束形成数据存储器利用片内大块存储区域，采用乒乓缓存结构，完成64通道数据的并行输入串行输出，并产生数据信号，包括：数据的起始标志、数据的起始结束标志、数据通道标识。
优选地，所述波束形成正交解调模块：
基于带通采样原理，将采样信号混频到基带，将正交解调系数存储在fpg*内存储资源rom中，每个采样信号到来时，rom读取地址加1，读出正交解调系数，系数和通道数据在实数乘法器中相乘，输出串行的i路和q路数据；
根据数据标识流水处理完成，输出串行的i路和q路数据，并产生新的数据标识信号数据。
优选地，所述波束形成低通滤波器：
正交解调后的i路和q路数据需通过波束形成低通滤波器，该波束形成低通滤波器采用matlab滤波器设计工具fdatool，低通滤波采用fpga开发环境中自带的ip核fircomplier进行实现，滤波器系数保存成文件，导入ip核；
fir滤波器采用多通道、多级流水结构，产生数据溢出标志，并根据数据溢出标志自动截取，保留16位数据。
优选地，所述延迟系数存储器：
根据预定方向及布阵参数信息，生成时延参数表，芯片xc5vsx95t内部存储资源丰富，最大开辟360个预定方向的时延参数表。对于线阵来说，所有通道参与所有方向的波束形成，而对于圆阵，只有部分通道参与一定方向的波束形成，不参与波束形成的通道其延迟信息赋值0。时延参数表存储于fpga内部ram，上电下载，断电消失，参数表根据设备要求可随时更改。
优选地，所述波束形成延迟控制器：
波束形成的延迟控制器根据数据有效标志，产生时延参数表的读取地址，依据读取地址，时延参数表送出的各通道延迟参数信息作为通道存储数据单元的起始地址，延迟参数不同，起始地址不同，从而完成通道数据的延迟，同时输出通道起始标志、通道号、通道结束标识。
优选地，所述相位补偿系数存储器：
根据声纳接收前端的布阵方式，生成各通道相位补偿系数表，芯片xc5vsx95t内部存储资源丰富，最大开辟334个预定方向的相位补偿系数表；
与延迟参数表相同，对于线阵来说，所有通道参与所有方向的波束形成，而对于圆阵，只有部分通道参与一定方向的波束形成，不参与波束形成的通道其相位补偿系数赋值0；
相位补偿系数表存储于fpga内部ram，上电下载，断电消失，系数表根据设备要求可随时更改。
优选地，所述波束形成相位补偿器：
波束形成相位补偿器根据数据有效标志，产生相位补偿系数表的读取地址，依据读取地址，相位补偿系数表送出各通道对应的相位补偿系数；
相位补偿系数和延迟后数据根据数据有效标识和通道标识通过复数乘法器完成延迟后的通道数据的相位补偿；
复数乘法器根据数据有效标识，采用串行工作方式，流水完成对应通道的相位补偿，并根据数据溢出标志自动截取16位数据有效位。
优选地，所述千兆网口控制器：
波束形成数据最终通过千兆网口送出；
千兆网口控制器通过基于fpga内部的mac核开发而成，波束形成后的16位并行数据，根据千兆网传输协议要求，存储到fpga内部的双口ram，转换为125m时钟频率下的8位数据，串行的8位数据与物理层传输的需要的报文头信息，一起打包上传。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用fpga高速并行的特点，在单片xc5vsx95t内完成64个通道360个波束的实时运算；
2、本发明对于圆弧阵、线阵的信号输入，该系统在不改变处理硬件的情况下，可灵活实现波束形成的运算；
3、本发明的系统采用模块化处理方式，方便拓展更多通道的波束形成处理；
4、本发明采用此系统的声纳具有结构简单、体积小巧、成像速度快等优点。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于fpga实现的智能多波束形成系统，其特征在于，所述的系统包括：
波束形成数据存储器：对参与波束形成的带通采样的多通道数据进行整理，将并行输入的多通道数据根据处理需要串行输出，利用fpga资源，提高波束形成的实时性；
