基于分级波束形成的三维声纳系统设计.pdf

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1、2014年第33卷第8期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)101DOI：10．13873／J．1000-9787(2014)08-0101-04基于分级波束形成的三维声纳系统设计林贤洲，陈耀武(浙江大学数字技术及仪器研究所，浙江杭州310027)摘要：针对三维声纳波束形成海量运算造成硬件系统复杂难以实现的问题，设计了基于分级波束形成的三维声纳系统。系统基于大规模(48x48)换能器接收基阵，采用分布式现场可编程门阵列(FPGA)结构实现两级波束形成，所需计算量相

2、比传统波束形成减少九成。该算法经Matlab仿真验证了其合理性，系统样机经水下试验证明：在水平50。垂直50。覆盖角的观测范围内，实现角度分辨率达到0．39。，距离分辨率达到2cm的三维成像。关键词：三维声纳；换能器；分级波束形成；海量运算；现场可编程门阵列中图分类号：TP752．1文献标识码：A文章编号：1000-9787(2014)08-0101-04Designof3DsonarsystembasedonmultistagebeamformingLINXian—zhou，CHENYao-WU(Institute

3、ofAdvancedDigitalTechnologyandInstrument，Zh~iangUniversity，Hangzhou310027，China)Abstract：Aimingatproblemsthatbeamformingmassivecomputingof3Dsonarmakescomplexhardwaresystemwhichisdificulttorealize，design3Dsonarsystembasedonmultistagebeamforming．BasedO1"1largesca

4、leoftransducerreceivingarrays，thesystemutilizesdistributedFPGAstructuretoachievetwostagebeamforming，reduce90％ofcomputingamount．comparedwithtraditionalbeamforming．RationalityofthealgorithmisverifiedbyMatlabsimulation．Testsunderwaterdemonstratethat，withinrangeof5

5、0。horizontalandverticalcoverageangle，3Dsonarsystemisabletoform3Dimagewithangularresolutionof0．39。anddistanceresolutionof2cm．Keywords：3Dsonar；transducer；multistagebeamforming；massivecomputing；fieldprogrammablegatearays(FPGA)0引言成方法，将大阵进行多子阵划分，并采用了经过优化的传统声纳系统声纳基阵多

6、采用一维线阵，对探测目模拟退火算法，对各个基元分配权重系数，在可接受的标在距离和方位上作二维定位，如美国RESON公司开发的最大旁瓣的情况下对基阵稀疏化，分级运算每秒只需数字声纳SeaBatS128J。随着现代军事应用和海洋开发的23，309，824次乘法运算。发展，需要借助三维声纳对物体在水平、垂直、距离3个方系统换能器接收基阵规模为2304(48x48)，接收换能向上都获得目标探测分辨力，分辨物体细节，用于水下器材料采用PZT-5压电陶瓷，压电常数d33>450pC／N，其敏航行器导航、海底资源开发和自动绘制海底

7、地貌等。感的压电效应将接收声波产生的机械振动转换为微弱的电三维实时成像声纳系统实现的技术难度较大，波束形压信号，良好的脉冲响应特性为获取高分辨率的声纳图像打成的运算量随着换能器基阵规模呈几何增长。哈尔滨下基础。现场可编程门阵列(FPGA)内部集成大量的数字信工程大学应用于水下机器人的声纳方案，换能器基阵阵号处理单元(DSPSlice)，具有多级流水处理、数据位宽可配元数为128(16×8)，工作频率为300kHz，采用DSP实现波置性、丰富IO接口等特点，系统采用分布式FPGA结构实束形成，每秒需655，360次乘法

8、运算。CodaOctopus公司的现模拟前端的同步采样控制和波束形成运算。EchoscopeMarklI型声纳系统，具备对重要设施进行监1系统原理和结构控警戒和对蛙人等动态目标进行识别报警等功能，换能二维平面阵的结构如图l所示。设定换能器基阵阵元器基阵规模达到2304(48x48)，传统波束形成算法需要完位于xoy平面上，沿轴和Y轴方向每条线阵