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详解如何利用FPGA实现宽带多普勒测速声纳数字系统

发布时间:2019-06-16 04:14 来源:未知 编辑:admin

  摘 要: 针对多普勒测速声纳的高精度要求,采用宽带发射信号和相控阵波束形成技术,并利用FPGA在数据处理方面高速、并行、实时的特点,在以Altera StratixII EP2S60F484I4 FPGA为核心的系统上设计了宽带多普勒测速声纳数字系统,实现了采样控制及带通滤波、波束形成、相关运算等信号处理算法。测试结果显示,宽带信号能够更好地满足声纳系统高精度要求。

  21世纪是一个船舶工业飞速发展的时代,无论从经济层面还是从军事层面,都对船舶和水下潜器的定位与导航技术提出了新的要求。从经济层面来讲,从事海洋运输行业的舰船航行中需要高精度的速度信息,对高性能定位导航设备需求迫切;从军事层面来讲,水下潜器需要合适的速度测量设备保障水下保密航行。因此,开发依据声学原理的水下测速设备具有积极的意义[1]。

  在水声定位与导航领域,目前主要依赖于多普勒计程仪实现定位导航功能。多普勒计程仪是利用声波测量舰船绝对运动速度的设备。在已知舰船起始位置和航向信息的情况下,能够通过推算为舰船提供位置信息。宽带发射信号相对于窄带发射信号具有更高的频率分辨率,回波能够携带更多的频移信息,从而更有利于速度信息的测量。面对大量数据的高速处理,使用FPGA(Field Programmable Gate Array)代替传统DSP(Digital Signal Processor)可以更好地完成接收信号的实时处理,这也是本论文研究的出发点。

  当收发合置换能器相对于海底运动时,换能器接收到的反射信号频率将会高于或者低于发射信号的频率,这种由于相对运动所引起的接收频率改变的现象叫做多普勒效应[2]。设声速为c,收发合置换能器发射频率为fT的脉冲,舰船在海面上以水平速度分量vx向前运动,经过推导,接收信号相对发射信号的多普勒频移为:

  由式(1)可知,在fT、、c已知的前提下,就可以根据多普勒频移fdI计算出舰船运动速度vx。

  在以FPGA为核心的系统上完成多普勒测速声纳数字系统的设计,实现带通滤波、波束形成、相关运算等信号处理算法。系统由4个模块组成,包括A/D(Analog to Digital)采样控制模块、带通滤波模块、波束形成模块和相关运算模块,系统的结构框图如图1所示。

  FPGA控制4片模数转换芯片ADS8361完成8路数据采集,每片ADS8361包含左右两个通道。结合ADS8361时序设计A/D采样控制模块,在采集数据完成后,8路数据输出至带通滤波模块。

  带通滤波器的中心频率为40 kHz,带宽为70 kHz。滤波器通带内的波动为3 dB,阻带内衰减为30 dB。中心频率为280 kHz的伪随机信号通过滤波器,低于5 kHz和高于75 kHz的频率分量通过滤波器之后被过滤掉,实现了带通滤波。

  根据相控阵波束形成的特点,可设计出如图2所示的FPGA波束形成接收框图。信号乘“-1”实现“相控阵移相相位”,希尔伯特(Hilbert)变换实现“移相/2”,这种相移方式下信号相位的移动不受频率的影响,适合处理宽带信号。采用ModelSim进行功能仿线输出信号上得到了同相叠加,而波束2输出的信号被反相抑制。

  为了准确检测回波信号的到达,需对波束形成模块输出的数据进行相关处理。为保证实时性,四个乘法器并行运算,控制模块将数据存入RAM,读取ROM中数据和RAM输出数据进行乘加运算,ROM输出数据顺序调整由交叉开关完成,运算结构图如图4所示[3]。ModelSim进行功能仿线所示,输入信号datain_a输入3 200个数据后,输出的相关运算值sum出现最大值。

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