（水声工程专业论文）图像声纳的相控发射机设计.pdf

哈尔滨丁稗人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hc o m m o n s o n a rs y s t e m ，m o r ed e t a i l sf r o ms h a p eo u t l i n e so f u n d e r w a t e rt a r g e t sa r eo b t a i n a b l ef o ri m a g i n gs o n a rw i t hh i g h e rr e s o l u t i o nr a t e w i h l ew o r k i n g ，h i g hq u a l i t yi m a g ei sg i v e nb yi t ，w h i c hc a nb eu s e di nt a r g e t t r a c k i n ga n di d e n t i f y i n g t h e r e f o r e ，i m a g i n gs o n a ri sw i l d l yu s e di nb o t ho c e a n e x p l o i t a t i o na n dd a ms e c u r i t yd e t e c t i o n ap h a s e - c o n t r o l l i n gt r a n s m i t t e ri sd e s i g n e da n dw o r k e do u tu p o nt h er e q u e s t o fi m a g i n gs o n a rs y s t e mw h i c hi n c l u d e sg e n e r a t o ro fp h a s e c o n t r o l l i n gs i g n a l sa s w e l la st r a n s m i t t e rc i r c u i t t h ec i r c u i tu s e di ng e n e r a t i n gp h a s e c o n t r o l l i n gs i g n a l sb a s e do nf p g a a c c o r d i n gt ob e a mf o r m i n gt e c hi sd e s i g n e dw h i c hp r o v i d e st r a n s m i t t e rb e a m s i g n a l sf o rm u l t i - c h a n n e l sc i r c u i t si nt h er a n g eo f 10 。d e g r e e t oi m p r o v et h e t r a n s m i t t i n ge f f i c i e n c y , dt y p ep u s h - p u l lp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i ti sa d o p t e di nt h e t r a n s m i t t e rw h i c hc a np r o v i d e s10 wp o w e r a n dm i n i - d i m e n t i o nq f pp o w e r m o s f e ti su s e di nt h ed e s i g n i n gt or e d u c et h ed i m e n t i o no ft h ec i r c u i ts y s t e m w i t ht h et e s tr e s u l t sp r o v e n b o t ht h ep r o d u c i n gc i r c u i tf o rp h a s e - c o n t r o l l i n g s i g n a l sa n dt r a n s m i t t i n gc i r c u i th a v er e a c h e dt h eo r i g i n a l i n d e xt h a tp r o v e dt h e w i s ed e s i g n i n gi nt h eb e g i n n i n g k e yw o r d s ：i m a g i n gs o n a r ；t r a n s i m i t t e r ；b e a mf o r m i n g ；f p g a ；p o w e rm o s f e t ， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 巯、芨玉 日期：多年7 月肜日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 葫、良玉 导师( 签字) ： 芦劲 日期： o 夕年弓月侈日少爷砖饵c 乡旧 。 l 一 哈尔滨i i 稗人学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 二十一世纪是海洋的世纪。