專利名稱：圖像聲納中時延、相移波束形成的fpga實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及FPGA技術(shù)，圖像聲納技術(shù)，具體的說是一種應(yīng)用于圖像聲納中的時延、相移波束形成的FPGA實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的波束形成的FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)方法，大多是基于DFT (離散傅里葉變換)波束形成方法。此類波束形成的不足在于此方法是基于遠場平面波的，在近場條件下，聲波服從球面波傳播規(guī)律，若直接采用此類方法則方位分辨力變差。楊長根在碩士論文楊長根，基于FPGA的聲成像算法研究與實現(xiàn)，哈爾濱哈爾濱工程大學碩士學位論文 (CNKI)，2009采用了一種近場聚焦波束形成方法，該方法在進行波束形成時在某一方向進行了一定的相位補償，該方法實現(xiàn)方便，運算量不大，適合工程運用，但其只能夠?qū)δ骋粋€波束方向進行相位補償，不能對所以波束角進行精確相位補償，所以當扇面較寬時，方位分辨力變惡劣?；菥甑热?b>惠娟，胡丹，惠俊英，殷敬偉，聚焦波束形成聲圖測量原理研究，聲學學報，2007研究的聚焦波束形成適合近場，補償?shù)氖乔蛎娌ǖ臅r延差，但僅進行了計算機仿真。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于圖像聲納的時延波束形成的FPGA實現(xiàn)?？梢栽谶h場和近場條件下進行高精度的時延波束形成的FPGA實現(xiàn)方法，并且可以實時的獲得目標的距離和方位信息。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的(1)根據(jù)所要觀測的區(qū)域計算MXN點圖像中每個像素點所代表的物理位置的坐標，如果要求圖像大小為10 X 768，則M= IOM，N = 768 ；如果要求圖像大小為600 X 600， 則 M = 600，N = 600 ；(2)被掃描物理位置為MXN大小的圖像中像素點所表示的物理位置，根據(jù)步驟 (1)中得到的坐標結(jié)果，計算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的聲程，進而得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的時延量，同時計算出由于采樣率不能無限大而帶來的殘余時延因子；(3)根據(jù)步驟(2)中得到的時延量從RAM(隨機存取存儲器)中取出該掃描位置在各個接收陣元中的回波數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)步驟(2)中得到的殘余時延因子，利用相位補償?shù)姆椒▽Σ襟E(3)中取得的回波數(shù)據(jù)進行殘余時間差的補償；(5)將步驟中計算得到的各個接收通道相位補償后的回波數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和運算，得到MXN大小的圖像中像素點的強度值；(6)重復(fù)步驟O)、(3)、(4)、(5)得到MXN大小的圖像所有像素點的強度值，從而完成一幅圖像，若目標處于某網(wǎng)格，則改點便出現(xiàn)一亮點。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的聲程。該聲程由兩部分組成發(fā)射器到被掃描物理位置的聲程與接收陣元到被掃描物理位置的聲程。其中求距離的方法可以采用兩點間距離公式，也可以采用三角函數(shù)，但計算結(jié)果的精度要滿足要求。其中利用FPGA求距離的方法采用二進制手工開方的算法， 此算法只利用加減法、移位來實現(xiàn)，不需要進行乘除法運算，并且可以得到高精度的計算結(jié)^ ο為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，得到高精度的時延，需要進行殘余時延量的補償。其補償過程與坐標平面旋轉(zhuǎn)過程相當，采用CORDIC (Coordinate Rotational Digital Computer，坐標旋轉(zhuǎn)計算機)算法來實現(xiàn)。此算法將復(fù)雜的算術(shù)運算轉(zhuǎn)換為簡單的加減法和移位操作， 然后逐漸逼近結(jié)果，適合利用FPGA實現(xiàn)，并且此方法可以很好的兼顧精度、速度和FPGA資源。所述的圖像是在進行波束形成后形成一幅MXN大小的圖像，并進行開角為90° 的扇形顯示；所述的時延是發(fā)射機到被掃描物理位置的聲波傳播時延與接收陣元到被掃描物理位置的聲波傳播時延的和，該被掃描物理位置為圖像像素點所表示的物理位置；所述的相移是利用相位補償?shù)姆绞絹硌a償由于采樣率不能無限大所帶來的時延殘差，進而得到高精度的時延；所述的FPGA是對得到的數(shù)字信號進行時延、相移波束形成算法。本發(fā)明的特點是利用FPGA實現(xiàn)時延、相移波束形成。該方法可以在遠場和近場條件下進行高精度的時延，并且可以實時的獲得目標的距離和方位信息。
