[發(fā)明專利]基于FPGA的實時并行時延相移波束形成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210000834.3
• 申請日: 2012-01-02
• 公開（公告）號: CN102565775A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 聶星陽;章惠全;徐文
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G01S7/539;H04B7/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 陳昱彤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于波束形成處理領(lǐng)域，特別涉及基于FPGA的高速波束形成處理，具體來說是一種基于FPGA的對高采樣率基陣接收數(shù)據(jù)的實時并行時延相移波束形成方法。

背景技術(shù)

波束形成是信號處理領(lǐng)域中一種常用的信號處理方式，在雷達(dá)、聲納、無線通信等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。如多波束聲納在探測海底地形時，需要對基陣接收回波信號進(jìn)行波束形成處理，以分離來自不同角度的海底回波，從而一次獲得多處海底的深度信息。

實際系統(tǒng)中，基陣接收信號一般都先經(jīng)過解調(diào)、濾波和采樣，轉(zhuǎn)換成離散的復(fù)數(shù)形式的數(shù)字基帶信號。假定接收信號是窄帶信號，波束形成可以表示成如下公式：

yk(n)=Σm=1Mckm*xm(n)=ckHx(n)]]>

其中，M為基陣陣元數(shù)，k為期望波束的序列號，n為采樣時刻，x_m(n)為第m個陣元接收信號n時刻采樣值的復(fù)數(shù)基帶表示，c_k＝[c_k1?c_k2?…?c_kM]^T為第k個期望波束角度的波束形成系數(shù)，也用復(fù)數(shù)表示，通過改變系數(shù)c_k就可以控制波束的指向。

考慮到實際中回波信號都是有一定脈寬的，當(dāng)信號脈寬比較小(脈寬聲速乘積小于接收基陣最大孔徑)時，單純用相移來補償時延會導(dǎo)致波束形成效果下降。此時可以采用時延相移波束形成方法，對于需要的時延補償，其中采樣時間間隔的整數(shù)倍部分，用對應(yīng)不同采樣時刻的采樣數(shù)據(jù)補償，剩余部分用相移系數(shù)進(jìn)行補償，如下式：

yk(n)=Σm=1Mckm*xm(n-dkm)]]>

其中，整數(shù)d_km表示第k個期望波束第m個陣元采樣信號延遲的采樣時間間隔數(shù)。

遠(yuǎn)場情況下，可以將波的傳播近似為平面波，采用常規(guī)平面波波束形成，波束形成系數(shù)c_k與距離無關(guān)；近場情況下，平面波近似不成立，采用聚焦波束形成，波束形成系數(shù)c_k與距離有關(guān)，在不同距離上要采用不同的波束形成系數(shù)。

在波束形成技術(shù)的工程化過程中，存在著一些困難，主要包括：波束形成器的復(fù)乘運算需要的運算量很大，尤其在陣元數(shù)和期望角度數(shù)較多，接收基陣信號采樣頻率較高的情況下，波束形成的實時實現(xiàn)異常困難；此外，為了改善波束形成的效果，還要再引入時延相移波束形成以及常規(guī)波束形成和聚焦波束形成相結(jié)合的方法，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和實現(xiàn)的難度。