近年来，陆地上的可利用资源已经开发的所 剩无几了，为了人类的可持续发展，人类必须寻求新的资源。海洋，是一个 富饶而远未被开发的宝库，它蕴藏着丰富的已知矿产资源和大量的石油、天 然气等能源。由于海洋环境的复杂性和多变性，使得人类对海洋的认识尚存 在许多空白，不能对它进行有效的勘探和开发，海洋环境的特殊性决定了人 类需要专门的探测设备。随着海洋开发的日益深入，用于水下勘探的相关技 术越来越受到人们的重视。水下声成像技术作为水下探测的一个重要分支， 在水下探测领域中的很多场合发挥着不可替代的作用，其重要性也日益提高。 我国是一个具有辽阔海域的国家，海岸线长达1 8 万公里，居世界第四。 在广阔的海洋中拥有丰富的海洋资源。沉积油气资源的盆地面积约7 0 万平方 公罩，石油资源量估计为2 4 0 亿吨左右，天然气资源量估计为1 4 万亿立方米， 还有大量的天然气水合物资源。另外，还有大量的矿产资源。在实际的开发 过程中，需要对海底矿产区域的地形、地貌做详细的勘察和测绘。我国存在 着大量的湖泊和水库，在水利和交通系统中，堤坝和桥墩一旦出现安全隐患， 就将是一件非常危险的事。因此，对堤坝和桥墩情况的及时而且详细的探测 非常重要，可以及时的进行维修和加固处理，减少险情的发生。 海洋不仅是一个富饶的宝库，还是兵戎相见的战场。目前海洋的战略地 位已经成为决定各国政治、军事、经济、外交的重要因素，围绕维护海洋权 益和反对霸权的斗争也空前激烈，这势必影响未来的世界格局。在战场上， 对海底情况的了解程度往往会对瞬息力变的战争起到决定作用，而且对于失 事的船只或飞行器的救捞，光学设备存在很大的困难。所以，就有必要研究 和设计利用声波的成像系统一图像声纳。 综上所述，因海战、海洋开发和堤坝安全探测的需求使得利用水声技术 的图像声纳技术越来越受到人们重视，尤其是在比较混浊的水域，此时水下 视频摄像根本无法看清几米之外的目标，这更加需要借助于高分辨率的图像 声纳系统。因此，研究高分辨率的图像声纳技术非常有意义。 1 哈尔滨+ i ：程人学硕十学何论文 1 2 图像声纳的发展现状 随着科学技术的进步，图像声纳的发展很快，已经出现了接近光学质量 的声全息成像实验系统、声速镜成像系统等。比较常见的图像成像主要有侧 扫声纳、多波束声纳、合成孔径声纳、干涉合成孔径声纳、扇形扫描声纳b 1 。 侧扫声纳，也叫旁视声纳，是海洋探测的重要工具之一，在探测海底障 碍物方面拥有独特的优势。6 0 年代，英国海洋研究所推出第一个实用型侧扫 声纳以来，之后，世界各国相继开发出各种类型的成熟产品，各种侧扫声纳 图像分析软件包也不断问世，随着电子技术的迅猛发展，一些性能更加优良 的侧扫声纳不断出现。目前，侧扫声纳的研究主要包括两个方面：数据处理 软件的开发和相干声纳的研究。前者进展较慢，后者发展较快。英国在9 0 年代推出一种对海底地貌高密度、高精度测量的相干声纳系统。它是一种利 用多基元换能器接收回波的振幅、时间和相位差来对海底各点准确定位，并 快速采集和处理大量数据的系统。相干声纳集水深探测技术和成像技术于一 体，不仅可以测量水深，还同时可以给出海底三维立体图、等深图和侧扫声 图。 多波束声纳主要用于测深，但也可以成像，是7 0 年代出现的，是在回声 测深仪基础上发展起来的，它能精确地、快速地测出沿航线一定宽度内水下 目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形地貌。尽管经过 了短短三十年的发展，但多波束测深技术研究和应用水平已经达到了较高的 水平，特别是近十年内，随着电子、计算机、新材料和新工艺的广泛使用， 多波束声纳测深技术已经取得了突破性的进展p 1 。主要表现为：( 1 ) 全海深测 量技术的发展。( 2 ) 高精度测量技术的发展。( 3 ) 集成化与模块化技术的发展。 ( 4 ) 高分辨率测量技术的发展。 合成孔径声纳是一种新型高分辨率水下成像声纳，其原理是利用d , - t l 径 基阵的移动来获得移动方向上大的合成孔径，从而得到方位方向上的高分辨 率。相对于侧扫声纳，它的方位向和距离向的分辨率处于同一等级。获得这 种高分辨率的代价是复杂的成像算法和对声纳基阵平台运动的严格要求。目 前国际上只有少数国家和地区研制出了合成孔径声纳原型机并进行了海上试 验。我国于1 9 9 7 年7 月正式将合成孔径声纳列入了国家“8 6 3 ”计划项目。 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 干涉合成孔径声纳是通过分别安装在平台上的相隔已知短距离的两个接 收器接收的相位图像，进行干涉，产生相位差，通过干涉图计算出目标的高 程，生成高精度的水下三维图像。目前国外干涉成功的n i s a s 有k i w is a s ， d a r p as a s 和d e r as a s 等4 1 。 扇扫声纳也叫前视声纳，它的研究开展的比较晚，但是发展很快，现已 广泛应用于探雷、定位、避障等水下作业中。目前用在水下机器人上的前视 声纳主要分单波束机械扫描声纳、多波束预成电子扫描声纳和三维成像声纳 三大类。它能够获得距离、水平、垂直三维空间的目标信息，世界上只有少 数国家开展了这方面的研究工作。 当前图像声纳的实现主要有三个方法：第一个是以二维基阵为基础，实 时获得目标的空间三维图像；第二个是以一维线阵为基础，获得目标的二维 图像，可以通过空间拟合的方法获得三维立体图像；第三种是以声透镜技术 为基础，获得目标的实时动态视频图像p 1 。 