寬帶圖像聲納高速浮點(diǎn)信號(hào)處理技術(shù)研究.pdf

1、圖像聲納是水下目標(biāo)搜索、定位成像、避險(xiǎn)救生、警戒安防等應(yīng)用領(lǐng)域中的主要探測(cè)設(shè)備，在國(guó)民生產(chǎn)、國(guó)家安全領(lǐng)域均發(fā)揮著不可替代的作用。隨著圖像聲納技術(shù)和電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，其信號(hào)處理方式已由全模擬器件波束形成變?yōu)槿珨?shù)字化實(shí)時(shí)波束形成，其工作體制已逐漸由機(jī)械單波束掃描發(fā)展為電子多波束成像，工作頻率由窄帶單頻開(kāi)始向?qū)掝l帶過(guò)渡。隨著應(yīng)用領(lǐng)域和工作環(huán)境的不斷擴(kuò)展延伸，圖像聲納在設(shè)備體積逐漸小型化的同時(shí)，對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)范圍、計(jì)算精度等要求也

2、在不斷提高。然而由于浮點(diǎn)運(yùn)算速度相對(duì)較慢、計(jì)算結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在水聲信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)高速大規(guī)模浮點(diǎn)處理算法及應(yīng)用的研究較少見(jiàn)，尤其是在寬帶圖像聲納中的研究成果就更少。可以預(yù)見(jiàn)，隨著圖像聲納的不斷發(fā)展，寬帶化、浮點(diǎn)化、高速化、小型化已成為其未來(lái)必然的技術(shù)選擇。因此有必要提前展開(kāi)適合于寬帶圖像聲納采用的高速浮點(diǎn)信號(hào)處理技術(shù)研究，以便為未來(lái)寬帶圖像聲納的設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。
　　本文在回顧了窄帶圖像聲納技術(shù)發(fā)展、寬帶圖像聲納定點(diǎn)信號(hào)

3、處理研究以及傳統(tǒng)浮點(diǎn)信號(hào)處理研究的基礎(chǔ)上，以高速浮點(diǎn)寬帶圖像聲納信號(hào)處理應(yīng)用為背景，對(duì)多通道浮點(diǎn)脈沖壓縮、分布式浮點(diǎn)分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波和多通道浮點(diǎn)波束形成進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。
　　結(jié)合匹配濾波理論，分析比較了在 DSP及 FPGA器件上分別進(jìn)行單通道時(shí)域和頻域脈沖壓縮的主要性能。針對(duì)多通道頻域脈沖壓縮資源占用大、控制設(shè)計(jì)復(fù)雜難以實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題，提出了基于片內(nèi)可編程系統(tǒng)(SOPC)的多通道信號(hào)處理框架。利用該框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可靈活配置與剪

4、裁的浮點(diǎn)多通道脈沖壓縮系統(tǒng)。分析實(shí)驗(yàn)了不同工作參數(shù)下，該浮點(diǎn)多通道脈沖壓縮系統(tǒng)的主要性能與關(guān)鍵參數(shù)。
　　為實(shí)現(xiàn)更高精度的時(shí)延波束形成，結(jié)合分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波原理，對(duì)適合FPGA應(yīng)用的分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器系數(shù)設(shè)計(jì)算法進(jìn)行了比較。分析了經(jīng)典的Farrow結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器，針對(duì)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于浮點(diǎn)化改造的問(wèn)題，基于分布式算法原理提出了分布式浮點(diǎn)時(shí)延濾波器。研究了不同時(shí)間優(yōu)化和空間優(yōu)化方案下分布式浮點(diǎn)時(shí)延濾波器的計(jì)算精度、動(dòng)態(tài)范圍及資源占用等關(guān)鍵

5、性能。
　　為完成高速浮點(diǎn)波束形成運(yùn)算，分析了傳統(tǒng)浮點(diǎn)乘法器、浮點(diǎn)累加器等運(yùn)算單元存在的諸多問(wèn)題。提出了更適于在FPGA上應(yīng)用的快速移位樹(shù)、浮點(diǎn)4-2壓縮器、分布式浮點(diǎn)累加器等關(guān)鍵運(yùn)算單元。綜合設(shè)計(jì)了不同構(gòu)型下的幾種多通道浮點(diǎn)波束形成器，通過(guò)與分布式浮點(diǎn)時(shí)延濾波器相結(jié)合，仿真分析了浮點(diǎn)分?jǐn)?shù)時(shí)延波束形成器的主要性能。
　　研究了直接扇形地址產(chǎn)生和數(shù)據(jù)緩存算法，從而對(duì)寬帶圖像聲納數(shù)字信號(hào)處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、提高整體處理速度。通過(guò)對(duì)