專利名稱：圖像聲納中時(shí)延、相移波束形成的fpga實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及FPGA技術(shù)，圖像聲納技術(shù)，具體的說是一種應(yīng)用于圖像聲納中的時(shí)延、相移波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的波束形成的FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)實(shí)現(xiàn)方法，大多是基于DFT (離散傅里葉變換)波束形成方法。此類波束形成的不足在于此方法是基于遠(yuǎn)場平面波的，在近場條件下，聲波服從球面波傳播規(guī)律，若直接采用此類方法則方位分辨力變差。楊長根在碩士論文楊長根，基于FPGA的聲成像算法研究與實(shí)現(xiàn)，哈爾濱哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 (CNKI)，2009采用了一種近場聚焦波束形成方法，該方法在進(jìn)行波束形成時(shí)在某一方向進(jìn)行了一定的相位補(bǔ)償，該方法實(shí)現(xiàn)方便，運(yùn)算量不大，適合工程運(yùn)用，但其只能夠?qū)δ骋粋€(gè)波束方向進(jìn)行相位補(bǔ)償，不能對所以波束角進(jìn)行精確相位補(bǔ)償，所以當(dāng)扇面較寬時(shí)，方位分辨力變惡劣?；菥甑热?b>惠娟，胡丹，惠俊英，殷敬偉，聚焦波束形成聲圖測量原理研究，聲學(xué)學(xué)報(bào)，2007研究的聚焦波束形成適合近場，補(bǔ)償?shù)氖乔蛎娌ǖ臅r(shí)延差，但僅進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于圖像聲納的時(shí)延波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)?？梢栽谶h(yuǎn)場和近場條件下進(jìn)行高精度的時(shí)延波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，并且可以實(shí)時(shí)的獲得目標(biāo)的距離和方位信息。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)根據(jù)所要觀測的區(qū)域計(jì)算MXN點(diǎn)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)所代表的物理位置的坐標(biāo)，如果要求圖像大小為10 X 768，則M= IOM，N = 768 ；如果要求圖像大小為600 X 600， 則 M = 600，N = 600 ；(2)被掃描物理位置為MXN大小的圖像中像素點(diǎn)所表示的物理位置，根據(jù)步驟 (1)中得到的坐標(biāo)結(jié)果，計(jì)算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的聲程，進(jìn)而得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的時(shí)延量，同時(shí)計(jì)算出由于采樣率不能無限大而帶來的殘余時(shí)延因子；(3)根據(jù)步驟(2)中得到的時(shí)延量從RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)中取出該掃描位置在各個(gè)接收陣元中的回波數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)步驟(2)中得到的殘余時(shí)延因子，利用相位補(bǔ)償?shù)姆椒▽Σ襟E(3)中取得的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行殘余時(shí)間差的補(bǔ)償；(5)將步驟中計(jì)算得到的各個(gè)接收通道相位補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和運(yùn)算，得到MXN大小的圖像中像素點(diǎn)的強(qiáng)度值；(6)重復(fù)步驟O)、(3)、(4)、(5)得到MXN大小的圖像所有像素點(diǎn)的強(qiáng)度值，從而完成一幅圖像，若目標(biāo)處于某網(wǎng)格，則改點(diǎn)便出現(xiàn)一亮點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的聲程。該聲程由兩部分組成發(fā)射器到被掃描物理位置的聲程與接收陣元到被掃描物理位置的聲程。其中求距離的方法可以采用兩點(diǎn)間距離公式，也可以采用三角函數(shù)，但計(jì)算結(jié)果的精度要滿足要求。其中利用FPGA求距離的方法采用二進(jìn)制手工開方的算法， 此算法只利用加減法、移位來實(shí)現(xiàn)，不需要進(jìn)行乘除法運(yùn)算，并且可以得到高精度的計(jì)算結(jié)^ ο為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，得到高精度的時(shí)延，需要進(jìn)行殘余時(shí)延量的補(bǔ)償。其補(bǔ)償過程與坐標(biāo)平面旋轉(zhuǎn)過程相當(dāng)，采用CORDIC (Coordinate Rotational Digital Computer，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī))算法來實(shí)現(xiàn)。此算法將復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為簡單的加減法和移位操作， 然后逐漸逼近結(jié)果，適合利用FPGA實(shí)現(xiàn)，并且此方法可以很好的兼顧精度、速度和FPGA資源。所述的圖像是在進(jìn)行波束形成后形成一幅MXN大小的圖像，并進(jìn)行開角為90° 的扇形顯示；所述的時(shí)延是發(fā)射機(jī)到被掃描物理位置的聲波傳播時(shí)延與接收陣元到被掃描物理位置的聲波傳播時(shí)延的和，該被掃描物理位置為圖像像素點(diǎn)所表示的物理位置；所述的相移是利用相位補(bǔ)償?shù)姆绞絹硌a(bǔ)償由于采樣率不能無限大所帶來的時(shí)延殘差，進(jìn)而得到高精度的時(shí)延；所述的FPGA是對得到的數(shù)字信號進(jìn)行時(shí)延、相移波束形成算法。本發(fā)明的特點(diǎn)是利用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)延、相移波束形成。該方法可以在遠(yuǎn)場和近場條件下進(jìn)行高精度的時(shí)延，并且可以實(shí)時(shí)的獲得目標(biāo)的距離和方位信息。