1 3图像声纳的设计原理与结构 图像声纳比普通声呐具有更高的分辨率，可以提供水下目标外形轮廓的 更多细节描述，而不是把水下目标看成一个点目标。成像时，能够提供高质 量的图像，可以对目标进行进一步的跟踪和识别。为了使图像声纳具有更高 的分辨率，单一换能器已无法满足需求，而要用换能器阵来实现。发射系统 是图像声纳的重要组成部分，由于负载是换能器阵结构，这就需要用到波束 形成技术，即要用到相控发射系统。现有系统的硬件规模较大，不适合在水 下小平台载体上搭载使用，为了获得系统的实时性检测，系统硬件的小型化 设计非常重要峥1 。 本设计中采用了第二种图像声纳的实现方法，即以一维线阵为基础，利 用波速形成技术，获得目标的二维图像。 1 3 1图像声纳基阵设计简介 在声纳系统中，声纳基阵的设计包括两个方面：发射基阵的设计和接收 基阵的设计。发射基阵是用以发射模式进行工作的多个换能器基元装配成的， 可以增加发射声脉冲的声源级，同时使得发射基阵具有指向性，能够使发射 3 哈尔滨下稗人学硕十学位论文 的声能集中在指定的方向上。接收基阵是用以接收模式工作的多个换能器基 元装配成的，可以改善基阵在所期望的方向上的响应，从而提高信噪比同。 在给定阵列结构之后，计算基阵响应函数峰值的3 d b 开角，可以得到主 波束的开角为： 口= 2 a r c s i n ( 0 4 南) c o s p ：兰 d ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) 其中，五为声波波长，d 为等间隔阵元间距，n 为阵元个数，p 为极大值 出现的角度，除了主极大值在0 0 方向上，其余极大值都表现为栅瓣。分析式 ( 1 1 ) 可知，频率增大意味着波长减少，使波束开角减小，主波束变窄；反之 波束开角增大，波束变宽。 在图像声纳系统的设计中，为了获得高分辨率，主波束开角要很小。由 ( 1 1 ) 可知，要减小主波束开角，可以通过增大频率f ，增加基阵个数n 和增 加基阵阵元之间的间距d 三种方法来实现。在保持n 不变的前提下，可以只 增加f 或d 来减小主波束开角，但由式( 1 2 ) 可知，栅瓣开角会减小，而为了 不影响目标的探测识别，栅瓣必须控制在系统所要求的探测角度之外，这就 使得f 和d 不能任意增大。同时，d 的增大会使得基阵的体积变大，从而不 能够满足图像声纳系统设计的小型化要求；也可以通过增大n 来实现，但是 这同样也会使得基阵体积变大。而且f 和n 的增大，增加了系统后置处理电 路的速度和功耗需求以及数字信号处理的运算量。 所以在具体的基阵设计中，需要结合系统的技术指标和系统总体要求， 在频率f 、基阵个数n 和阵元间距d 三个参数之间进行详细分析和选择，他 们之间是相互影响和制约的。在确定了f ，n 和d 之后，基阵的阵列结构也随 之确定了隅”9 1 。 1 3 2 波束形成技术 波束形成技术是阵列信号处理理论的重要研究方向，随着现代阵列信号 处理技术的发展，波束形成技术已经成为声纳信号处理的一个重要组成部分， 形成了完整的基阵处理理论和方法。而且，无论是主动声纳系统还是被动声 纳系统都有波束形成系统。使用它不仅能够获得空间增益，从而提高信噪比， 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 而且还可以得到高精度的目标方位和距离分辨率。所以说，波束形成技术是 现代声纳信号处理的重要研究方向，是声纳具有良好目标跟踪、探测和识别 的基础”。 图像声纳要想从接收到的数据中得到有用的信息，需要采用波束形成技 术。声纳波束形成的目的，是使多阵元构成的基阵经适当处理后发射或接收 的声信号在预定方向上获得指向性。对于一个发射系统，具有指向性意味着 发射能量可以集中在某一方向，这样可以用较小的发射功率探测更远距离的 目标。若接收系统具有指向性，则可使系统定向接收，从而可以抑制其它方 向上的信号和干扰。此外，利用接收系统的指向性可以准确对目标进行定位。 如果接收系统形成多个波束，则可以分辨多个目标。波束形成实际上是接收 基阵在空间上抗噪声和混响场的一种滤波处理过程，完成波束形成要进行一 系列运算，包括对空间各阵元收到的信号进行加权、延迟及相加求和，相加 后输出的信号送到信号处理器作进一步的时域和频域处理，因而波束形成器 可以视为一空间滤波器，并且可以采用模拟或数字方法形成波束1 。 模拟波束形成器是以线性方式工作，没有非线性效应引起的性能降低， 然而如果要在多通道成像声纳中用模拟波束形成器的话，由于通道数很多及 需形成多波束，波束形成器会变得十分庞大笨重，并且功耗也非常大。数字 波束形成器是利用专用的数字信号处理器对模数转换后的信号进行处理形成 多波束，和模拟波束形成器相比优点主要有：1 硬件系统结构灵活。2 软件系 统算法可编程。应用数字波束形成技术设计的现代成像声纳系统不仅能够获 得高质量的声学图像，而且利用其固有的数字信号处理硬件系统能够实现更 多的功能扩展，如高质量的多普勒谱分析、功率多普勒测量和相位异常校正 等等。同时使得系统的功耗大大降低，硬件规模进一步减小及系统实时动态 升级更新“。 1 3 3 二维声成像技术 图像声纳要想获得二维图像，要用从水中目标接收到的二维声信息构建， 可以采用两种方式：一种是用单波束线阵进行机械扫描，通过得到的各个二 维点图拟合成二维图，一种是用电子预成多波束阵进行扫描，一次扫描采集 得到空间二维图。