一种基于单片FPGA的波束形成方法及系统与流程

本发明涉及水下测深技术领域，尤其涉及一种基于单片fpga的波束形成方法及系统。

背景技术：

数字波束形成技术是天线波束形成原理与数字信号技术相结合的产物，其广泛应用于阵列信号处理领域，如雷达、声呐、地质勘探、麦克风阵列处理等等。基于fpga高性能的数字信号处理与并行运算的优势，实现波束形成具有很重要的意义。

近年来，随着国家对海洋开发的重视，国内对多波束形成的研究迅速发展，实现高性能多波束形成是研究的重点。在声呐系统中，数字波束形成算法是非常重要的信号处理方法，其运算量庞大、工程实践的难度很大。目前，实现波束形成基本上是由多片dsp或者fpga与dsp组合完成。由多片dsp完成波束形成，系统复杂，集成度不高；由fpga与dsp组合完成波束形成，fpga的性能无法充分利用，且同样集成度不高。

鉴于上述情况，充分利用fpga性能，减少系统复杂程度，提高集成度是目前需要迫切解决的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术存在的不足，从而提供一种基于单片fpga的波束形成方法及系统。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种基于单片fpga的波束形成方法。该方法包括以下步骤：

接收各阵元输出的模拟信号并分别转换为数字信号，以及接收同一时刻姿态传感器输出的横摇参数并生成正交复数权值矩阵w,所述正交复数权值矩阵w包括正交权值矩阵wi与wq；

将各路数字信号分别进行正交解调得到正交复信号x,所述正交复信号x包括正交信号xi与xq；

将各路的正交信号xi分别以乒乓方式存储在各自对应的乒乓存储器中，各路的正交信号xq分别以乒乓方式存储在各自对应的乒乓存储器中，正交权值矩阵wi以乒乓方式存储在其对应的乒乓存储器的中，正交权值矩阵wq乒乓的方式存储在其对应的乒乓存储器中；

将存储完毕的各路正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq同步并行输出；

将输出的各路正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq按照设定的运算模式进行波束形成运算。

进一步地，所述设定的运算模式包括多种，所述波束形成运算具体为：根据不同运算模式进行不同模式下的正交复信号x与正交复数权值矩阵w的乘累加运算。

更进一步地，所述运算模式为n路正交复信号x做串行波束形成，波束形成运算通过下列公式实现：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

式中，x[r,t]，w[s,r]与y[s,t]均为复数。

更进一步地，所述运算模式为n路正交复信号x分为k组并行做子波束形成，波束形成运算通过下列公式实现：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

式中，x[r,t]，w[s,r]与y[s,t]均为复数。

更进一步地，所述运算模式为正交复数权值矩阵w分为l组做并行波束形成，波束形成运算具体如下：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

式中，x[r,t]，w[s,r]与y[s,t]均为复数。

更进一步地，所述运算模式为n路正交复信号x与正交复数权值矩阵w均对应分成k组、l组做多级并行波束形成，波束形成运算具体如下：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

进一步地，所述根据横摇参数生成正交复数权值矩阵w具体包括：

判断所接收的横摇参数值是否产生变化；

若变化，则生成新的正交复数权值矩阵w，不变化，则等待下一采样横摇参数。

在第二方面，本发明还提供了一种基于单片fpga的波束形成系统。该系统包括:adc采样单元、正交解调单元、存储单元、导向矢量实时更新单元、波束形成控制单元和波束形成运算单元，

所述存储单元包括多个正交信号xi乒乓存储器、多个正交信号xq乒乓存储器、权值矩阵wi乒乓存储器和权值矩阵wq乒乓存储器，

所述adc采样单元和所述正交解调单元包括多路，每路adc采样单元对应与一路正交解调单元相连，用以接收各阵元输出的模拟信号并分别转换为数字信号；

所述正交解调单元的每路对应与一个正交信号xi乒乓存储器和一个正交信号xq乒乓存储器相连，用以将adc采样单元的每路数字信号进行正交解调得到正交复信号x，所述正交复信号x包括正交信号xi和xq，其中，每路正交信号xi以乒乓方式存储在其对应的正交信号xi乒乓存储器中，每路正交信号xq以乒乓方式存储在其对应的正交信号xq乒乓存储器中；

