基于FPGA的寬帶多普勒測速聲納數字系統的設計與實現

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）

21世紀是一個船舶工業飛速發展的時代，無論從經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。從經濟層面來講，從事海洋運輸行業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，開發依據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。寬帶發射信號相對于窄帶發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。面對大量數據的高速處理，使用FPGA(Field Programmable Gate Array)代替傳統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點。

1 多普勒測速聲納原理

當收發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象叫做多普勒效應[2]。設聲速為c，收發合置換能器發射頻率為fT的脈沖，艦船在海面上以水平速度分量vx向前運動，經過推導，接收信號相對發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，就可以根據多普勒頻移fdI計算出艦船運動速度vx。

2 數字系統設計與實現

2.1 系統總體設計框架

在以FPGA為核心的系統上完成多普勒測速聲納數字系統的設計，實現帶通濾波、波束形成、相關運算等信號處理算法。系統由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，系統的結構框圖如圖1所示。

2.2 采樣控制模塊

FPGA控制4片模數轉換芯片ADS8361完成8路數據采集，每片ADS8361包含左右兩個通道。結合ADS8361時序設計A/D采樣控制模塊，在采集數據完成后，8路數據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。 濾波器通帶內的波動為3 dB，阻帶內衰減為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，實現了帶通濾波。

2.4 波束形成模塊

根據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“相控陣移相 π 相位”，希爾伯特（Hilbert）變換實現“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據進行相關處理。為保證實時性，四個乘法器并行運算，控制模塊將數據存入RAM，讀取ROM中數據和RAM輸出數據進行乘加運算，ROM輸出數據順序調整由交叉開關完成，運算結構圖如圖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個數據后，輸出的相關運算值sum出現最大值。

3 系統測試與分析

系統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。信號處理結果均與ModelSim的仿真結果相一致，說明算法正確實現了預定設計目標。

圖6 偽隨機信號波束形成4路輸出

圖7 偽隨機信號相關運算2路輸出

該設計摒棄了窄帶發射回波信號僅能攜帶少量頻移信息的缺點，創新性地使用偽隨機寬帶發射信號，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，測試結果驗證了算法的正確性。與傳統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。

[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[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.