一维线阵方式的优点是电路结构简单，但成像速度慢，如 s 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 果在机械扫描过程中定位精度不高，则拟合成的二维图像是有偏差的，从而 就不能得到正确、有效的声信息为军用智能机器人的智能化行为提供可靠的 依据。与机械扫描技术相比，多波束线阵方式电路结构与前者相比复杂多了， 而且系统功耗、体积也比较大，但是其成像速度快，由于采用数字电子扫描 技术，其成像精度很高，得到的二维图是准确的，一从而有利于机器人从中 提取出有效的信息。随着现代电子技术和数字信号处理技术的发展，电路结 构可以简化，因而其功耗、体积是可以随着技术进步而能够缩减的。综上所 述，二维成像声纳的成像方式是：利用一维线阵获取二维声信息，通过预成 多波束，进行二维成像“。 1 3 4 图像声纳发射机的结构 图像声纳系统主要包括硬件系统结构和软件成像算法两个部分。硬件系 统结构主要完成声纳探测信号的发射及多通道数据采集和并行处理任务，并 且通过光纤口与水上显控系统进行交互操作，如命令的发送、参数装载及成 像数据的上传等等。软件成像算法根据角分辨率和距离分辨率的技术指标要 求，执行数字多波束形成并行运算，获得实时输出的高分辨率二维生图像。 通过软、硬件两个部分有机协调的运行，实现系统设计所要求的功能，并且 稳定、可靠。 图像声纳的硬件系统由接收基阵，发射基阵，声纳信号并行处理系统， 3 2 路相控发射机，命令数据传输系统，电源供给系统等六部分构成，结构如 图1 1 。电源供给系统负责转换一4 8 v 的直流电，给系统提供+ 5 v 的模拟电， + 3 3 v 和+ 1 5 v 的数字电；命令数据传输系统通过串口和串行数据口与显控 系统进行数据通信，解码控制命令从而进行相应的操作，接收配置参数并装 载给并行处理系统，同时把成像数据并一串转换和光电转换以光纤为媒介进 行高速传输，从而满足大数据量实时传输要求。大功率发射机根据设定的功 率级、脉宽和发射频率发射声探测脉冲信号；声纳信号并行处理系统接收3 2 通道的声信号然后执行高速并行处理。 6 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 图1 1 图像声纳系统结构图 本文主要内容是对图像声纳系统中3 2 路相控发射机的设计与实现，根据 系统的研究要求，其主要技术指标有： ( 1 ) 阵元数：n = 3 2 ( 一维线阵) ( 2 ) 系统工作频率：f = - 3 7 5 k h z ( 3 ) 阵元间距：d = 2 5 m m ( 4 ) 发射总功率：p = 3 2 0 w ( 5 ) 信号形式：，脉冲宽度为1 m s 的c w 脉冲 ( 6 ) 信号周期：1 s ( 7 ) 发射波束扫描角度：1 0 。 ( 8 ) 角度分辨率为2 0 从1 3 2 节中了解到，图像声纳的发射系统也需要用波束形成技术来设计， 这样可以把发射能量集中在某一方向发射，能用较小的发射功率探测更远距 离的目标。综合比较模拟波束形成和数字波束形成技术的优缺点，决定图像 声纳系统采用数字波束形成技术来设计。 该图像发射机中采用数字波束形成技术，用f p g a 电路作波束形成器， 为发射电路提供输入信号。所以可以把图像声纳相控发射机发射机分为相控 信号产生电路和发射电路两部分。结构如图1 2 。 相控信号产生电路的功能是产生一定行式的波形信号，发射电路的功能 7 哈尔滨门犟人学硕+ 学何论文 是将输入信号进行功率放大，并通过换能器阵发射出去。 相控信换能 号产生 入 3 2 路发 八 器线 电路 v射电路v 阵 图1 2 图像声纳相控发射机结构 下面第二章和第三章对相控信号的产成电路和发射电路的设计过程分别 进行描述。 1 4 论文的主要工作 论文依据图像声纳系统的研究要求，设计完成的一个图像声纳相控发射 机。其主要工作包括： 根据波束形成原理，采用f p g a 设计相控信号产生电路。包括f p g a 的 选取和周边电路的设计以及相控信号程序的设计和仿真验证。 根据系统设计指标要求，设计图像声纳相控发射电路，包括驱动电路、 功放电路、保护电路和匹配电路的设计与参数计算。 对相控信号产生电路和发射电路进行实验与调试，并对调试结果进行分 析，验证电路设计是否合理。 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 第2 章相控信号的产生 2 1 引言 本文采用多波束形成的办法实现发射信号的偏转，使用f p g a 产生相控 信号，主要工作包括基于f p g a 的硬件电路设计和软件程序的编写，本章主 要论述这方面的内容。 2 2 相控波束形成原理 随着电子技术与计算机技术的发展，多波束形成、相控偏转等技术被越 来越多地应用到声纳探测中。相控阵可以利用简单的数字电路来实现基阵发 射角度的偏转，这方便了系统的实现1 6 1 。 为了简化，假设有一个由n 个电声性能完全一致的无方向性阵元组成的 等间隔线阵，阵元间距为d ，如图2 1 所示。 