波束形成正交解调模块：根据带通采样原理，对串行输入的多通道数据进行流水处理，完成频谱搬移，产生数据标志位；
波束形成低通滤波器：设计滤波器系数，实现多通道数据的低通滤波，根据信号动态范围选取数据有效位，避免数据溢出；
延迟系数存储器：根据声纳接收前端布阵参数，产生延迟系数，并根据圆阵与线阵的特点，完成延迟系数的存储；
波束形成延迟控制器：与波束形成低通滤波器、系数存储器相连，完成数据延迟；
相位补偿系数存储器：根据声纳接收前端的布阵方式，产生相位补偿系数，并根据圆阵与线阵的特点，完成相位补偿系数的存储；
波束形成相位补偿器：与所述的波束形成延迟器、相位补偿系数存储器相连，完成相位补偿；
千兆网口控制器：与波束相位补偿器相连，送出波束形成数据，同时与延迟系数存储器、相位补偿系数存储器相连，接收控制命令。
具体地，所述fpga为单片xilinx公司virtex-5系列芯片xc5vsx95t；
在fpga内通过流水处理，采用串行处理结构和并行处理结构相结合的方式；
在fpga内采用高速时钟125mhz衍生的时钟统一完成处理，数据传输的握手信号包括：
数据起始标志符号、数据结束标志符号、数据通道标识号以及数据有效信号。
具体地，波束形成数据存储器利用片内大块存储区域，采用乒乓缓存结构，完成64通道数据的并行输入串行输出，并产生数据信号，包括：数据的起始标志、数据的起始结束标志、数据通道标识。
具体地，所述波束形成正交解调模块：
基于带通采样原理，将采样信号混频到基带，将正交解调系数存储在fpg*内存储资源rom中，每个采样信号到来时，rom读取地址加1，读出正交解调系数，系数和通道数据在实数乘法器中相乘，输出串行的i路和q路数据；
根据数据标识流水处理完成，输出串行的i路和q路数据，并产生新的数据标识信号数据。
具体地，所述波束形成低通滤波器：
正交解调后的i路和q路数据需通过波束形成低通滤波器，该波束形成低通滤波器采用matlab滤波器设计工具fdatool，低通滤波采用fpga开发环境中自带的ip核fircomplier进行实现，滤波器系数保存成文件，导入ip核；
fir滤波器采用多通道、多级流水结构，产生数据溢出标志，并根据数据溢出标志自动截取，保留16位数据。
具体地，所述延迟系数存储器：
根据预定方向及布阵参数信息，生成时延参数表，芯片xc5vsx95t内部存储资源丰富，最大开辟360个预定方向的时延参数表。对于线阵来说，所有通道参与所有方向的波束形成，而对于圆阵，只有部分通道参与一定方向的波束形成，不参与波束形成的通道其延迟信息赋值0。时延参数表存储于fpga内部ram，上电下载，断电消失，参数表根据设备要求可随时更改。
具体地，所述波束形成延迟控制器：
波束形成的延迟控制器根据数据有效标志，产生时延参数表的读取地址，依据读取地址，时延参数表送出的各通道延迟参数信息作为通道存储数据单元的起始地址，延迟参数不同，起始地址不同，从而完成通道数据的延迟，同时输出通道起始标志、通道号、通道结束标识。
具体地，所述相位补偿系数存储器：
根据声纳接收前端的布阵方式，生成各通道相位补偿系数表，芯片xc5vsx95t内部存储资源丰富，最大开辟334个预定方向的相位补偿系数表；
与延迟参数表相同，对于线阵来说，所有通道参与所有方向的波束形成，而对于圆阵，只有部分通道参与一定方向的波束形成，不参与波束形成的通道其相位补偿系数赋值0；
相位补偿系数表存储于fpga内部ram，上电下载，断电消失，系数表根据设备要求可随时更改。
具体地，所述波束形成相位补偿器：
波束形成相位补偿器根据数据有效标志，产生相位补偿系数表的读取地址，依据读取地址，相位补偿系数表送出各通道对应的相位补偿系数；
相位补偿系数和延迟后数据根据数据有效标识和通道标识通过复数乘法器完成延迟后的通道数据的相位补偿；
