[发明专利]一种基于FPGA的水下实时成像方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)技术，水声信号处理技术和高性能并行计算技术，特别是二维前视成像声纳的实时波束形成处理，具体涉及一种基于FPGA的水下实时成像方法及系统。

背景技术

二维前视成像声纳的波束形成技术是水声信号处理中实现水下成像的一种常见信号处理方式，为了提高成像精度和质量，往往选用频率较高的信号作为声纳的发射信号，在接收端使用大规模的接收换能器，这些因素使得处理系统的采样频率和数据通道数都不断提升，需要处理的数据量也随之增大。在实际应用中，实现大规模的实时波束形成从而对水下环境进行成像已成为了难点技术。

在信号处理量不大时或实时性要求不高时，实现水下成像的相关算法时往往使用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)。DSP具有较为成熟的技术，通过编写软件就可以实现各种算法，但其内部的硬件结构为不可改变的通用结构，使得其计算效能往往不高。目前为了实现高性能的实时处理，也有使用多DSP并行的方式，这种方法虽然可以解决计算性能的问题，但在硬件规模、能量消耗都有较大的开销，使得系统的效能较低。

目前FPGA技术发展迅速，单片FPGA已经可以提供数以兆计算的逻辑单元数量，其单片的每秒乘加运算次数远远超越了DSP的水平。此外受益于片上可编程系统(System On Programmable Chip，SOPC)技术的发展，FPGA中嵌入了大量了辅助模块，如高速串行接口，DSP硬核等等。FPGA的可编程内部硬件结构十分适合实现如波束形成这种并行规模大的计算，虽然开发难度高于DSP，但其处理速度和效率都要高于DSP。

现有技术已有使用FPGA作为该类运算处理器的趋势，并已有了一些应用和成果。但多为被动声纳的非实时波束形成算法或是主动侧扫声纳的实时成像算法(侧扫声纳用于航行器侧面水域的探测)且使用大量的片外数据缓存，这样会导致开发成本的大大提高，目前还缺乏对基于FPGA且无需片外缓存的高精度二维前视声纳的实时成像算法(所述的前视声纳用于航行器前方水域的探测，它与侧视声纳的数据更新方式和波束形成的计算方法不同)实现的研究。本发明仅应用于二维前视声纳领域，而非其他声纳领域。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有现有技术使用FPGA作为波束形成的设计时多为被动声纳的非实时波束形成算法或是主动侧扫声纳的实时成像算法且使用大量的片外数据缓存等问题，本发明提供一种基于FPGA的水下实时成像方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供一种基于FPGA的水下实时成像系统，该系统基于二维主动成像声纳，包含发射单元、接受阵列单元和波束形成单元，其特征在于，所述波束形成单元采用FPGA进行波束形成，该单元进一步包含：

高速串行收发器，用于接收所述接受阵列单元发送的若干路基带信号，并进行串并变换，变换为若干路并列的通道；

所述每一路通道还分别包含：一临时缓存单元、一波束形成缓存单元、一相位补偿器、一数据选择器、一乘法器；所述若干通道还共享数个时分复用的延时计算单元和一累加器；其中，

所述临时缓存单元，用于接收所述高速串行收发器发送的临时存储数据，可选的所述临时缓存单元采用两个临时缓存单元构成乒乓结构；所述波束形成缓存单元，用于保存进行波束形成的数据，且该单元以一个距离分辨率的采样点数为单位构成先入先出缓存结构；其输入端与所述临时缓存输出端相连；所述延时计算单元，采用时分复用的方式根据其输入端接收的距离和角度参数为若干个接收阵元通道分别计算其延时参数值和相位补偿参数值；所述相位补偿器，用于根据所述相位补偿参数值通过查表方法产生对数据进行相位补偿的三角函数；将三角函数输出给乘法器；所述数据选择器，用于根据所述延时参数值在所述波束形成缓存中挑选正确的数据输出；所述乘法器，用于将所述相位补偿器得到的三角函数和所述数据选择器选择的数据相乘，获得经过相位补偿后的结果，得到某一阵元通道的波束；所述累加器，用于收集所有阵元通道的波束结果进行累加，得到最终波束并输出。

其中，所述发射单元发射单频调制脉冲；所述接收阵元单元，用于接收发射信号水下的反射信号，并进行处理得到基带信号。

上述技术方案中，所述系统还包含：

第一判断模块，用于判断是否完成了某一段位移上所有距离点的波束形成；

第二判断模块，用于判断某一距离的位置点是否完成了一设定角度范围内的所有角度的波束形成。