为： 一“ j 1j彳l| 图2 1 相控偏转的示意图 1 由n 个无方向性阵元组成的等间隔线阵的指向性 当工作频率为f 时，其指向性眈( 秒) 为： d l ( 护) = s i n ( n 万娶s i n ( 秒) ) 儿 n s i n ( 万_ ds i n ( 秒) ) 以 ( 2 1 ) 其中：波长五= ，c 为声波在水中的传播速度g 其- 3 d b 开角的表达式 o _ 3 d b = 2 删n ( 等) ( 2 - 2 ) 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 当m 兄时，则 j 钆棚= 5 0 4 2 古7 ( 2 3 ) v “ 上式所表示的3 d b 开角的单位为度。 若要保证当目在一9 0 0 + 9 0 。范围内指向性不出现副极大，则应满足： d 五；若要保证任何旁瓣的高度不超过第一个旁瓣的高度( 约为1 4 d b ) ，则 应满足：d ( 一1 ) 2 n ；若要保证旁瓣一个比一个低，则应满足：d 2 2 。 2 由n 个无方向性阵元组成的等间隔线阵声轴电偏转后的指向性 当工作频率为f ，声轴偏转角为良时，其指向性为： n ( p ，纯) = s i n 【万_ d ( s i n 目一s i n 皖) 九 n s i n 防要( s i n 9 一s i n 岛) 】 以 ( 2 - 4 ) 冥一3 d b 开角的表达式为 峨掳= 删n ( s i n 吼+ 等) 一删n ( s i n 吃一等) ( 2 - s ) 显见，当声轴偏离法向时，3 d b 开角就会变宽。例如，当n d = 2 0 2 时， 若吃= o ，则一3 d b 开角为2 5 2 1 。；若p e = 3 0 。，则一3 d b 开角为2 9 1 2 。；若 口e = 4 5 。，则- 3 d b 开角为3 5 6 8 。为了避免声轴偏转时波束展得很宽，声轴 的偏转角岛最好限制在+ 4 5 。的范围内。 若要保证当汐在9 0 。范围内指向性不出现副极大，则应满足： 以高( 2 - 6 ) 若要保证任何旁瓣的高度不超过第一个旁瓣的高度，则应满足： d 而( n 面- 1 ) 而2 ( 2 - 7 ) 若要保证旁瓣一个比一个低，则应满足 以丽乖而( 2 - 8 ) 3 发射波束的形成方法 l o 哈尔滨t 程大学硕十学仲论文 如果要形成偏离法线方向护( 波束在法线左侧时护为负，在法线右侧时目 为正) 角方向的发射波束，则第i + 1 个阵元与第i 个阵元发射的时间差为： f = d s i n o c 。当r 为j 下时，第i + 1 个阵元比第i 个阵元延迟发射；当r 为负 时，第i + 1 个阵元比第i 个阵元超前发射。 实际应用中，通过对一个线阵的各个阵元加以不同的延迟，使发射波束 在臼角方向同相叠加，即可达到发射过程中相控偏转的效果。 但是仅仅有相控发射偏转还是不够的。在实际应用中，不仅要求作用距 离要尽可能地远，还要求扫描一个扇面的时间尽可能地少。举例来说：如果 总体指标要求作用距离为5 0 0 m ，其角度分辨率为1 0 ，对4 5 0 扇面进行监视， 则发射的重复周期为：5 0 0 3 2 2 1 5 0 0 = 1 s ，即每隔一秒发射一次、扫描一个 角度。那么扫描完4 5 0 的时间为9 1 s ，显然无法满足实时的需求。 声纳的发射波束是采用旋转单波束方式，就是在声纳的观察扇面中用一 个波束开角很窄的发射波束，从观察扇面的左极限先发射一个发射脉冲，然 后旋转一个角度再发射一个脉冲，直至观察扇面的右极限，如图2 2 所示。 7 ! ：1 1 1 翻l l ll | 1 l | 1 翻01 0 l l 羽1一l l l l 哦i 一4 50 4 “4 3 “ + 4 5 ” 图2 2 第i 个通道的发射波形示意图 扫描整个扇面需要一定的时间，在这个时间内基阵的阵元上均有发射信 号，因此在这个时间所对应的探测距离内就构成了声纳的盲区。正因为采用 了较窄的波束进行旋转发射，因此在发射功率恒定的条件下，由发射波束的 聚集系数可以得到较高的指向性。另外发射波束的副瓣级较低，因此收发联 合波束的副瓣级就更低。 对一个n 阵元的等间隔线阵，若阵元的间距为d ，第k 个角度的发射波 束在基阵法线左皖方向，第i 个阵元的发射波形应较第n 个阵元的发射波形 落后： ，：( 一f ) 塑咝 ( 2 9 ) 哈尔滨。i ：稃人学硕+ 学位论文 由于因果律的约束无法提供负的延迟( 即超前) ，因此当第k 个角度的发 射波束在基阵法线右鼠( 皖0 ) 方向，第i 个阵元的发射波形应较第1 个阵元 的发射波形落后： l ，：( f 一1 ) d s i n o , ( 2 1 0 ) “ c 本设计中，主要采用f p g a 作为核心处理芯片，采用以上所述的波束形 成方法，通过软硬件集成与实现，达到相控偏转的目的。 2 3f p g a 的设计流程 在e d a 工具出现之前，人们采用传统的硬件电路设计方法来设计系统。 传统的硬件电路采用自下而上的设计方法。其主要步骤是： 1 根据系统对硬件要求，详细编制计划规格书，并画出系统控制流图； 2 然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统功能进行分化，合理划 分功能模块，并进行个功能模块的细化和电路设计； 3 各功能模块电路设计调试完毕以后，将各个功能模块的硬件电路连接 起来，再进行系统的调试；最后完成整个系统的硬件电路设计。 从上述过程可以看到系统的硬件设计是从选择具体逻辑器件开始的，并 用这些器件完成逻辑电路设计，完成系统各功能模块设计，然后再将各功能 模块连接到一起，完成整个系统设计。上述设计从最底层开始，到最高层设 计结束，故将这种设计方法称为自下而上的设计方法。