圓陣聲納自適應(yīng)波束形成原理及FPGA實(shí)現(xiàn)的中期報(bào)告

圓陣聲納自適應(yīng)波束形成原理及FPGA實(shí)現(xiàn)的中期報(bào)告前言圓陣聲納自適應(yīng)波束形成是一項(xiàng)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(tái)上的實(shí)現(xiàn)。一、圓陣聲納的構(gòu)造圓陣聲納由若干個(gè)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(gè)傳感器的輸出是信號(hào)在傳感器位置接收到的聲波信號(hào)。對(duì)于一個(gè)N陣圓陣，若每個(gè)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(hào)進(jìn)行加權(quán)和求和，從而在一個(gè)特定方向上增強(qiáng)信號(hào)，抑制噪聲。波束形成可以利用各個(gè)傳感器的輸出進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于圓陣中的單個(gè)陣元，其接收到的信號(hào)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(hào)幅度，f是信號(hào)頻率，τ(n)是特定方向上的到達(dá)時(shí)延。當(dāng)多個(gè)陣元一起工作時(shí)，可以將陣元的輸出進(jìn)行加權(quán)和求和，從而得到波束的輸出。設(shè)每個(gè)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(shí)刻時(shí)陣列中每個(gè)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(jì)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(hào)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(hào)與參考信號(hào)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(shí)現(xiàn)和良好的收斂性能，但其對(duì)于陣列中噪聲的抑制效果較差?；贗AC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(hào)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(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。四、FPGA實(shí)現(xiàn)在FPGA上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成，需要考慮以下幾個(gè)方面:1.陣列輸入數(shù)據(jù)的處理陣列中每個(gè)陣元的輸出需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并以一定的速率傳輸給FPGA。在FPGA中，需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，以便進(jìn)行自適應(yīng)的加權(quán)系數(shù)計(jì)算。2.自適應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法可以通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)在FPGA上，也可以使用硬件實(shí)現(xiàn)的方式?？赏ㄟ^一些高級(jí)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)。3.FPGA資源的優(yōu)化由于自適應(yīng)波束形成需要對(duì)來自多個(gè)陣列的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，每個(gè)陣列的信號(hào)都需要進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，需要大量的FPGA資源。因此，在實(shí)現(xiàn)時(shí)需要進(jìn)行資源的優(yōu)化，如采用并行計(jì)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(chǔ)并傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號(hào)處理系統(tǒng)中。FPGA中可以集成高速通信接口模塊，方便的進(jìn)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(tái)上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成的