所述导向矢量实时更新单元与权值矩阵wi乒乓存储器和权值矩阵wq乒乓存储器相连，用以接收姿态传感器输出的横摇参数并生成正交复数权值矩阵w，所述正交复数权值矩阵w包括正交权值矩阵wi与wq，其中，正交权值矩阵wi以乒乓方式存储在权值矩阵wi乒乓存储器中，权值矩阵wq以乒乓方式存储在权值矩阵wq乒乓存储器中；

波束形成控制单元与波束形成运算单元相连，用来将存储完毕的各路正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq同步并行输出至波束形成运算单元，以及控制波束形成运算的模式；

波束形成运算单元，用以根据同一时刻的正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq按照设定的运算模式进行波束形成运算。

进一步地，所波束形成控制单元输出的运算模式包括多种，所述波束形成运算单元根据不同运算模式进行不同模式下的正交复信号x与正交复数权值矩阵w的乘累加运算。

更进一步地，所述运算模式包括下列方式中的任意一种：

多路正交复信号x做串行波束形成、多路正交复信号x分为多组并行做子波束形成、正交复数权值矩阵w做并行波束形成、多路正交复信号x和正交复数权值矩阵w均分为多组做多级并行波束形成。

本发明的有益效果:

1、通过利用fpga的高速数字信号处理与并行运算的优势，在一片fpga上独立完成常规波束形成——权值矩阵更新、波束形成运算等，该设计有效提高了系统的集成度。

2、通过导向矢量实时更新单元可根据横摇参数而实时更新权值参数，满足系统的实时性，更符合工程实际应用要求，提高了系统的精确度。

3、波束形成控制单元可根据adc数据的存储时间、权值矩阵数据的更新周期、fpga的资源可以灵活配置波束运算的级数以及多路运行运算(运算模式)，提高系统处理运算能力。

附图说明

图1是本发明实施例的基于单片fpga的波束形成系统的结构框图；

图2是本发明实施例的乒乓存储器的结构示意图；

图3是本发明实施例的基于单片fpga的波束形成的方法流程图；

图4是本发明实施例的权值矩阵更新的方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，其为本发明实施例的基于单片fpga的波束形成系统的结构框图。该系统包括adc采样单元1、正交解调单元2、存储单元3、导向矢量实时更新单元4、波束形成控制单元5和波束形成运算单元6。

存储单元3包括多个正交信号xi乒乓存储器31、多个正交信号xq乒乓存储器32、权值矩阵wi乒乓存储器33和权值矩阵wq乒乓存储器34。每个正交信号xi乒乓存储器31用以存储每路的正交信号xi，每个正交信号xq乒乓存储器32用以存储每路的正交信号xq，权值矩阵wi乒乓存储器33用以存储权值矩阵wi，权值矩阵wq乒乓存储器34用以存储权值矩阵wq。

adc采样单元1和正交解调单元2包括多路，每路adc采样单元对应与一路正交解调单元相连，用以接收各阵元输出的模拟信号并分别转换为数字信号。

正交解调单元2的每路对应与一个正交信号xi乒乓存储器和一个正交信号xq乒乓存储器相连，用以将adc采样单元的每路数字信号进行正交解调得到正交复信号x，所述正交复信号x包括正交信号xi和xq，其中，每路正交信号xi以乒乓方式存储在其对应的正交信号xi乒乓存储器中，每路正交信号xq以乒乓方式存储在其对应的正交信号xq乒乓存储器中。

导向矢量实时更新单元4与权值矩阵wi乒乓存储器33和权值矩阵wq乒乓存储器34相连，用以接收姿态传感器输出的横摇参数并生成正交复数权值矩阵w，所述正交复数权值矩阵w包括正交权值矩阵wi与wq，其中，正交权值矩阵wi以乒乓方式存储在权值矩阵wi乒乓存储器中，权值矩阵wq以乒乓方式存储在权值矩阵wq乒乓存储器中。加入导向矢量实时更新单元4，该单元的功能是实时产生横摇修订的权值参数。该单元的加入是区别本发明与现有其他波束形成系统应用的关键点之一。现有波束形成系统权值向量要么是固定，要么由dsp实时生成，前者限制了波束形成工程应用，后者提高了系统的复杂程度。该单元的应用使波束形成既符合工程实际应用，又充分利用fpga资源，提高了系统的集成度，减少了系统复杂程度。当波束形成系统载体船发生横摇变化，姿态传感器输出横摇变化参数(roll)，导向矢量实时更新单元4根据横摇参数生成对应的权值向量w。