这种方法沿用了几十 年，随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，一种崭新的自上而下的 设计方法己经兴起，它为硬件电路设计带来一次重大变革。它的优点是既提 高开发效率和增加已有开发成果的可继承性，又缩短开发时间。 f p g a 设计采用的就是这种自上而下、由粗到细、逐步求精的方法。设 计最顶层是指系统的整体要求，最下层是指具体的逻辑电路实现。自上而下 是将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大则进 一步分解为更小的子系统和模块，层层分解，直至整个系统中各子模块关系 合理，便于设计实现为止。一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电路设计 与输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、布局与布线、时序仿真与验证、 下载与调试等7 个步骤，如图2 3 所示u ”。 1 2 哈尔滨t 稗人学硕+ 学位论文 1 电路设计与输入： 输入方法包括硬件描述语言h d l 、状态图与原理图输入三种方式。h d l 语言比较常用的有v e r i l o gh d l 和v h d l 语言，在描述状态机、控制逻辑、 总线功能方面较强，使其描述的电路能在特定综合器作用下以具体硬件单元 较好地实现；而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等 方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。本设计以v e r i l o gh d l 输 入为主，原理图输入为辅。 图2 3 完整的f p g a 设计流程 1 3 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 2 功能仿真： 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路 功能是否符合设计的要求。通过仿真能及时发现设计中的错误，加快设计进 度，提高设计可靠性。功能仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的 硬件特性； 3 综合优化： 综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，例如速 度、功耗、成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，将h d l 语言等设 计输入翻译成由与、或、非门、r a m 、寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连 接( 网表) ，并根据目标与要求( 约束条件) 优化，获得一个能满足上述要求的电 路设计方案。对于综合来说，满足要求的方案可能有多个，综合器将产生一 个最优的或接近最优的结果。因此，综合的过程也就是设计目标的优化过程。 本文在设计中使用q u a r t o si i 集成的仿真工具加进行综合后仿真验证； 4 综合后仿真： 综合完成后需要做综合后仿真，以检查综合结果是否与原设计一致。在 仿真时，把综合生成的延时文件反标到综合仿真模型中去，可估计门延时带 来的影响，综合后仿真虽然比功能仿真精确一些，但只能估计门延时，而不 能估计线延时，仿真结果与布线后的实际情况还是有一定的差距，并不十分 精确。这种仿真的目的在于检查综合器的综合结果是否与设计输入一致； 5 布局与布线： 综合完成之后，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具 体的f p g a 器件上，即布局与布线。布局是指从映射取出定义的逻辑和输入 输出块，并把它们分配到f p g a 内部的物理位置，布线是指利用自动布线软 件使用布线资源选择路径试着完成所有的逻辑连接； 6 时序仿真与验证： 布局布线之后需要做布局布线后仿真，将布局布线的时延文件反标到设 计中，使仿真既包含门延时信息，又包含线延时信息。与前面各种仿真如功 能仿真、综合后仿真相比，布局布线后仿真包含的延时信息最为全面、准确， 能较好的反映芯片的实际工作情况，可以有效的分析设计中的竞争和冒险； 7 下载与调试： 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 下载配置是指在时序仿真正确的前提下，将形成的配置文件下载到具体 的f p g a 中。可以直接由计算机经专用下载电缆配置或者由外围配置芯片进 行上电自动配置。 整个f p g a 设计一般就是按照上述的流程进行丌发，任何仿真或验证步 骤出现问题，就需要根据错误定位返回到相应的步骤进行更改或者重新设计。 2 4f p g a 的结构 f p g a 通常由可编程输入输出单元，基本可编程逻辑单元，嵌入式块 r a m ，丰富的布线资源，底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核六部分组成。如 图2 4 所利埽1 。 