寬帶圖像聲納高速浮點信號處理技術研究.pdf

1、圖像聲納是水下目標搜索、定位成像、避險救生、警戒安防等應用領域中的主要探測設備，在國民生產(chǎn)、國家安全領域均發(fā)揮著不可替代的作用。隨著圖像聲納技術和電子信息技術的不斷發(fā)展，其信號處理方式已由全模擬器件波束形成變?yōu)槿珨?shù)字化實時波束形成，其工作體制已逐漸由機械單波束掃描發(fā)展為電子多波束成像，工作頻率由窄帶單頻開始向寬頻帶過渡。隨著應用領域和工作環(huán)境的不斷擴展延伸，圖像聲納在設備體積逐漸小型化的同時，對于數(shù)字信號處理的動態(tài)范圍、計算精度等要求也

2、在不斷提高。然而由于浮點運算速度相對較慢、計算結構相對復雜，在水聲信號處理領域內(nèi)有關高速大規(guī)模浮點處理算法及應用的研究較少見，尤其是在寬帶圖像聲納中的研究成果就更少?？梢灶A見，隨著圖像聲納的不斷發(fā)展，寬帶化、浮點化、高速化、小型化已成為其未來必然的技術選擇。因此有必要提前展開適合于寬帶圖像聲納采用的高速浮點信號處理技術研究，以便為未來寬帶圖像聲納的設計工作提供指導性意見。
　　本文在回顧了窄帶圖像聲納技術發(fā)展、寬帶圖像聲納定點信號

3、處理研究以及傳統(tǒng)浮點信號處理研究的基礎上，以高速浮點寬帶圖像聲納信號處理應用為背景，對多通道浮點脈沖壓縮、分布式浮點分數(shù)時延濾波和多通道浮點波束形成進行了理論和試驗研究。
　　結合匹配濾波理論，分析比較了在 DSP及 FPGA器件上分別進行單通道時域和頻域脈沖壓縮的主要性能。針對多通道頻域脈沖壓縮資源占用大、控制設計復雜難以實際應用的問題，提出了基于片內(nèi)可編程系統(tǒng)(SOPC)的多通道信號處理框架。利用該框架設計實現(xiàn)了可靈活配置與剪

4、裁的浮點多通道脈沖壓縮系統(tǒng)。分析實驗了不同工作參數(shù)下，該浮點多通道脈沖壓縮系統(tǒng)的主要性能與關鍵參數(shù)。
　　為實現(xiàn)更高精度的時延波束形成，結合分數(shù)時延濾波原理，對適合FPGA應用的分數(shù)時延濾波器系數(shù)設計算法進行了比較。分析了經(jīng)典的Farrow結構分數(shù)時延濾波器，針對其結構復雜、難于浮點化改造的問題，基于分布式算法原理提出了分布式浮點時延濾波器。研究了不同時間優(yōu)化和空間優(yōu)化方案下分布式浮點時延濾波器的計算精度、動態(tài)范圍及資源占用等關鍵

5、性能。
　　為完成高速浮點波束形成運算，分析了傳統(tǒng)浮點乘法器、浮點累加器等運算單元存在的諸多問題。提出了更適于在FPGA上應用的快速移位樹、浮點4-2壓縮器、分布式浮點累加器等關鍵運算單元。綜合設計了不同構型下的幾種多通道浮點波束形成器，通過與分布式浮點時延濾波器相結合，仿真分析了浮點分數(shù)時延波束形成器的主要性能。
　　研究了直接扇形地址產(chǎn)生和數(shù)據(jù)緩存算法，從而對寬帶圖像聲納數(shù)字信號處理結構進行優(yōu)化、提高整體處理速度。通過對