基于FPGA的相控发射实现及三维声成像技术仿真研究

论文摘要

三维声成像技术在水下目标探测与识别中发挥着重要的作用,与一维、二维声纳不同,三维成像声纳可获得水下三维图像,确定目标的距离、方位角和俯仰角的三维坐标,因此三维成像声纳为水下目标定位、水下载体有效避碰等方面提供了更有效的手段和更全面的信息。发射线阵和接收线阵组成一个“T”型阵,形成相控阵三维声成像系统。本文围绕本系统在FPGA硬件平台上实现了相控发射,并在matlab平台上对三维声成像算法进行了仿真。本文首先研究了相控发射原理,利用FPGA实现了对32基元相控发射机的控制,在垂直方向每1°进行一次相控扫描,扫描区域为-10°-+10。,并利用示波器进行相邻基元实际时延与理论时延的误差测量,结果表示满足设计要求。然后,本文对相控阵三维声成像算法进行了研究,三维声成像算法主要基于波束形成技术,具有160个接收通道,方位分辨率达到0.5°。其次,对算法中运用到的正交解调、幅度加权、近场聚焦、波束形成及扇形变换技术进行了仿真分析。最后针对点目标和体目标进行了二维和三维声成像算法仿真,仿真结果表明：该算法能够正确对点目标和体目标进行成像,仿真测得目标位置信息与仿真参数一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 三维成像声纳发展现状
• 1.3 论文内容安排
• 第2章 相控发射基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 波束形成基本原理
• 2.3 相控发射原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于FPGA的相控发射实现
• 3.1 FPGA结构与基本原理
• 3.2 FPGA结构与基本原理
• 3.3 FPGA设计步骤
• 3.4 基于VERILOG HDL的相控发射模块实现
• 3.4.1 时钟模块
• 3.4.2 延时模块
• 3.4.3 波束形成模块
• 3.4.4 顶层文件
• 3.5 硬件调试及仿真对比结果
• 3.5.1 Signal Tap在线调试结果
• 3.5.2 示波器测量结果
• 3.5.3 波束指向性仿真对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 三维声成像算法仿真
• 4.1 引言
• 4.2 三维声成像算法原理
• 4.2.1 正交解调
• 4.2.2 幅度加权
• 4.2.3 近场聚焦波束形成
• 4.2.4 扇形变换
• 4.3 三维声成像算法仿真
• 4.3.1 点目标三维成像仿真
• 4.3.2 体目标三维成像仿真
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录