每个单元的基本功能如下： ( 1 ) 可编程输入输出单元 输入输出单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接口部分，完成 不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。为了使f p g a 有更灵活 的应用，目前大多数f p g a 的i o 单元被设计成可编程模式，即通过软件的 灵活配置，可以适配不同的电气标准与i o 物理特性；可以调整匹配阻抗特 性，上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元 基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其 内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。基本可编程逻辑单元基本上都是由 查找表( ( l u t ) 和寄存器组成的。 一( 3 ) 嵌入式块r a m f p g a 内部嵌入式可编程r a m 模块，大大地扩展了f p g a 的应用范围 和使用灵活性。f p g a 内嵌的块r a m 一般可以灵活配置为单端口r a m ，双 端口r a m ，f i f o ，c a m 等存储器结构。 ( 4 ) 丰富的布线资源 布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连 线上的驱动能力和传输速度。布线资源包括全局性的专用布线资源，长线资 源，短线资源，专用时钟，复位等控制信号线。 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 图2 4f p g a 的结构原理图 ( 5 ) 底层嵌入功能单元 底层嵌入功能单元是指那些通用程度较高的嵌入式功能模块，比如p l l ， d l l ，d s p ，c p u 等。 ( 6 ) 内嵌专用硬核 主要用在高端的f p g a 中，比如：a l t e r a 的s t r a t i xg x 器件内部集成的 3 18 7 5 g b i t ss e r d e s 等。 2 5 f p g a 硬件电路的设计 在f p g a 的硬件设计中，主要考虑的是以下几个方面：f p g a 的选取， 配置方式、供电方式、时钟电路等设计。下面对这几个方面设计进行具体的 介绍1 8 1 。 2 5 1 f p g a 芯片的选取 本系统中选用了a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列芯片e p l c 3 t 1 4 4 。美国a l t e r a 公司是世界上最大的p l d 供应厂商之一。c y c l o n e 系列芯片是该公司推出的 1 6 麝屡嵌入功麓簟元 丰的布缓资穗 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 低价格、高容量的现场可编程门阵歹u ( f p g a ) ，该系列芯片以其较低的价格、 优良的特性及丰富的片上资源在消费类电子、计算机、工业和汽车领域得到 广泛的应用。器件基于1 5 v ，0 1 3 1 t m ，全铜互联s r a m 工艺，最高内嵌2 0 ，0 6 0 个逻辑单元( l e s ) 、最大2 8 8 k b i t s r a m 。内置锁相环( p l l s ) 和一个专用双倍速 率( d d r ) 界面支持用以双倍速率同步动态随机存储器( d d rs d r a m ) 和快速 循环动态随机存储器( f c r a m ) ，c y c l o n e 可以提供低功耗的数据链路解决方 案。c y c l o n 支持多种标准的i o ( 输入输出) ，包括最高6 4 0 m b p s 的l v d s 和 6 6 m h z 3 3 m h z 、6 4 b i t 3 2 b i t 周边器件扩展接口( p c i ) 的连接界面。支持 a s s p ( 专用标准部分) 和a s i c ( 专用集成电路) 设备。支持多种i p 核。 目前市场上提供的c y c l o n e 系列的f p g a 特性如表2 1 。 表2 1c y c l o n e 系列器件特性 特性 e p l c 3e p l c 6e p l c l 0e p l c 2 0 逻辑单元 2 9 1 05 9 8 01 2 0 6 0 2 0 0 6 0 m 4 kr a m 块 1 3 2 05 26 4 总r a m 位 5 9 9 0 4 9 2 1 6 02 3 9 6 1 6 2 9 4 9 1 2 锁相环( p l l ) 1222 最大用户i o 引脚 1 0 41 8 52 4 93 0 l c y c l o n e 系列器件通过两个行列结构来实现自定义逻辑。行列结构提供 l a b s ( l o g i ca r r a yb l o c k ) 与内嵌存储模块间的高速信号连接。逻辑阵列由 l a b s 组成，1 0 个l e 组成一个l a b 。一个l e 是有效执行用户逻辑的最小 逻辑单元。l a b s 被排列为行列结构交叉在器件当中。 采用a l t e r a 公司该款芯片的原因是：( 1 ) a l t e r a 公司q u a r t u s l i 开发环境非 常良好、直观，并提供了多种针对c y c l o n e 芯片的i p 核，为整个系统的开发 提供了极大的方便。