波束形成控制单元5与波束形成运算单元6相连，用来将存储完毕的各路正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq同步并行输出至波束形成运算单元6，以及决定波束形成运算的模式——多路正交复信号x做串行波束形成、多路正交复信号x分为多组并行做子波束形成、正交复数权值矩阵w做并行波束形成、多路正交复信号x和正交复数权值矩阵w均分为多组做多级并行波束形成。根据adc数据的存储时间、权值矩阵数据的更新周期、fpga的资源可以灵活配置运算模式。运算模式的改变通过改正交复信号与正交复数权值矩阵乘累加的结合方式来实现。

波束形成运算单元6，用以根据同一时刻的正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq按照预设的运算模式进行波束形成运算。主要是完成正交复信号与正交复数权值矩阵的复数乘累加算法。当一ping的信号与权值向量都准备好，在波束形成控制单元的控制下将正交复信号与正交复数权值矩阵同步输入到波束形成网络进行波束形成运算。

本发明实施例系统的工作原理为：接收阵列的n个阵元输出模拟电信号，经过adc采样转换成数字信号。每路数字信号经过正交解调得到正交复信号x，该信号包括正交信号xi与xq，n路正交信号xi以乒乓方式存入各自对应的正交信号xi乒乓存储器中，n路正交信号xq以乒乓方式存入各自对应的正交信号xq乒乓存储器32中。同时，姿态传感器实时输出横摇数据r，导向矢量实时更新单元4根据横摇数据r生成正交复数权值矩阵w，所述w包括正交权值矩阵wi与wq，正交权值矩阵wi以乒乓方式存储在权值矩阵wi乒乓存储器33中，正交权值矩阵wq以乒乓方式存储在权值矩阵wq乒乓存储器34中。当n路adc采样信号与权值矩阵均保存好后，在波束形成控制单元的控制下，将数据同步有序地输入到波束形成网络中。由波束形成运算单元根据波束形成控制单元设置的模式进行多路并行或一路串行的计算并输出。

本发明实施例中存储单元3采用多个乒乓存储器，乒乓存储器(pingpangram)包括#0双端ram和#1双端ram，#0双端ram和#1双端ram各连接一数据选择器，主要负责存储正交复信号x和正交复数权值矩阵w。波束形成运算与数据存储都是实时，即n对正交复信号以及权值矩阵的存储与波束形成运算是同时进行，为了避免数据存储与运算数据读取不发生冲突，需要采用乒乓(pingpang)的方式存储数据。乒乓存储器的数据处理流程为：当第一pingn路adc采样数据的2*n路正交信号与对应生成的正交权值矩阵分别对应存入各自pingpangram中的第一块ram中(#0)，第二pingn路adc采样数据的2*n路正交信号与对应更新的正交权值矩阵分别对应存入各自pingpangram中的第二块ram中(#1)，第三ping的各路数据再次存入第一块ram中(#0)并把第一ping的数据覆盖，以此例推各路数据在两块ram之间交替覆盖、存取。只要运算时间快于数据存储与权值参数的更新，那么采用pingpangram的方式存取数据就可以保证数据完整、读写无冲突。

上面具体介绍了基于单片fpga的波束形成系统的结构和实现原理，下面将具体介绍基于单片fpga的波束形成的方法。

如图3所示，其为本发明实施例提供的一种基于单片fpga的波束形成方法的流程图。

在步骤301中，接收各阵元输出的模拟信号并分别转换为数字信号。

在步骤302中，在步骤301进行的同时，接收同一时刻姿态传感器输出的横摇参数并生成正交复数权值矩阵w,所述正交复数权值矩阵w包括正交权值矩阵wi与wq。

在步骤303中，将步骤301中的各路数字信号分别进行正交解调得到正交复信号x,所述正交复信号x包括正交信号xi与xq。

在步骤304中，将步骤303中各路的正交信号xi分别以乒乓方式存储在各自对应的乒乓存储器中，各路的正交信号xq分别以乒乓方式存储在各自对应的乒乓存储器中，正交权值矩阵wi以乒乓方式存储在其对应的乒乓存储器的中，正交权值矩阵wq乒乓的方式存储在其对应的乒乓存储器中。