圖1是本發(fā)明的時延、相移波束形成模型示意圖；圖2是本發(fā)明的波束形成的FPGA內(nèi)部實現(xiàn)流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更詳細地描述在本發(fā)明優(yōu)選實例中，如圖1所示，時延、相移波束形成后得到得到一幅MXN大小的圖像，并進行開角為90°的扇形顯示，其中M = 600，N = 600。如圖2所示，一種應(yīng)用于圖像聲納的時延、相移波束形成的FPGA硬件實現(xiàn)流程示意圖，其進行波束形成算法的方法如下圖像大小為MXN，量程為R，假設(shè)圖像中某像素點的索引值坐標為(indeX_X， indeX_y)，則可以得到該像素點所表示的物理位置的坐標為(xt，yt)，其中
2*Rx, -index χ*-F(1)
-M*V2
2*Ryt =indexy*---(2)
M*V2其中R表示所要觀測的最大距離，也即量程；indeX_X，index_y分別表示像素點的水平坐標和垂直坐標，1 ( index_x ^ Μ, 1 ^ index_y ( N ； (xt，yt)表示屏幕像素點所對應(yīng)
4的物理坐標，Xt, yt分別表示水平坐標和垂直坐標，-R^ Xt ^ R,0 ^ yt ^ R；由于陣元的坐標(ai，0)i = 1 · N為已知，則可以計算出發(fā)射機到被掃描物理位置的聲波傳播時延與第i個陣元到被掃描物理位置的聲波傳播時延的和τ ρ該物理位置為像素點所表示的物理位置。
權(quán)利要求
1.一種圖像聲納中的時延、相移波束形成的FPGA實現(xiàn)方法，其特征是包括如下步驟(1)根據(jù)所要觀測的區(qū)域計算MXN點圖像中每個像素點所代表的物理位置的坐標；(2)被掃描物理位置為MXN大小的圖像中像素點所表示的物理位置，根據(jù)步驟(1)中得到的坐標結(jié)果，計算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的聲程，進而得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的時延量，同時計算出由于采樣率不能無限大而帶來的殘余時延因子；(3)根據(jù)步驟O)中得到的時延量從RAM中取出該掃描位置在各個接收陣元中的回波數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)步驟(2)中得到的殘余時延因子，利用相位補償?shù)姆椒▽Σ襟E(3)中取得的回波數(shù)據(jù)進行殘余時間差的補償；(5)將步驟中計算得到的各個接收通道相位補償后的回波數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和運算，得到MXN大小的圖像中像素點的強度值；(6)重復(fù)步驟O)、(3)、(4)、(5)得到MXN大小的圖像所有像素點的強度值，從而完成一幅圖像，若目標處于某網(wǎng)格，則改點便出現(xiàn)一亮點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像聲納的時延、相移波束形成的FPGA實現(xiàn)方法，其特征是所述的進行殘余時間差的補償?shù)腇PGA實現(xiàn)方法為采用坐標旋轉(zhuǎn)計算機算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圖像聲納中的時延、相移波束形成的FPGA實現(xiàn)方法，其特征是所述計算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的聲程的FPGA實現(xiàn)方法為采用兩點間距離公式，其中在利用兩點間距離公式進行開方時，F(xiàn)PGA采用二進制手工開方的算法。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種圖像聲納的時延、相移波束形成的FPGA實現(xiàn)方法。計算一幅M×N大小的圖像中每個像素點所代表的物理位置的坐標；計算聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的聲程，進而得到聲波從發(fā)射器出發(fā)經(jīng)被掃描物理位置反射回到各個陣元的時延量，同時計算出由于采樣率不能無限大而帶來的殘余時延因子；利用相位補償?shù)姆椒▽Ω鱾€接收單元中的回波信號進行殘余時間差的補償；將各個接收通道進行時延和相位補償后的信號進行加權(quán)求和運算；得到M×N大小的圖像所有像素點的強度值。該方法可以在遠場和近場條件下進行高精度的時延，并且可以實時的獲得目標的距離和方位信息。
文檔編號G01S7/539GK102508230SQ20111032018
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者劉鑫, 孫大軍, 張友文, 張殿倫, 曹忠義, 李想, 滕婷婷, 田原 申請人:哈爾濱工程大學