复数乘法器根据数据有效标识，采用串行工作方式，流水完成对应通道的相位补偿，并根据数据溢出标志自动截取16位数据有效位。
具体地，所述千兆网口控制器：
波束形成数据最终通过千兆网口送出；
千兆网口控制器通过基于fpga内部的mac核开发而成，波束形成后的16位并行数据，根据千兆网传输协议要求，存储到fpga内部的双口ram，转换为125m时钟频率下的8位数据，串行的8位数据与物理层传输的需要的报文头信息，一起打包上传。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
一种基于fpga的多波束图像声纳的波束形成系统，该系统在不改变硬件处理电路的情况下可灵活实现线阵、圆弧阵的波束形成。此系统包括：
波束形成数据存储器，用于对参与波束形成的带通采样的多通道数据进行整理，将并行输入的多通道数据根据处理需要串行输出，合理利用fpga资源，提高波束形成的实时性；
波束形成正交解调，根据带通采样原理，用于对串行输入的多通道数据进行流水处理，完成频谱搬移，产生数据标志位；
波束形成低通滤波器，设计滤波器系数，用于实现多通道数据的低通滤波，根据信号动态范围选取数据有效位，避免数据溢出；
延迟系数存储器，根据接收换能器布阵参数，产生延迟系数，并根据圆弧阵与线阵的特点，完成延迟系数的存储；
波束形成延迟控制器，与所述的波束形成低通滤波器、系数存储器相连，完成数据延迟；
相位补偿系数存储器，根据接收换能器布阵参数，产生相位补偿系数，并根据圆弧阵与线阵的特点，完成相位补偿系数的存储；
波束形成相位补偿器，与所述的波束形成延迟器、相位补偿系数存储器相连，完成相位补偿；
千兆网口控制器，与波束相位补偿器相连，送出波束形成数据，同时与延迟系数存储器、相位补偿系数存储器相连，接收控制命令。
此系统选用xilinx公司virtex-5系列芯片xc5vsx95t，在单片器件内部，优化器件资源，提高工作时钟，采用串行、并行处理结构相结合的方式，可实现64个通道的360个波束形成。
为保证片fpg*内同步处理，采用高速时钟125mhz衍生的时钟统一完成，数据传输的握手信号有数据起始标志符号、数据结束标志符号、数据通道标识号、数据有效信号。
基于fpga实现的智能多波束形成系统，需要利用fpga内部大块存储区域ram，采用乒乓缓存结构，完成64通道数据的并行输入串行输出，并产生数据的起始、结束标志，数据通道标识等信号。
基于fpga实现的智能多波束形成系统，对于基于带通采样原理的数据输入信号，通过正交解调模块将信号混频到基带，正交解调系数coswt,sinwt存储在fpg*内存储资源rom中，每个采样信号到来时，rom读取地址加1，读出coswt,sinwt系数和通道数据，在实数乘法器中相乘，输出串行的i路和q路数据。正交解调模块根据数据标识流水处理完成，输出串行的i路和q路数据，并产生新的数据标识信号。
正交解调后的i路和q路数据需通过低通滤波器，此系统采用matlab的设计工具fdatool设计低通滤波器，利用fpga开发环境中自带的ip核fircomplier进行实现，滤波器系数保存成文件，导入ip核。fir滤波器采用多通道、多级流水结构，产生数据溢出标志，并根据数据溢出标志自动截取，保留16位数据。
系统利用fpga高速并行处理特征，完成时域波束形成。将64个通道的数据根据预定方向先进行空间时延补偿、阵元相位补偿，然后实现通道的同相叠加。
系统根据预定方向及布阵参数信息，生成时延参数表，芯片xc5vsx95t内部存储资源丰富，最大可开辟360个预定方向的时延参数表。对于线阵来说，所有通道参与所有方向的波束形成，而对于圆弧阵，只有部分通道参与一定方向的波束形成，不参与波束形成的通道其延迟信息赋值0。时延参数表存储于fpga内部ram，上电下载，断电消失，参数表根据设备要求可随时更改。
