基于fpga的多波束频率不变波束形成

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1、5声学技术2015年基于FPGA的多波束频率不变波束形成张瑞，王惠刚(西北工业大学航海学院，陕西西安710072)摘要：频率不变波束形成技术可以在较宽频率范围内无失真地接收到来自空间某一方向的宽带信号。傅里叶变换频率不变波束形成技术适用于任何期望的频率不变波束图，且可以推广到多维阵列的情况。为了减小宽带多波束常规波束形成所需的庞大计算量以实现快速成像，本文针对平面阵提出了基于FPGA的适合于硬件结构的多波束傅里叶变换频率不变波束形成算法的具体处理方法，包括面向阵元和面向波束的分块算法，通过多个FPGA分块完成多波束的频率不变波束形成。通过对比分析表明，基于FPGA的分块算法与

2、常规波束形成相比，数据存储量和计算量都大幅下降。关键词：多波束；频率不变波束形成；FPGAMulti-beamFrequencyInvariantBeamformingBasedonFPGAZHANGRui,WANGHui-gang(NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an，Shannxi710072)Abstract:Thefrequencyinvariantbeamformingtechniquecanreceivethebroadbandsignalsfromacertaindirectionwithoutdistortion.

3、FrequencyinvariantbeamformingapproachbasedonFouriertransformcanbeappliedtoanydesiredfrequencyresponseandmulti-dimensionalarrays.Inordertoreducethehugecomputationaltaskrequiredbybroadbandmulti-beamconventionalbeamformingtoimplementfastimaging,thespecificimplementationofmulti-beamfrequencyinv

4、ariantbeamformingalgorithmbasedonFPGAinplanararraywhichiseasytoachievedinhardwareisproposed,includingsensor-orientedandbeam-orientedmethods.Multi-FPGAareusedtocompletethemulti-beamfrequencyinvariantbeamformingtosimplifybothdatastorageandcomputation.Theanalysisresultsdemonstratethatthenewalg

5、orithmsshowgreatsavingsinthecomputationalloadanddatastoragecomparedwiththeconventionalbeamforming.Keywords:multi-beam;frequencyinvariantbeamforming;FPGA5声学技术2015年0引言多波束成像声呐利用数字成像技术，在海底探测范围内形成二维声图像，具有很高的系统稳定性和很强的信号处理能力。多波束成像系统具有阵元数多、波束数多、工作频率高、数据量庞大、实时成像等特点，这些都要求系统的软、硬件设计必须具备很高的性能。随着适用于并行处理的

6、现场可编程门阵列(FPGA)器件的快速发展，采用大规模FPGA为核心处理器的图像声呐，在提高整体性能的同时，其系统结构也更加简单。无论在主动还是被动声呐系统中，对于宽带波束形成,人们比较感兴趣的一类波束是频率不变波束。所谓的频率不变就是指当宽带信号入射至一个确定的阵列系统时,阵列系统对宽带信号的不同频收稿日期:2015-07-05;修回日期:2015-09-30作者简介:张瑞(1992-),女,内蒙古鄂尔多斯人,本科生通讯作者:王惠刚，E-mail:wanghg74@nwpu.edu.cn率响应分量具有与频率无关的特性，也就是不同输出信号不存在波形失真,从而保证给后续信号各处

7、频率点形成的波束宽度是相同的，因此也叫恒定束宽[1]。频率不变波束形成设计的核心就是使信号不同的频率分量所形成的波束图保持一致。传统的时域宽带波束形成器，先对各个阵元输出信号进行幅度加权,然后通过一个时延滤波器补偿各个阵元之间的时间延迟后相加得到时域输出波形，会造成信号的严重失真[2]。为了得到设计频段上频率不变的波束,需要对信号的各个频率分量施加不同的复数加权(此复数加权表示了频率不变所需的时延补偿和幅度加权),显然传统的时域宽带波束形成器无法完成。在时域可以通过设计合适的FIR滤波器组来实现,其结构