成像聲吶中聚焦波束形成技術研究及實現

張昌，王錦柏

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成像聲吶中聚焦波束形成技術研究及實現

張昌，王錦柏

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

介紹了聚焦波束形成的基本原理，分析了一種基于半圓陣的相位補償方法。通過Matlab仿真得出聚焦波束形成的波束圖，相比遠場方法，波束寬度減小，旁瓣得到抑制。設計了一種基于FPGA的數字聚焦波束形成器的實時處理結構，使用8組加權系數即可完成成像聲吶近場范圍內分辨力的改進。通過乒乓操作和并行結構提高處理速度，實時產生72個波束。實驗結果表明，所設計的聚焦波束形成器使某型成像聲吶近場分辨力得到了提高。

成像聲吶；聚焦波束形成；現場可編程門陣列

0 引言

在實際應用中，很多情況下目標都處于陣列的近場范圍，聲波以近似球面波的形式傳播到陣列，此時若按遠場平面波模型設計波束形成器，由于相位失配，波束主瓣將變寬，旁瓣升高，致使方位分辨力下降，成像聲吶圖像性能嚴重惡化。聚焦波束形成技術根據球面波[1]傳播的幾何關系，計算聲源至各接收陣元的聲程差，對接收陣列進行聚焦補償，可以獲得窄主瓣、低旁瓣的波束圖，達到成像聲吶高分辨的要求。成像聲吶的聚焦波束算法可應用于水下目標探測,在探雷領域特別是水雷外形識別上發揮著不可替代的作用。

1 近場聚焦波束形成技術概述

以半圓陣為例[2]說明波束聚焦的原理。平面均勻間隔半圓陣有個陣元，半徑為，聲源到陣元的距離為，以逆時針排列，如圖1所示。

近場范圍的條件為[3]

式中：為波長；為滿足近場條件的距離。

陣元的時間延遲為

第號波束輸出為

(4)

由此可見，聚焦波束的形成與信號的入射角有關，還與聲源與陣中心的距離有關。

1.1 計算機仿真分析

為了驗證近場環境下，常規波束形成與聚焦波束形成的區別，采用Matlab軟件進行仿真。假設半圓陣有144個陣元，等間隔分布，半徑=0.086 m，72個陣元參與波束形成，在[45°, 135°]方向上共形成72個波束。水中聲速=1500 m/s，入射信號為CW信號，中心頻率為=600 kHz，帶寬=25 kHz，帶通采樣率=96 kHz。聲源方向為90°，與陣元中心的距離為2 m,背景噪聲為各向同性的高斯噪聲，對應的陣元信噪比為10 dB。

仿真結果如圖2所示，目標在近場環境下，若使用遠場模型會導致相位失配，第一旁瓣幅度約為-5.49 dB。而近場聚焦波束形成算法主瓣寬度為1°、第一旁瓣幅度約為-13.04 dB、旁瓣級遠低于遠場模型時的旁瓣級。

1.2 分段聚焦補償

對單點聚焦只能保證焦點附近區域的波束性能[4]，而其他位置上的目標未得到精確補償，波束會惡化。因此，要將整個近場區域分成若干段，對每段距離分別采用聚焦補償。在定位方向上，圓陣與線列陣不同，通過參與波束形成陣元的滑動實現不同角度的定位，各個波束的相位補償系數是相同的。

某型成像聲吶的半圓陣半徑=0.086 m，由式(1)計算可得近場范圍為0.4~6 m(0.4 m內是盲區，暫不考慮)，設置7個焦面完成近場范圍的相位補償，焦面之間的距離隨著聲源距離的增大而增大。在遠場范圍依然使用遠場系數，一共8組相位補償系數完成整個近場和遠場范圍的波束形成算法的設計，保證了一定精度，有效降低了對硬件儲存的要求。

2 聚焦波束形成的FPGA

2.1 實現結構

本文設計的硬件核心采用Altera公司的Stratix Ⅲ系列的高速FPGA，在Quartus II環境下用VHDL語言編程實現。

數據處理流程如圖3所示，各通道數據經過帶通采樣后先用乒乓RAM緩存，然后送入正交解調模塊，經低通濾波后，得到復基帶信號，再做聚焦波束形成。

通過鎖相環分頻得到整個系統的工作頻率clk=6.91 MHz，可滿足72個通道數據的串行處理。時鐘控制模塊輸出ADC采集同步信號，每72個周期輸出一個周期的高電平，滿足采樣率=96 kHz的要求。采用串行工作方式，利用第一個通道的標志信號sop和最后一個通道的標志信號eop，實現與各通道輸出的時序對準。

從ADC讀取的144路通道16位數據，每4路并成64 bit，在數據有效時寫入乒乓RAM。乒乓RAM的輸出數據為32 bit，讀地址由同步信號啟動，通過數據選擇使高16 bit輸出依次為通道2, 4, 6…144的數據，低16 bit輸出依次為通道1, 3, 5…143的數據。寫地址和讀地址的最高位互為相反，在每個采樣周期取反，通過乒乓操作實現數據的不間斷傳輸。

低通濾波采用Altera提供的IP核FIR Complier實現。使用Matlab濾波器設計工具fdatool設計低通濾波器的參數，確定階數、截止頻率等，把得到的脈沖響應系數保存后導入FIR核。濾波后得到基帶信號的實部和虛部。

如圖4所示，聚焦波束形成單元共有72個并行處理單元，實時產生72個波束。每個單元的功能相同，僅是參與波束形成的數據通道不同。基帶信號的實部和虛部首先存入乒乓RAM中。144路通道數據中每2路合并成32 bit輸入，需要寫72個時鐘。輸出數據為16 bit，讀地址起始地址為，經過72個時鐘周期，依次輸出,+1, …+72號通道數據，完成號波束的運算。同樣通過乒乓操作保證數據的不間斷傳輸。