圖1是本發(fā)明的時(shí)延、相移波束形成模型示意圖；圖2是本發(fā)明的波束形成的FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)例中，如圖1所示，時(shí)延、相移波束形成后得到得到一幅MXN大小的圖像，并進(jìn)行開角為90°的扇形顯示，其中M = 600，N = 600。如圖2所示，一種應(yīng)用于圖像聲納的時(shí)延、相移波束形成的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)流程示意圖，其進(jìn)行波束形成算法的方法如下圖像大小為MXN，量程為R，假設(shè)圖像中某像素點(diǎn)的索引值坐標(biāo)為(indeX_X， indeX_y)，則可以得到該像素點(diǎn)所表示的物理位置的坐標(biāo)為(xt，yt)，其中
2*Rx, -index χ*-F(1)
-M*V2
2*Ryt =indexy*---(2)
M*V2其中R表示所要觀測的最大距離，也即量程；indeX_X，index_y分別表示像素點(diǎn)的水平坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)，1 ( index_x ^ Μ, 1 ^ index_y ( N ； (xt，yt)表示屏幕像素點(diǎn)所對應(yīng)
4的物理坐標(biāo)，Xt, yt分別表示水平坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)，-R^ Xt ^ R,0 ^ yt ^ R；由于陣元的坐標(biāo)(ai，0)i = 1 · N為已知，則可以計(jì)算出發(fā)射機(jī)到被掃描物理位置的聲波傳播時(shí)延與第i個(gè)陣元到被掃描物理位置的聲波傳播時(shí)延的和τ ρ該物理位置為像素點(diǎn)所表示的物理位置。
權(quán)利要求
1.一種圖像聲納中的時(shí)延、相移波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，其特征是包括如下步驟(1)根據(jù)所要觀測的區(qū)域計(jì)算MXN點(diǎn)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)所代表的物理位置的坐標(biāo)；(2)被掃描物理位置為MXN大小的圖像中像素點(diǎn)所表示的物理位置，根據(jù)步驟(1)中得到的坐標(biāo)結(jié)果，計(jì)算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的聲程，進(jìn)而得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的時(shí)延量，同時(shí)計(jì)算出由于采樣率不能無限大而帶來的殘余時(shí)延因子；(3)根據(jù)步驟O)中得到的時(shí)延量從RAM中取出該掃描位置在各個(gè)接收陣元中的回波數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)步驟(2)中得到的殘余時(shí)延因子，利用相位補(bǔ)償?shù)姆椒▽Σ襟E(3)中取得的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行殘余時(shí)間差的補(bǔ)償；(5)將步驟中計(jì)算得到的各個(gè)接收通道相位補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和運(yùn)算，得到MXN大小的圖像中像素點(diǎn)的強(qiáng)度值；(6)重復(fù)步驟O)、(3)、(4)、(5)得到MXN大小的圖像所有像素點(diǎn)的強(qiáng)度值，從而完成一幅圖像，若目標(biāo)處于某網(wǎng)格，則改點(diǎn)便出現(xiàn)一亮點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像聲納的時(shí)延、相移波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，其特征是所述的進(jìn)行殘余時(shí)間差的補(bǔ)償?shù)腇PGA實(shí)現(xiàn)方法為采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圖像聲納中的時(shí)延、相移波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，其特征是所述計(jì)算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的聲程的FPGA實(shí)現(xiàn)方法為采用兩點(diǎn)間距離公式，其中在利用兩點(diǎn)間距離公式進(jìn)行開方時(shí)，F(xiàn)PGA采用二進(jìn)制手工開方的算法。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種圖像聲納的時(shí)延、相移波束形成的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。計(jì)算一幅M×N大小的圖像中每個(gè)像素點(diǎn)所代表的物理位置的坐標(biāo)；計(jì)算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的聲程，進(jìn)而得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個(gè)陣元的時(shí)延量，同時(shí)計(jì)算出由于采樣率不能無限大而帶來的殘余時(shí)延因子；利用相位補(bǔ)償?shù)姆椒▽Ω鱾€(gè)接收單元中的回波信號進(jìn)行殘余時(shí)間差的補(bǔ)償；將各個(gè)接收通道進(jìn)行時(shí)延和相位補(bǔ)償后的信號進(jìn)行加權(quán)求和運(yùn)算；得到M×N大小的圖像所有像素點(diǎn)的強(qiáng)度值。該方法可以在遠(yuǎn)場和近場條件下進(jìn)行高精度的時(shí)延，并且可以實(shí)時(shí)的獲得目標(biāo)的距離和方位信息。
文檔編號G01S7/539GK102508230SQ20111032018
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者劉鑫, 孫大軍, 張友文, 張殿倫, 曹忠義, 李想, 滕婷婷, 田原 申請人:哈爾濱工程大學(xué)