详解如何利用FPGA实现宽带多普勒测速声纳数字系统

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。
关键词： FPGA；宽带信号；多普勒测速；声纳

　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。
1 多普勒测速声纳原理
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、α、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。
2 数字系统设计与实现
2.1 系统总体设计框架
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。

2.2 采样控制模块
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。
2.3 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。
2.4 波束形成模块
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π相位”，希尔伯特（Hilbert）变换实现“移相π/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进行功能仿真，得到波束1和波束2两路输出，如图3所示。波束1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。

2.5 相关运算模块
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进行功能仿真如图5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。