便携式多波束测深仪实时波束形成技术研究与实现

发布时间：2020-07-19 01:21

【摘要】：多波束测深系统是一种具有高效，高测量精度的用于海底地形测绘的设备，它是在回声测深仪的基础上发展起来的。特别适合于大面积的扫海测量工作。提供一种快速、高分辨率的多波束形成器是多波束测深系统的重要组成部分。使用有效的离散傅立叶变换(DFT) 波束形成算法，可以对均匀线列水听器的窄带信号实现数字相移波束形成。但是，相移波束形成只是在基阵孔径和控制角度所限定的有限带宽内才能真正近似于延迟-相加控制。本论文将讨论一种使用相移和时延的多波束数字波束形成技术，这种技术是为超过相移限制的带宽而设计的。本波束形成器使用快速DFT实现在结构上把基阵具体分解成若干子阵的相移，使其适合硬件的快速并行处理。再用内插法进行有限量的延迟控制。结果比代替内插法延迟-相加控制的其他方案大大减少了数字运算量。波束形成是一种数据密集型算法，随着基阵传感器数目和波束形成数目的增多，对硬件平台的要求就更加苛刻。在回波信号周期内，为了给后面留出更多的处理时间，必须要求波束形成的时间在有限的时间内完成。相移时延混合式波束形成算法本身非常适合阵列处理机并行处理。根据该算法的特点，本文设计了一个阵列处理平台，并在提高算法的运算速度上进行了研究。 TMS320C6711是TMS320C6000系列中的浮点处理器。其在150MHz的工作频率下最高可以达到每秒900兆浮点处理能力(MFLOPS)。本论文基于九个TMS320C6711设计了一个通用阵列处理器，并完成了10层PCB。每个处理单元通过共享存储器与其相邻的处理器进行数据通信。主机可以通过DSP的主机接口(HPI)访问每个处理单元。在该平台移植相移-时延波束形成算法时，可以根据实际运算量大小而决定处理器的个数和硬件规模。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：P715
【图文】：

波束,波束形成器,来波,波束输出

、、{{{DDDFTTT2表示一个8成器输出16图2.1DFT波束形成图基元均匀线列阵的波束输出图，(基元sin味=兄入刁个波束，;为波束号:=一8，一7，.，.，7。每个_.__。…_兄1，，，且又口二元/Z，则sln日，=，，二:.r=，r。1阪刀口8信号，方向角为0=23’，从图中看出该波束输出中第、，一。、，_一，~一、_.3、.1800为匕四欲宋程制用龄=arcS1n(目不—=石汀22.0243。最接

输出波形,输出波形,最大响应,波束形成

f0一Nd}sin珠}由公式(2一9)’口劳反比于基阵‘L径Nd‘口束控角Sin珠，结果使各个频的最大值指向不一致。例如犯基元均匀线列阵的DFT波束形成图，FFT的点数为N，=犯，为CW脉冲，频率为10KHz，脉冲宽度为sooms，阵元间距为半个波长。波束宽度sine，/:=兄/(Nld)=0.0313可计算出上述情况满足公式(2一9)。.3一a是第27号波束的输出，波束控制角为sino，二0.625，图2.3一a中的最应角也是sin夕二0.625。而在同样条件下换成一个线性调频信号，带宽，则不满足公式(2一9)，则图2.3一b反映出第27号波束的最大响应角sine二0.6445，最大响应角的偏离超出了半波束宽度sinel/2。要使系统工作于宽频条件。则需要使用延迟求和波束形成或者频域波成法。

对比图,波束形成,对比图,主瓣宽度

可以增大相干波前相对于背景噪声及指向性干扰的幅度。在求和之前适当的对传感器的输出进行束控或幅度加权可以进一步的提高空间选择性。图2.5左图是20基元均匀线列阵32点DFT一个波束形成图，未加权。右图加上了Dolph一chebyshev权系数，使旁瓣控制在一35dB以下。但带来的代价是波束主瓣宽度增大了。所以旁瓣级和主瓣宽度之间要有个折中。图2.5加权波束形成对比图

【引证文献】