专利名称：一种基于fpga的水下实时成像方法及系统的制作方法
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，特别是ニ维前视成像声纳的实时波束形成处理，具体涉及ー种基于FPGA的水下实时成像方法及系统。
背景技术：
ニ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，在接收端使用大規模的接收换能器，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増大。在实际应用中，实现大規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木。
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，其单片的姆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 OnProgrammable Chip, S0PC)技术的发展，FPGA中嵌入了大量了辅助模块，如高速串行接ロ，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測)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ニ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測，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。本发明仅应用于ニ维前视声纳领域，而非其他声纳领域。

发明内容
本发明的目的在干，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，该系统基于ニ维主动成像声纳，包含发射单元、接受阵列单元和波束形成単元，其特征在于，所述波束形成单元采用FPGA进行波束形成，该单元进ー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ー临时缓存单元、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參数为若干个接收阵元通道分别计算其延时參数值和相位补偿參数值；所述相位补偿器，用于根据所述相位补偿參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，用于根据所述延时參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，得到最終波束并输出。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ー设定角度范围内的所有角度的波束形成。所述临时缓存单元长度为每个距离分辨率下的采样点数；所述波束形成缓存长度为若干个距离分辨率的采样点数，其长度满足最大的延时需求；所述延时计算单元通过多级流水线的结构进行计算。基于以上系统，本发明还提供一种基于FPGA的水下实时成像方法，该方法基于权利要求I所述的系统，包含发射单频调制脉冲的步骤；接收反射信号并进行相关处理得到每个阵元通道的基带信号，并将该信号转换为串行信号并发送；波束形成的步骤，该步骤进一歩包含如下子步骤步骤I :串并变换及存储的步骤将串行数据转换为若干路并行数据并在临时缓存中存储；步骤2 :判断是否计算新的距离的步骤，如果波束形成缓存从临时缓存中接收ー次数据表示需要计算新的距离，进入下ー步骤，如果不需要计算新的距离，则等待，直到波束形成缓存从临时缓存中接收一次数据，开始计算新的距离；步骤3 :保存该距离位置点进行波束形成的数据的步骤，将若干次临时缓存中的数据连续传给波束形成缓存；步骤4 :计算延时參数和相位补偿參数的步骤，所述延时计算单元根据输入的距离和角度值以时分复用的方式计算各个通道在该距离点出某一角度的延时參数和相位补偿參数；步骤5 :计算该距离位置点某一角度的波束形成的步骤，根据延时计算单元提供的延时參数值从波束形成缓存中获取ー个符合延时參数值的数据，同时更新相位补偿结果；根据数据和相位补偿结果通过乘法器获得补偿后的结果，之后由累加器收集所有通道的计算结果，得到该角度的波束形成；步骤6 :判断在该距离位置点下是否计算完某一指定范围的所有角度，如没有，则步骤4);如已计算所有角度，则返回步骤2)；计算完所有距离及每个距离点对应的所有角度的波束形成，即完成了最終的波束形成。上述技术方案中，所述将串行数据转换为若干路并行数据的路数与所述接收阵元包含的阵列的个数相等。 所述临时缓存采用两个临时缓存单元组成乒乓结构。所述临时缓存单元长度为每个距离分辨率下的采样点数；所述波束形成缓存长度为若干个距离分辨率的采样点数，其长度满足最大的延时需求；所述延时计算单元通过多级流水线的结构进行计算。本发明优点在于首先，提出一种基于FPGA的ニ维前视声纳成像系统，使用FPGA相比通用处理器(如DSP)可以提高计算效率，減少硬件的开销，同时填补了前视声纳数据采用FPGA实现波束形成的空白；其次，采用波束形成时内置缓存，节约了片外缓存，降低了开发成本。