在步骤305中，判断步骤304中正交信号xi与xq、wi与wq中是否存储完毕，若是，则将存储完毕的各路正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq同步并行输出，若否，则返回步骤304重新存储。

在步骤306中，读取步骤305同步输出的各路正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq。

在步骤307中，将步骤306输出的各路正交信号xi与xq和权值矩阵wi与wq按照设定的运算模式进行波束形成运算。

在步骤308中，判断是否完成所有波束的形成，若是，则执行步骤309，若否，则返回步骤307继续做波束形成运算。

在步骤309中，判断是否是完成最后一次采样时间所有波束的运算，若是，则结束所有进程，若否，则返回步骤301和302进行下一时刻的数据采集。以此循环，直到完成最后一次采样时间所有波束运算的完成。

其中，步骤307中设定的运算模式包括多种，波束形成运算具体为：根据不同运算模式进行不同模式下的正交复信号x与正交复数权值矩阵w的乘累加运算。

第一种运算模式：n路正交复信号x做串行波束形成，波束形成运算通过下列公式实现：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

式中，x[r,t]，w[s,r]与y[s,t]均为复数。

第二种运算模式：n路正交复信号x分为k组并行做子波束形成，波束形成运算通过下列公式实现：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

式中，x[r,t]，w[s,r]与y[s,t]均为复数。

第三种运算模式：正交复数权值矩阵w分为l组做并行波束形成，波束形成运算具体如下：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

式中，x[r,t]，w[s,r]与y[s,t]均为复数。

正交复数权值矩阵w分为l组做并行波束形成，这样系统将输出l路，每路由m/l个波束形成，即y[s,t]＝[y1(s1,t),y2(s2,t),...,yl(sl,t)](1≤s1，s2，...，sl≤m/l)，其中每路输出ym[sm,t]＝∑x[r,t]*wm[s,r](1≤m≤l)。

第四种运算模式：n路正交复信号x与正交复数权值矩阵w均对应分成k组、l组做多级并行波束形成，波束形成运算具体如下：

设有n个阵元，生成m个波束，输入信号为x[r,t],(1≤r≤n,t≥1)，表示第r个阵元的时间轴上第t个复信号，输出信号y[s,t],(1≤s≤m,t≥1)表示第s个波束的时间轴上第t个复信号，权值w[s,r]表示第r个阵元生成第s个波束的权值矩阵，它们存在以下关系：

式中，x[r,t]，w[s,r]与y[s,t]均为复数。

其中，n路正交复信号x分成k组、正交复数权值矩阵w分成l组做多级并行波束形成。这样，系统将输出l路、每路m/l个波束形成，即y[s,t]＝[y1(s1,t),y2(s2,t),...,yl(sl,t)](1≤s1，s2，...，sl≤m/l)，其中每路输出ym[sm,t]＝∑x[r,t]*wm[sm,r](1≤m≤l)，每路波束形成又分解为k个子波束形成运算∑xj[rj,t]*wi[si,rj]，所以有：ym[sm,t]＝∑∑xj[rj,t]*wi[si,rj](1≤m≤l，1≤j≤n/k，m/l*m+1≤i≤m/k*m+m/l)，即将每个子波束形成结果累加完成该路波束形成运算。

其中，如图4所示，本发明实施例中的步骤302还进一步包括：

在步骤302-1中，接收姿态传感器输出的横摇参数。

在步骤302-2中，判断当前接收的横摇参数是否产生变化，若是则执行步骤302-3，若否，返回步骤302-1。不进行新的权值矩阵生成，权值矩阵乒乓存储器的数据不更改，波束形成计算所用的权值矩阵还是采用上一采样时间的数据。

在步骤302-3，根据步骤302-2中接收的新的横摇参数生产新的权值矩阵w。

综上各实施例，本发明充分利用fpga的高速数字信号处理与并行运算的优势，在一片fpga上独立完成常规波束形成——权值矩阵更新、波束形成运算等。该设计有效提高了系统的集成度，将权值矩阵与波束形成运算均放在fpga上实现。采用并行、分级波束形成运算，提高系统处理运算能力。权值矩阵生成模块会根据横摇参数而实时更新权值参数，满足系统的实时性，更符合工程实际应用要求，提高了系统的精确度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。