[发明专利]基于FPGA的实时并行时延相移波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于波束形成处理领域，特别涉及基于FPGA的高速波束形成处理，具体来说是一种基于FPGA的对高采样率基阵接收数据的实时并行时延相移波束形成方法。

背景技术

波束形成是信号处理领域中一种常用的信号处理方式，在雷达、声纳、无线通信等领域都有广泛的应用。如多波束声纳在探测海底地形时，需要对基阵接收回波信号进行波束形成处理，以分离来自不同角度的海底回波，从而一次获得多处海底的深度信息。

实际系统中，基阵接收信号一般都先经过解调、滤波和采样，转换成离散的复数形式的数字基带信号。假定接收信号是窄带信号，波束形成可以表示成如下公式：

yk(n)=Σm=1Mckm*xm(n)=ckHx(n)]]>

其中，M为基阵阵元数，k为期望波束的序列号，n为采样时刻，x_m(n)为第m个阵元接收信号n时刻采样值的复数基带表示，c_k＝[c_k1 c_k2 … c_kM]^T为第k个期望波束角度的波束形成系数，也用复数表示，通过改变系数c_k就可以控制波束的指向。

考虑到实际中回波信号都是有一定脉宽的，当信号脉宽比较小(脉宽声速乘积小于接收基阵最大孔径)时，单纯用相移来补偿时延会导致波束形成效果下降。此时可以采用时延相移波束形成方法，对于需要的时延补偿，其中采样时间间隔的整数倍部分，用对应不同采样时刻的采样数据补偿，剩余部分用相移系数进行补偿，如下式：

yk(n)=Σm=1Mckm*xm(n-dkm)]]>

其中，整数d_km表示第k个期望波束第m个阵元采样信号延迟的采样时间间隔数。

远场情况下，可以将波的传播近似为平面波，采用常规平面波波束形成，波束形成系数c_k与距离无关；近场情况下，平面波近似不成立，采用聚焦波束形成，波束形成系数c_k与距离有关，在不同距离上要采用不同的波束形成系数。

在波束形成技术的工程化过程中，存在着一些困难，主要包括：波束形成器的复乘运算需要的运算量很大，尤其在阵元数和期望角度数较多，接收基阵信号采样频率较高的情况下，波束形成的实时实现异常困难；此外，为了改善波束形成的效果，还要再引入时延相移波束形成以及常规波束形成和聚焦波束形成相结合的方法，这进一步增加了系统的复杂度和实现的难度。