系统所述的波束形成的延迟控制器根据数据有效标志，产生时延参数表的读取地址；依据读取地址，时延参数表送出的各通道延迟参数信息作为通道存储数据单元的起始地址，延迟参数不同，起始地址不同，从而完成通道数据的延迟，同时输出通道起始标志、通道号、通道结束标识。
系统根据预定方向及布阵参数信息，生成各通道相位补偿系数表，芯片xc5vsx95t内部存储资源丰富，最大开辟360个预定方向的相位补偿系数表。与延迟参数表相同，对于线阵来说，所有通道参与所有方向的波束形成，而对于圆阵，只有部分通道参与一定方向的波束形成，不参与波束形成的通道其相位补偿系数赋值0。相位补偿系数表存储于fpga内部ram，上电下载，断电消失，系数表根据设备要求可随时更改。
系统所述波束形成相位补偿器根据数据有效标志，产生相位补偿系数表的读取地址，依据读取地址，相位补偿系数表送出各通道对应的相位补偿系数。相位补偿系数和延迟后数据根据数据有效标识和通道标识，通过复数乘法器完成延迟后的通道数据的相位补偿。复数乘法器根据数据有效标识，采用串行工作方式，流水完成对应通道的相位补偿，并根据数据溢出标志，自动截取16位数据有效位。
基于fpga实现的智能多波束形成系统最终通过千兆网口将波束形成数据送出。千兆网口控制器通过基于fpga内部的mac核开发而成，波束形成后的16位并行数据，根据千兆网传输协议要求，存储到fpga内部的双口ram，转换为125m时钟频率下的8位数据，串行的8位数据与物理层传输的需要的报文头等信息，一起打包上传。
上述的基于fpga实现的智能多波束形成系统在高分辨率图像声纳中的应用。
优选例2：
本发明的目的是提供一种高频多波束图像声纳的波束形成的算法设计及实现，主要包括：
应用本系统的高频多波束图像声纳共有360个通道输入，最终形成360个波束。采用六片高速fpga可并行工作实现360个波束形成，每片fpga实现64个通道360个波束形成。单片fpga采用串行流水线工作方式，实现信号的正交解调、低通滤波、复数字波束形成、抽取等处理。单片fpga结构框图如图1所示。
fpga选用xilinx公司的virtex-5系列的xc5vsx95t，其内部结构有如下的特点：
virtex-5slices14720，
distributedram1520kb，
dsp48eslices640，
blockram8784kb。
本系统外部的晶振频率为125mhz，通过锁相环生成13.5mhz和81mhz时钟，为整个fpga系统的工作频率。其中13.5mhz分频75个周期产生180khz的采样信号fs，可满足64个通道的串行工作。
高频多波束图像声纳载频信号400khz，根据带通采样定理可知，采样频率fs带通采样频率除了保证fs≥2b，还要满足：
这里m取4，这样采样频率fs应满足：166khz≤fs≤192.5khz，取采样频率fs为180khz。
将载频信号400khz以采样频率fs＝180khz带通采样后，信号频谱搬移到40khz位置。
正交解调采用coswt,sinwt对输入信号进行相乘，此处对应的系数分别为cos(2πnf0/fs),sin(2πnf0/fs)，n＝1,2,3…。正交解调模块的实现框图如图2所示,正交解调模块系数共有2组，每组9个系数。具体实现时，将正交解调系数事先储存在两个rom中，每个采样信号fs来到时，使rom读地址加1，将读出的cos系数、sin系数和通道数据在实数乘法器中相乘，输出串行的i路和q路数据。
低通滤波器特性是通带为输入信号带宽的一半，阻带选取2倍通带，带内起伏1db，带外衰减60db，滤波器采用fpga自带的ip核fircomplier进行实现。fir滤波器可采用多通道工作方式，把matlab中设计的低通滤波器参数，得到的脉冲响应系数保存成文件，导入fir核。滤波器阶数为26,两个低通滤波器需要消耗26个dsp48e。通过低通滤波处理后，得到64路基带信号实部和虚部的数据，位宽为16位。
