文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)10-0011-02
海洋面積占地球表面積的71%,海底蘊(yùn)藏的石油、天然氣等礦產(chǎn)資源量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陸地。由于能源危機(jī)和資源短缺日益嚴(yán)重,世界各國(guó)對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)利用愈發(fā)重視。水聲成像技術(shù)不僅能夠探測(cè)海底結(jié)構(gòu),而且相比于傳統(tǒng)視頻設(shè)備,其優(yōu)點(diǎn)是呈現(xiàn)的圖像幾乎不受水文條件的影響,無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域,聲成像技術(shù)都是未來(lái)船舶與海洋工程研究的主要技術(shù)之一[1]。
對(duì)要求實(shí)時(shí)成像的成像聲納來(lái)說(shuō),成像速度是衡量其性能優(yōu)劣的一個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)。波束形成器是成像聲納數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分,其運(yùn)算速度影響到整個(gè)系統(tǒng)的成像速度,因此提高波束形成運(yùn)算速度是提升成像聲納成像速度的關(guān)鍵。相移波束形成中的FFT波束形成技術(shù)由于具有非常成熟的算法、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和快速的運(yùn)算速度,成為成像聲納波束形成器首選。
1 FFT波束形成器原理
波束形成技術(shù)是指將按一定幾何形狀排列的多元基陣的各陣元輸出,經(jīng)過(guò)處理形成空間指向性的方法,目的是使多陣元構(gòu)成的基陣經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)靥幚淼玫皆陬A(yù)定方向的指向性[2]。
本文采用等間隔直線陣FFT波束形成。一個(gè)N元等間隔直線陣陣元間隔為d,當(dāng)接收信號(hào)為單頻或窄帶信號(hào)時(shí),基陣第i號(hào)陣元的輸出信號(hào)可用復(fù)數(shù)表示為:
式(2)實(shí)際上是離散傅里葉變換的形式,因此計(jì)算一個(gè)等間隔直線陣各波束輸出值就等價(jià)于計(jì)算各陣元的輸出信號(hào)xi的離散傅里葉變換,可以利用這一特點(diǎn)對(duì)基陣輸出信號(hào)作快速波束形成處理。
2 FFT波束形成器的DSP Builder實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證
2.1 FFT波束形成器的DSP Builder實(shí)現(xiàn)
為了讓成像聲納達(dá)到較高的分辨率,需要對(duì)更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性處理。因此本設(shè)計(jì)要求在20 ?滋s內(nèi)得到512點(diǎn)FFT運(yùn)算結(jié)果,并且運(yùn)算結(jié)果誤差在1%以內(nèi)??紤]參數(shù)要求,F(xiàn)FT波束形成器設(shè)計(jì)包括如下三部分:數(shù)據(jù)預(yù)處理部分(加權(quán)、聚焦),512點(diǎn)基2 DIT-FFT算法部分及數(shù)據(jù)整理部分(ABS計(jì)算)??傮w框架如圖1所示。
2.1.1 流水線技術(shù)
為了提高數(shù)據(jù)處理能力,采用流水線設(shè)計(jì)方法提高系統(tǒng)的工作頻率。FFT 模塊9級(jí)運(yùn)算單元(State0~State8)并行運(yùn)行,這樣9級(jí)數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間僅為1級(jí)的運(yùn)算時(shí)間。圖2給出了9級(jí)處理單元(State0~State8)的DSP Builder實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
2.1.2 乒乓操作
為了不間斷處理數(shù)據(jù),本設(shè)計(jì)采用乒乓操作控制數(shù)據(jù)流。1 024點(diǎn)RAM劃分為PART A(addr:0~511)和PART B(addr:512~1023)兩部分。某一時(shí)刻T1,向A中寫(xiě)入數(shù)據(jù),從B中讀取數(shù)據(jù);下一時(shí)刻T2,向B中寫(xiě)入數(shù)據(jù),從A中讀取數(shù)據(jù),按照上述次序循環(huán)寫(xiě)入讀取數(shù)據(jù)。這樣,在完成一次512點(diǎn)數(shù)據(jù)FFT運(yùn)算后,不需要等待即可開(kāi)始下一次512點(diǎn)的運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)不間斷處理數(shù)據(jù)。
2.2 FFT波束形成器的DSP Builder驗(yàn)證
分析DSP Builder設(shè)計(jì)的FFT運(yùn)算模型與理論之間的誤差,使用Simulink中函數(shù)Repeating Sequence Stair作為激勵(lì)輸入,實(shí)部、虛部循環(huán)輸入數(shù)據(jù)[0:1:511]。激勵(lì)如圖3所示。用DSP Builder HIL(Hardware In Loop)模塊將設(shè)計(jì)包裹在一套接口中間,編譯然后下載至Stratix II FPGA EP2S90F780I4芯片進(jìn)行測(cè)試,得到512點(diǎn)FFT運(yùn)算結(jié)果,如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)全部運(yùn)算結(jié)果精度保持在1%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。
3 FFT波束形成器資源消耗與性能分析
設(shè)計(jì)采用Altera公司高性能Stratix II FPGA EP2S90F780I4作為硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。使用Altera綜合與布線工具Quartus II編譯設(shè)計(jì),邏輯資源使用12%,存儲(chǔ)資源使用17%,DSP資源使用56%。
在編譯報(bào)告時(shí)序分析結(jié)果中,查看關(guān)鍵路徑最低fmax為31.93 MHz ,也就是系統(tǒng)最高運(yùn)行速度可達(dá)到31.93 MHz。本設(shè)計(jì)采用30 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘,因此系統(tǒng)可在17.07 ?滋s內(nèi)得到512點(diǎn)FFT運(yùn)算結(jié)果,滿足本設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)波束形成20 μs以內(nèi)要求。
本文以成像聲納數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為背景,采用DSP Builder完成了FFT波束形成器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在Stratix II EP2S90F780I4 FPGA上測(cè)試設(shè)計(jì),30 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘,17.07 μs內(nèi)得到512點(diǎn)FFT運(yùn)算結(jié)果、誤差在1%以下,滿足設(shè)計(jì)要求。
與傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)方法(Matlab編寫(xiě)代碼設(shè)計(jì)算法,HDL實(shí)現(xiàn))相比,使用DSP Builder開(kāi)發(fā)成像聲納FFT波束形成器極大地提高了設(shè)計(jì)的效率,節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間,并且當(dāng)算法變動(dòng)時(shí),修改參數(shù)也更為方便、快捷。同時(shí)自主設(shè)計(jì)的FFT運(yùn)算模型代替了使用FFT IP核,節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊長(zhǎng)根.基于FPGA的成像算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009.
[2] 田坦,劉國(guó)枝,孫大軍.聲吶技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000.