图I是本发明的一种基于FPGA的水下实时成像系统的组成框图；图2是本发明的FPGA波束形成单元的组成框图；图3是本发明的一种基于FPGA的水下实时成像方法的流程图；图4是本发明的采用FPGA进行波束形成的流程图；图5是本发明实施例部分提供的种基于FPGA的水下实时成像系统的坐标系示意图；图6为本发明的延时计算单元的结构框图；图7是本发明的优化的延时计算单元的结构框图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进ー步的描述。如图I所示，该图为整个声纳系统框图，包括发射阵，发射机，接收阵，接收机、系统控制和信号处理系统。发射机控制发射阵发射脉冲信号；接收机初步处理接收阵获取的信号再传给信号处理系统，上传信号满足式(2)，所有水听器通道的数据以串行数据形式传输；信号处理系统主要由FPGA组成，将接收到的信号进行实时波束形成的计算；控制系统用来协同接收机、发射机和信号处理系统的工作。如图2所示，该图为FPGA进行波束形成的内部硬件结构图，数据通过高速串行收发器进入FPGA中，将串行数据按不同的通道进行分配。每个通道具有相同的结构，包括临时缓存、波束形成缓存、数据选择器、相位补偿器和乘法器。所述若干通道采用时分复用的方式共用延时计算单位，该延时计算单元为每个通道计算需要的结果，其数量视计算速度而疋。所述高速串行收发器，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，所述临时缓存単元采用两个临时缓存单元组成乒乓结构；使用两个长度与单位距离分辨率的采样点数相同的临时缓存，分别命名为缓存I和缓存2。缓存I先开始接收并保存数据，当缓存I存满后，切換为缓存2接收并保存数据，缓存I的数据由波束形成缓存读取；当缓存2存满后，切換为缓存I接收并保存数据，缓存2的数据由波束形成缓存读取。波束形成缓存读取一个临时缓存的数度远大于ー个临时缓存存满的速度。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參数为若干个接收阵元通道分别计算其延时參数值和相位补偿參数值；所述相位补偿器，用于根据所述相位补偿參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，用于根据所述延时參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计算结果，得到某一阵元通道的波束形成；所述累加器，用于收集所有阵元通道的波束形成的计算结果进行累加，得到最終波束并输出；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。如图3和图4所示，图4为基于FPGA的水下实时成像方法的流程图。如图3所示步骤301 :系统发送单频调制脉冲；步骤302 :接收反射信号并进行相关处理得到每个阵元通道的基带信号；步骤303 :进行波束形成。如图4所示所有阵元基带信号数据将以高速串行数据的形式发送给FPGA进行进一步处理。在FPGA内部其流程为，先将串行数据转换为并行数据在临时缓存中存储，然后判断是否计算新的距离，其判据为临时缓存存满4次采样的数据长度。如需要计算新的距离则将数据传给波束形成缓存，波束形成缓存更新数据，并通知延时计算单元重新计算。数据选择器根据延时计算单元结果从波束形成缓存中获取数据，同时更新相位补偿結果。之后根据数据和相位补偿结果通过乘法器获得补偿后的结果。之后由累加器收集所有通道计算结果并输出。判断在该距离下是否计算完所有角度，如没有则通知延时计算单元更新结果继续计算；如已计算所有角度则返回判断是否要计算新的距离。实施例本发明采用单频调制脉冲为发射信号，该信号公式为
权利要求
1.一种基于FPGA的水下实时成像系统，该系统成像采用波束形成方法且基于前视的ニ维主动成像声纳，包含发射单元、接受阵列单元和波束形成単元，其特征在于，所述波束形成单元采用FPGA进行波束形成，该单元进ー步包含 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ー临时缓存单元、一波束形成缓存单元、一相位补偿器、一数据选择器、ー乘法器；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； 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參数为若干个接收阵元通道分别计算其延时參数值和相位补偿參数值； 所述相位补偿器，用于根据所述相位补偿參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，用于根据所述延时參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计算结果，得到某一阵元通道的波束形成； 所述累加器，用于收集所有阵元通道的波束形成的计算结果进行累加，得到最終波束并输出； 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。
