圓陣聲納自適應(yīng)波束形成原理及FPGA實現(xiàn)的中期報告

圓陣聲納自適應(yīng)波束形成原理及FPGA實現(xiàn)的中期報告前言圓陣聲納自適應(yīng)波束形成是一項重要的研究方向，可以應(yīng)用于船舶、潛艇等水下聲波通訊與探測系統(tǒng)中。本文介紹了圓陣聲納自適應(yīng)波束形成的原理，并探討了其在FPGA平臺上的實現(xiàn)。一、圓陣聲納的構(gòu)造圓陣聲納由若干個相互等距的傳感器構(gòu)成，傳感器通常安裝在圓盤上，如圖1所示。圖1圓陣聲納圓盤中心為聲源，圓陣中每個傳感器的輸出是信號在傳感器位置接收到的聲波信號。對于一個N陣圓陣，若每個傳感器之間的距離為d，則陣元之間的夾角為：θ=360°/N或者θ=2π/N其中d和θ為常數(shù)。二、波束形成的基本概念波束形成是指將傳感器中接收到的信號進行加權(quán)和求和，從而在一個特定方向上增強信號，抑制噪聲。波束形成可以利用各個傳感器的輸出進行計算。對于圓陣中的單個陣元，其接收到的信號可以表示為：s(n)=a(n)exp{-j2πfτ(n)}其中:a(n)是特定方向上的信號幅度，f是信號頻率，τ(n)是特定方向上的到達時延。當(dāng)多個陣元一起工作時，可以將陣元的輸出進行加權(quán)和求和，從而得到波束的輸出。設(shè)每個陣元的加權(quán)系數(shù)為wi，則波束輸出為：y(n)=∑_{i=1}^Nw_is_i(n)其中N為陣列中陣元的數(shù)量，s(n)為第n時刻時陣列中每個陣元的輸出。為了使波束輸出能夠最大化的集中在目標(biāo)方向，需要設(shè)計合適的加權(quán)系數(shù)。三、自適應(yīng)波束形成的基本理論自適應(yīng)波束形成技術(shù)是一種基于反饋控制的技術(shù)，通過自適應(yīng)的調(diào)整加權(quán)系數(shù)，將波束輸出最大化地集中在目標(biāo)方向上，抑制其他方向的噪聲。其基本思想是通過控制系統(tǒng)反饋引入的誤差信號來調(diào)整加權(quán)系數(shù)，通過反復(fù)的迭代，逐漸優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)。通常自適應(yīng)波束形成技術(shù)包括兩種主要類型:基于最小均方誤差（LMS）算法的自適應(yīng)波束形成技術(shù)和基于逆協(xié)方差矩陣（IAC）的自適應(yīng)波束形成技術(shù)?；贚MS的自適應(yīng)波束形成技術(shù)是通過最小化誤差信號與參考信號之間的均方值來調(diào)整加權(quán)系數(shù)。這種技術(shù)通常具有簡單的實現(xiàn)和良好的收斂性能，但其對于陣列中噪聲的抑制效果較差。基于IAC的自適應(yīng)波束形成技術(shù)則是通過最大化目標(biāo)方向上的信號功率與非目標(biāo)方向上的噪聲功率的比值來調(diào)整加權(quán)系數(shù)。這種技術(shù)通常具有較好的噪聲抑制能力，但是實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。四、FPGA實現(xiàn)在FPGA上實現(xiàn)自適應(yīng)波束形成，需要考慮以下幾個方面:1.陣列輸入數(shù)據(jù)的處理陣列中每個陣元的輸出需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并以一定的速率傳輸給FPGA。在FPGA中，需要對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲和處理，以便進行自適應(yīng)的加權(quán)系數(shù)計算。2.自適應(yīng)算法的實現(xiàn)自適應(yīng)算法可以通過軟件編程的方式實現(xiàn)在FPGA上，也可以使用硬件實現(xiàn)的方式。可通過一些高級語言編寫自適應(yīng)算法，并將其轉(zhuǎn)換為硬件描述語言（HDL）來進行實現(xiàn)。3.FPGA資源的優(yōu)化由于自適應(yīng)波束形成需要對來自多個陣列的信號進行加權(quán)處理，每個陣列的信號都需要進行存儲和計算，需要大量的FPGA資源。因此，在實現(xiàn)時需要進行資源的優(yōu)化，如采用并行計算的方式。4.數(shù)據(jù)輸出的處理處理完加權(quán)系數(shù)后，需要將輸出結(jié)果存儲并傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號處理系統(tǒng)中。FPGA中可以集成高速通信接口模塊，方便的進行數(shù)據(jù)輸出。五、總結(jié)本文介紹了圓陣聲納以及自適應(yīng)波束形成技術(shù)的基本原理，并探討了在FPGA平臺上實現(xiàn)自適應(yīng)波束形成的