技术特征：
1.一种水声信号的高精度连续延时型fpga实时波束形成器，其特征在于，完全利用fpga内部资源，具体实现包括如下功能模块：(1)波束控制模块，用于设置波束形成相关参数；(2)向量(矩阵)乘法器模块，用于设置定点乘法器、加法器的工作模式；(3)通道数据存储模块，作为环形缓冲器存储采样数据；(4)取址存储模块，配置波束形成时延表；(5)系数存储模块，配置波束形成向量表。2.根据权利要求1所述的声信号的高精度连续延时型fpga实时波束形成器，其特征在于，所述波束控制模块中，采用如下设计来控制其他各模块的工作状态：通过有限状态机来控制当前时钟下计算的波束号、阵元号、延迟单元，各个存储器以及运算器工作使能、存储器的地址控制线、读写控制线；共设置如下5个状态：状态名：idle；功能：空闲态；跳转条件：一次采样，采样下所有通道的信号都存入通道数据存储器后跳转ready；状态名：ready；功能：准备态；跳转条件：一个时钟后跳转beam；状态名：beam；功能：波束计算态；跳转条件：需要的波束个数减一个时钟后跳转last_beam；状态名：last_beam；功能：波束完成态；跳转条件：一个时钟后跳转end；状态名：end；功能：结束态；跳转条件：一个时钟后跳转idle；当状态机处于beam态以及last_beam态时，波束号、延迟单元号循环自增，并且读存储器使能、运算器计算使能置1，同时将当前波束号、延迟单元号、读使能、计算使能等信号从波束控制模块传出给到向量(矩阵)乘法器模块、取址存储模块和系数存储模块。3.根据权利要求1所述的声信号的高精度连续延时型fpga实时波束形成器，其特征在于，在所述向量(矩阵)乘法器模块中，采用如下设计来完成小数时延滤波和加权波束形成：使用m个乘法器以及m-1个加法器，乘法器和加法器的连接形式为树状结构，叶子层为m个乘法器，每两个乘法器的输出端同时接一个加法器的输入端，每两个乘法器的输出端共同接一个加法器的输入端，最后一个加法器的输出端为树状结构根节点的输出，乘法器与加法器并行同时工作，协同完成向量内积运算；每个时钟可完成一次向量内积，多个时钟下分时计算，协同完成一次矩阵乘法。4.根据权利要求1所述的声信号的高精度连续延时型fpga实时波束形成器，其特征在于，在所述通道数据存储模块中，采用如下方法缓冲采样数据，以满足时延要求：对于某一通道的采样数据，分配一个ram；当写数据时，读数据禁止，写地址wraddr_base从0开始计到最大，然后回到0继续写数据；当读数据时，写数据禁止，读地址是当前写地址为基址wraddr_base加上取址存储模块输出的读地址偏址rdaddr_offset的加和。5.根据权利要求4所述的声信号的高精度连续延时型fpga实时波束形成器，其特征在于，选择将双口ram的空间以地址线最高位取0或1分为两部分，分别存放两个通道的采样数据。6.根据权利要求1所述的声信号的高精度连续延时型fpga实时波束形成器，其特征在于，在所述取址存储模块中，采用如下方法进行整数延时参数的提取和存储，来实现小数滤波：
现假设对于第i个阵元，第j个波束需要的模拟时延量为τ
ij
，采样率为f
s
；那么采样后的数字时延nτ
ij
应为nτ
ij
＝τ
ij
f
s
四舍五入取其整数部分p
ij
＝round(nτ
ij
)其中p
ij
即为整数时延部分。对于所有i以及j，p
ij
有一个小于0的最小值p
min
；为了不让在同一次采样里的所有波束下通道数据存储器的读地址覆盖当前写地址，须对整数延时做偏置处理p
ij
＝p
ij-p
min
此时得到的p
ij
都是正整数，将其存入对应存储器的对应位置。7.根据权利要求1所述的声信号的高精度连续延时型fpga实时波束形成器，其特征在于，在所述系数存储模块中，采用如下方法进行小数滤波fir系数存储和加权波束形成系数存储：nτ
ij
是第i个阵元对于第j个波束应做的数字时延量，为获取i阵元在此处的采样值，采用fir滤波的办法，公式为为计算方便k从-l取到+l，即做2l+1阶小数滤波；x[round(nτ
ij
+k)]的值由通道数据存储模块输出，sinc[(nτ
ij
+k)-round(nτ
ij
+k)]的值记作h(i,j,k)；如需对阵元进行不同的加权，选择加权法chebyshev，权系数记作w(i,j)；接着提前将两个乘积因子算好，f(i,j,k)＝h(i,j,k)*w(i,j)；对f(i,j,k)放缩到mbit定点数，便于在fpga中存储计算d(i,j,k)＝round(f(i,j,k)*2
m
)最后把d(i,j,k)的值存入对应存储器的对应位置。
技术总结
本发明公开一种水声信号的高精度连续延时型FPGA实时波束形成器，包括如下FPGA子模块：(1)波束控制模块，用于控制其他子模块的工作状态；(2)向量(矩阵)乘法器模块，可以设置定点乘法器、加法器的工作模式；(3)通道数据存储模块，作为环形缓冲器存储采样数据；(4)取址存储模块，配置波束形成时延表；(5)系数存储模块，配置波束形成向量表。本发明通过FPGA芯片的部分资源组合以及模块例化使用，实现了高精度、连续实时采样下的波束形成，为目标估计和检测提供实时的低信噪比的多波束信号。检测提供实时的低信噪比的多波束信号。检测提供实时的低信噪比的多波束信号。
技术研发人员：方衍 刘健建 方世良
受保护的技术使用者：南京世海声学科技有限公司
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2022/4/12