聚焦補償系數的實部和虛部分別存放在FPGA內部的2個ROM中，運算時從ROM中讀取，其讀時鐘和波束形成單元的乒乓RAM相同。存放一組相位補償系數需要7 bit讀地址，采用分段聚焦方法，一共8組相位補償系數。讀地址的高3位由發射同步信號控制，根據不同距離的信號到達時刻不同，使用不同的焦面系數。

每個復數乘法模塊由4個乘法器和2個加法器組成。~+72號通道數據與加權系數串行進入復數乘法器后累加，得到第號波束的實部和虛部。

求模模塊采用近似求模方法。復數i，先對、求絕對值，再比較大小，得到較大值和較小值。模值由式(6)得到[5]

該方法不需要平方開方運算，并保證相對誤差不超過3%，節省了硬件資源。求模后得到第號的波束，傳輸到上位機進行圖像處理。

2.2 仿真驗證

聲源方向為90°，與陣中心的距離為2 m，各通道接收的信號包含相位延遲信息。將各通道數據存放在信號處理單元，參與波束形成運算。將系統的輸出結果與Maltab仿真對比，檢測系統是否正常工作。

圖5所示為SignalTapII采集到某個周期主極大波束附近的波束值，圖中主瓣的波束值為3085，與主瓣方位角相差1°的波束值為400和398，驗證了系統工作的實時性和有效性。

3 實驗結果及分析

為了驗證聚焦波束形成對近場小目標的聚焦效果，進行了水池實驗。首先將成像聲吶由轉臺固定放置在深度2.5 m處，在正前方1.5 m、相鄰5 cm處放置兩個鋼球反射體，與成像聲吶同深度。成像聲吶的基陣為半圓陣，共有144個等間隔分布的陣元，基陣半徑=0.086 m。采用常規波束形成和聚焦波束形成的聲吶聚焦效果如圖6所示。從圖6可以清楚地看出常規方法在近場范圍內產生了嚴重的成像模糊，甚至分辨不出兩個目標，而聚焦波束形成能清楚地分辨出兩個目標，圖像分辨力明顯優于常規方法。

其次，在成像聲吶正前方1.5、2、2.5 m各放置一個鋼球反射體，其余實驗條件相同。實驗結果由圖7所示。顯見，分段聚焦保證了不同距離的聚焦效果。

為了進一步驗證聚焦波束形成的成像效果，在成像聲吶正前方2 m處放置一塊邊框內刻有“七二六”三字的鐵板，與水平面成20°夾角，與成像聲吶同為2.5 m深，實驗結果如圖8所示。圖8(a)為常規波束形成，難以分辨“七”字和“六”字，圖8(b)為聚焦波束形成，波束寬度小，能量集中，圖像分辨力高，可以清楚地分辨出三個字。

4 結論

本文主要提出了基于圓弧陣的聚焦波束形成算法的相位補償方法，設計了一種基于FPGA的實現結構。該結構通過乒乓操作、并行處理提高速度，完成144個通道72個波束的實時產生，成功應用于某型成像聲吶。實驗結果驗證了本文設計的聚焦波束形成器的實時性和有效性，提高了成像聲吶在近場區域的分辨力。

[1] Moritz N. Time and Frequency Domain SONAR beam- forming in the Near-field[D]. Karlsruhe: University of applied Sciences, 2007: 35-39.

[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, 63-91.

TIAN Tan, LIU Guozhi, SUN Dajun. Sonar technology[M]. Harbin: Harbin Engineering Unviersity Press, 2000, 63-91.

[3] 黃慧, 汪飛, 夏偉杰, 等. 成像聲吶中多波束形成的FPGA工程實現[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2014, 14(3): 29-32.

HUANG Hui, WANG Fei, XIA Weijie, et al. FPGA implementation of multi-beamforming of imaging sonar[J]. Microcontrollers & Embedded Systems, 2014, 14(3): 29-32.

[4] 李海森, 魯東, 周天. 基于FPGA的多波束實時動態聚焦波束形成方法[J]. 震動與沖擊, 2014, 33(3): 83-87.

LI Haisen, LU Dong, ZHOU Tian. Multi-beam real-time dyanamic focused beam-forming method based on FPGA[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(3): 83-87.

[5] 朱榮新, 耿富錄. 復數信號模值近似計算及硬件實現[J]. 火控雷達技術, 1992, 21(1): 31-33.

ZHU Rongxin, GENG Fulu. Approximate calculation and hardware implementation of complex signal mode[J]. Fire Control Radar Technology, 1992, 21(1): 31-33.

Focused beam-forming technique and implementation of imaging sonar

ZHANGChang, WANGJin-bo

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai201108, China)

This paper introduces the principle of focused beam-forming in near-field, and analyses the method of phase compensation for a semicircle array. The beam pattern of focused beam-forming has been obtained by matlab simulation. Compared with the beam pattern of conventional methods, the beam width is shaped and the sidelobe is decreased. A real time processing structure of digital focusing beamformer is designed based on FPGA, in which eight sets of weight coefficients are used to achieve the improvement of resolution in the near-field environment. The processing speed is increased and 72 beams are generated in real time through ping-pong option and parallel structure. The experimental results testify that the focusing beamformer designed in this paper makes a great improvement in near-field resolution of the imaging sonar.

imaging sonar; focused beam-forming; Field-Programmable Gate Array(FPGA)

TB556

A

1000-3630(2015)-06-0493-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.004

2015-01-03;

2015-04-05

張昌(1989－), 男, 浙江嘉興人, 碩士研究生, 研究方向為水聲信號處理。

王錦柏, E-mail: misspopular@126.com