2.根据权利要求I所述的基于FPGA的水下实时成像系统，其特征在于，所述临时缓存单元采用两个临时缓存单元组成乒乓结构。
3.根据权利要求I所述的基于FPGA的水下实时成像系统，其特征在于，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ー设定角度范围内的所有角度的波束形成。
4.根据权利要求I所述的基于FPGA的水下实时成像系统，其特征在于，所述临时缓存単元长度为每个距离分辨率下的采样点数。
5.根据权利要求I所述的基于FPGA的水下实时成像系统，其特征在于，所述波束形成缓存长度为若干个距离分辨率的采样点数，其4长度满足最大的延时需求。
6.根据权利要求I所述的基于FPGA的水下实时成像系统，其特征在于，所述延时计算単元通过多级流水线的结构进行计算。
7.一种基于FPGA的水下实时成像方法,该方法基于权利要求I所述的系统，包含 发射单频调制脉冲的步骤；接收反射信号并进行相关处理得到每个阵元通道的基带信号，并将该信号转换为串行信号并发送； 波束形成的步骤，该步骤进一歩包含如下子步骤 步骤I:串并变换及存储的步骤将串行数据转换为若干路并行数据并在临时缓存中存储； 步骤2 :判断是否计算新的距离的步骤，如果波束形成缓存从临时缓存中接收一次数据表示需要计算新的距离，进入下一步骤；如果不需要计算新的距离，则等待，直到波束形成缓存从临时缓存中接收一次数据，开始计算新的距离； 步骤3 :保存该距离位置点进行波束形成的数据的步骤，将一次临时缓存中的数据连续传给波束形成缓存； 步骤4 :计算延时參数和相位补偿參数的步骤，所述延时计算单元根据输入的距离和角度值以时分复用的方式计算各个通道在该距离点处某一角度的延时參数和相位补偿參数； 步骤5:计算该距离位置点某一角度的波束形成的步骤，根据延时计算单元提供的延时參数值从波束形成缓存中获取ー个符合延时參数值的数据，同时更新相位补偿的计算结果；根据数据和相位补偿的计算结果通过乘法器获得这个通道的波束形成结果，之后由累加器收集所有通道的波束形成結果，最終得到该角度所有通道形成的波束； 步骤6 :判断在该距离位置点下是否计算完某一指定范围的所有角度的波束形成，如在该位置处还有没有计算的角度对应的波束形成，则返回步骤4);如已计算了该位置处指定角度范围内所有角度的波束形成，则返回步骤2)计算一新距离对应的不同位置点的波束形成； 计算完某一段指定距离及针对该距离内的每个距离点对应的指定角度范围的所有角度的波束形成，即完成了最終的波束形成。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的水下实时成像方法，其特征在于，所述将串行数据转换为若干路并行数据的路数与所述接收阵元包含的阵列的个数相等。
9.根据权利要求7所述的基于FPGA的水下实时成像方法，其特征在于，所述临时缓存采用两个临时缓存单元组成乒乓结构。
10.根据权利要求7所述的基于FPGA的水下实时成像方法，其特征在于，所述临时缓存単元长度为每个距离分辨率下的采样点数。
11.根据权利要求7所述的基于FPGA的水下实时成像方法，其特征在于，所述波束形成缓存长度为若干个距离分辨率的采样点数，其长度满足最大的延时需求。
12.根据权利要求7所述的基于FPGA的水下实时成像方法，其特征在于，所述延时计算単元通过多级流水线的结构进行计算。
13.根据权利要求7所述的基于FPGA的水下实时成像方法，其特征在于，所述延时參数对距离为R角度为0的回波采用如下计算公式
14.根据权利要求13所述的基于FPGA的水下实时成像方法，其特征在于，所述IP1J
全文摘要
本发明是一种基于FPGA的水下实时成像系统及方法，该系统包含的波束形成单元采用FPGA进行波束形成，该单元进一步包含高速串行收发器、对应每一阵元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；所述临时缓存单元采用构成乒乓结构；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；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。
文档编号G01S15/89GK102768358SQ201110115140
公开日2012年11月7日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者刘纪元, 李淑秋, 杨光, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所