( 2 ) 本设计中需要1 0 0 0 个左右的逻辑单元，7 0 个左右的 1 0 口，这些e p l c 3 t 1 4 4 满足要求。( 3 ) f p g a 内部不需要做复杂的数字信号 处理算法，没用到算法处理模块且逻辑单元消耗较少，低功耗，速度快。所以 选择了性价比比较高的e p l c 3 t 1 4 4 。 e p l c 3 t 1 4 4 的详细特性如下： 1 供电电压：外部i o 端口电压3 3 v ，内核电压1 5 v 。 1 7 哈尔滨一1 ：稃大学硕十学何论文 2 有逻辑单元2 9 1 0 个。 3 1 3 个m 4 k 的r a m 阵列块，总共5 9 9 0 4 b i t s 的存储单元。 4 一个全局时钟锁相环p l l 。 5 最高主频时钟1 5 0 m h z 。 6 1 4 4 管脚结构，最大可用i o 管脚为1 0 4 个。 7 支持l v l v r l 、l v c m o s 、s s t l 2 、s s t l 3 等多种i o 电平标准。 8 支持6 6 m h z ，3 2 b i t s 的p c i 标准。 9 支持高速l v d s ( 3 11m b p s ) i o 传输标准。 1 0 支持外部存储器，包括d d rs d r a m ( 1 3 3 m h z ) 、f c r a m 和单端数 据率( s d r ) s d r a m 。 1 1 支持多重知识产权( i p ) 核的使用 2 5 2 配置方式的设计 a l t e r a 公司的c y c l o n 器件是采用s r a m 工艺生产的，f p g a 在正常工作 时，它的配置数据( 下载进去的逻辑信息) 是存储在s r a m 中的，由于s r a m 的数据是易失性的，每次加电的时候，配置数据都必须重新下载。 c y c l o n e 系列器件常用的实现加载的方法有以下三种：主动配置方式 ( a s ) 、被动配置方式( p s ) 和j t a g 配置方式。主动配置方式由f p g a 器件引 导配置操作过程，它控制外部存储器和初始化过程；被动配置方式则由外部 计算机或控制器控制配置过程；j t a g 配置方式是通过j t a g 引脚进行编程 的。 配置方式由f p g a 的模式选择引脚m e s l l 、m e s l 2 共同决定，如表2 2 。 表2 2 配置方案的设置 m e s l l m e s l l 配置方案 0 0a s o 1p s 00 或1 j t a g 在本设计中，采用了两种配置方式：p s 和j t a g 模式。在主动串行配置 方式中，f p g a 必须与a l t e r a 专用的p s 串行配置器件一起使用。选用的配置 芯片是e p c 2 ，e p c 2 配置器件是一种非易失性的存储器，下载线选用 1 8 哈尔滨一i j 稗人学硕十学位论文 u s b b l a s t e r ，具体连接方式见图2 5 。其中图2 5 ( a ) 为j t a g 下载模式，图2 5 ( b ) 为p s 下载模式。 一 图2 5 设计中采用的f p g a 配置方式 j t a g 是基于i e e e l l 4 9 1 标准的一种边界扫描测试方式。通过j t a g 接 口可以访问f p g a 的所有资源，包括片内存储器，并且下载速度比较快。在 j t a g 模式下，不能对配置芯片e p c 2 进行配置。所以，j t a g 模式比较适合 f p g a 系统软硬件的实时在线分析调试。在采用p s 配置模式的时候，配置芯 片e p c 2 是处于主动地位，而f p g a 芯片处于从属地位。配置数据通过d a i a 0 引脚送入f p g a ，配置数据被同步在d c l k 输入上，一个时钟周期传送一位 数据。具体过程是首先编程e p c 2 芯片，然后通过e p c s i 配置f p g a ，运行 程序。需要考虑的是e p c 2 的编程次数是有限的，太频繁的擦除和写入对芯 片还是有一定影响的。因此，一般是在调试结束后，需要固化程序的时候才 使用p s 模式。 2 5 3电源与时钟电路 在选取电源芯片时应注意的参数有电源电压范围，输出功率，封装和散 热。图像声呐系统供电为+ 4 8 v ，整个电路中有多种芯片，供电多为d 5 v ，而 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 在系统中f p g a 外部i o 端口电压d 3 3 v ，内核电压d 1 5 v 。其外设元件和 芯片均使用d 3 3 v 电源，另外，f p g a 的锁相环p l l 需要独立的a 1 5 v 电压 供电。所以，整个信号产生电路用到d 5 v ，d 3 3 v ，d 1 5 v ，a 1 5 v 四种电源。 d 5 v 由系统提供的+ 4 8 v 通过d c d c 模块转换而来，由于整个电路中有 3 2 路发射电路，消耗功率较大，所以，选用1 2 w 的大功率电源模块 h d w l 2 4 8 s 0 5 。另外d 3 3 v ，d 1 5 v ，a 1 5 v 三种电平，选取了t i 公司的 t p s 7 0 3 0 2 电源转换芯片来供电。 t p