高频多波束图像声纳基于线阵的波束形成的原理，线阵的阵元数n为360，各阵元以0.5倍波长d等间隔分布，以线阵的中心为参考点计算时延参数，角度定义从左至右为-45°到45°，信号入射方向为θ,声场速度为c。
远场线阵的波束形成的示意图如图3所示。远场线阵波束形成采用时情况下时延参数计算公式为：
当图像声纳工作在近场区，声波近似为球面波的形式传播到基阵，此时若按远场平面波模型设计波束形成器，由于相位失配，将导致波束主瓣变宽，旁瓣级升高，致使方位分辨率下降，图像声纳的成像性能严重恶化。当满足近场条件：
l2/λ＝0.6325×0.6325×400000/1500＝107m
式中，λ为波长(f0/c＝4000000/1500)，l为线阵长度0.6325cm。
对不同方位、不同距离点的信号进行逐点时延计算以保证图像质量。
近场线阵的波束形成的示意图如图4所示。假设线阵的中心为参考点，声源至参考点的距离为r，声源的方向为θ,di为第i号阵元至参考点的距离，则各阵元时延参数计算公式(根据三角函数的余弦定理)为：
波束形成时，先做时延，时延个数为：
int(τi*fs)int是取整函数
时延个数有正有负，时延个数为正，表明该阵元信号相对于参考单元超前到达，时延个数为负，表明该阵元信号相对于参考单元滞后到达。电路设计中，因为只能实现延迟，所以上述时延个数统一加负的最大时延个数，即以信号最晚到达的阵元为参考，其他阵元按相应的时延个数延迟。
相位补偿时，相位补偿补偿系数为：
对i号阵元的复基带信号乘以相位补偿系数，再对360个阵元进行累加运算。
单片fpga内部的复数字波束形成器主要对输入64个通道数据完成64路复数乘法和延迟相加，共形成360个波束。由于1个复数乘法器需要消耗3个dsp48e，360个波束需要消耗1080个dsp48eslices，而xc5vsx95t芯片中只有640个dsp48e。根据总体参数计算，本系统最大时延采样点为27个点，在复数乘法前需要对各通道数据作时延补偿。综合考虑dsp48e资源和bram资源，将时钟提高到81mhz，把64路串行数据转化成并行数据，单个复数乘法模块完成1个通道360个波束的复数乘法，共需要180个dsp48e，如图5所示。
其中，双口ram的写时钟为13.5mhz，写地址每当采样信号fs到来时加1，从0～127循环计数。读时钟为81mhz，读地址由两部分组成，基地址每当采样信号fs到来时加1，从0～127循环计数。读地址偏移量由时延系数ram输出，一个采样周期内输出第i号通道360个时延系数。读地址偏移量和基地址相加得到双口ram的读地址，完成第i号通道的时延补偿。
复数乘法模块的实现框图如图6所示。相移系数ram存放i号通道360个相位补偿系数，分为实部和虚部，工作时钟为81mhz,读地址依次为0～359，依次输出i号通道360个波束对应的相位延迟系数，与第i号通道数据复数相乘，得到实部结果mul_re(i)和虚部结果mul_im(i)。该复数乘法模块共有64个，64个并行输出的结果经过加法器运算后，得到360个波束的实部和虚部数据。把16位实部和虚部波束数据合并成32位，通过双口ram，输出1440个8位波束数据，输出时钟为125mhz，实现框图如图7所示。
波束形成数据根据图像声纳量程进行不同倍数的降采样，降采样后数据通过光纤千兆网口送出。光纤传输的速率为2×360×16×180k/dsn＝2.0736gbs/dsn，dsn为降采样倍数，dsn至少为3。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的*。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
热心网友
时间：2023-08-16 05:35
（2）使用时钟计数延时，这种方法可以精准延时，是FPGA使用得最多延时方法，很多时候时序逻辑都需要准确定位。希望可以帮到你。
