CN102508230A - 图像声纳中时延、相移波束形成的fpga实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种图像声纳的时延、相移波束形成的FPGA实现方法。计算一幅M×N大小的图像中每个像素点所代表的物理位置的坐标；计算声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的声程，进而得到声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的时延量，同时计算出由于采样率不能无限大而带来的残余时延因子；利用相位补偿的方法对各个接收单元中的回波信号进行残余时间差的补偿；将各个接收通道进行时延和相位补偿后的信号进行加权求和运算；得到M×N大小的图像所有像素点的强度值。该方法可以在远场和近场条件下进行高精度的时延，并且可以实时的获得目标的距离和方位信息。

Description

图像声纳中时延、相移波束形成的FPGA实现方法

技术领域

本发明涉及FPGA技术，图像声纳技术，具体的说是一种应用于图像声纳中的时延、相移波束形成的FPGA实现方法。

背景技术

现有的波束形成的FPGA(现场可编程门阵列)实现方法，大多是基于DFT(离散傅里叶变换)波束形成方法。此类波束形成的不足在于此方法是基于远场平面波的，在近场条件下，声波服从球面波传播规律，若直接采用此类方法则方位分辨力变差。杨长根在硕士论文【杨长根，基于FPGA的声成像算法研究与实现，哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文(CNKI)，2009】采用了一种近场聚焦波束形成方法，该方法在进行波束形成时在某一方向进行了一定的相位补偿，该方法实现方便，运算量不大，适合工程运用，但其只能够对某一个波束方向进行相位补偿，不能对所以波束角进行精确相位补偿，所以当扇面较宽时，方位分辨力变恶劣。惠娟等人【惠娟，胡丹，惠俊英，殷敬伟，聚焦波束形成声图测量原理研究，声学学报，2007】研究的聚焦波束形成适合近场，补偿的是球面波的时延差，但仅进行了计算机仿真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于图像声纳的时延波束形成的FPGA实现。可以在远场和近场条件下进行高精度的时延波束形成的FPGA实现方法，并且可以实时的获得目标的距离和方位信息。

本发明的目的是这样实现的：

(1)根据所要观测的区域计算M×N点图像中每个像素点所代表的物理位置的坐标，如果要求图像大小为1024×768，则M＝1024，N＝768；如果要求图像大小为600×600，则M＝600，N＝600；

(2)被扫描物理位置为M×N大小的图像中像素点所表示的物理位置，根据步骤(1)中得到的坐标结果，计算声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的声程，进而得到声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的时延量，同时计算出由于采样率不能无限大而带来的残余时延因子；

(3)根据步骤(2)中得到的时延量从RAM(随机存取存储器)中取出该扫描位置在各个接收阵元中的回波数据；

(4)根据步骤(2)中得到的残余时延因子，利用相位补偿的方法对步骤(3)中取得的回波数据进行残余时间差的补偿；

(5)将步骤(4)中计算得到的各个接收通道相位补偿后的回波数据进行加权求和运算，得到M×N大小的图像中像素点的强度值；

(6)重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)得到M×N大小的图像所有像素点的强度值，从而完成一幅图像，若目标处于某网格，则改点便出现一亮点。

为实现本发明的目的，需要得到声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的声程。该声程由两部分组成：发射器到被扫描物理位置的声程与接收阵元到被扫描物理位置的声程。其中求距离的方法可以采用两点间距离公式，也可以采用三角函数，但计算结果的精度要满足要求。其中利用FPGA求距离的方法采用二进制手工开方的算法，此算法只利用加减法、移位来实现，不需要进行乘除法运算，并且可以得到高精度的计算结果。

为实现本发明的目的，得到高精度的时延，需要进行残余时延量的补偿。其补偿过程与坐标平面旋转过程相当，采用CORDIC(Coordinate Rotational Digital Computer，坐标旋转计算机)算法来实现。此算法将复杂的算术运算转换为简单的加减法和移位操作，然后逐渐逼近结果，适合利用FPGA实现，并且此方法可以很好的兼顾精度、速度和FPGA资源。

所述的图像是在进行波束形成后形成一幅M×N大小的图像，并进行开角为90°的扇形显示；

所述的时延是发射机到被扫描物理位置的声波传播时延与接收阵元到被扫描物理位置的声波传播时延的和，该被扫描物理位置为图像像素点所表示的物理位置；

所述的相移是利用相位补偿的方式来补偿由于采样率不能无限大所带来的时延残差，进而得到高精度的时延；

所述的FPGA是对得到的数字信号进行时延、相移波束形成算法。

本发明的特点是利用FPGA实现时延、相移波束形成。该方法可以在远场和近场条件下进行高精度的时延，并且可以实时的获得目标的距离和方位信息。

附图说明

图1是本发明的时延、相移波束形成模型示意图；

图2是本发明的波束形成的FPGA内部实现流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

在本发明优选实例中，如图1所示，时延、相移波束形成后得到得到一幅M×N大小的图像，并进行开角为90°的扇形显示，其中M＝600，N＝600。

如图2所示，一种应用于图像声纳的时延、相移波束形成的FPGA硬件实现流程示意图，其进行波束形成算法的方法如下：

图像大小为M×N，量程为R，假设图像中某像素点的索引值坐标为(index_x，index_y)，则可以得到该像素点所表示的物理位置的坐标为(x_t，y_t)，其中

$x_t=\mathrm{index}\_x*\frac{2*R}{M*\sqrt{2}}---\left(1\right)$

$y_t=\mathrm{inde}x\_y*\frac{2*R}{M*\sqrt{2}}---\left(2\right)$

其中R表示所要观测的最大距离，也即量程；index_x，index_y分别表示像素点的水平坐标和垂直坐标，1≤index_x≤M，1≤index_y≤N；(x_t，y_t)表示屏幕像素点所对应的物理坐标，x_t，y_t分别表示水平坐标和垂直坐标，-R≤x_t≤R，0≤y_t≤R；

由于阵元的坐标(α_i，0)i＝1·N为已知，则可以计算出发射机到被扫描物理位置的声波传播时延与第i个阵元到被扫描物理位置的声波传播时延的和τ_i，该物理位置为像素点所表示的物理位置。

${\mathrm{\τ}}_i=(\sqrt{{(x_t-a_i)}^2+{y_t}^2}+\sqrt{{x_t}^2+{y_t}^2})/c---\left(3\right)$

D_i＝τ_i*fs                  (4)

其中(α_i，0)表示换能器阵元的坐标，i表示阵元号，i＝1·N，α_i表示阵元的水平坐标；c表示水中声速；τ_i表示时延量，f_s表示系统的采样频率；D_i为时延对应的采样点数。

根据(4)式依次取出各阵元的输出。式(4)的计算需要FPGA进行开方运算，此公式计算结果的整数部分为各接收通道所需延时的时延量也即寻址的RAM的地址，计算结果的小数部分为所需补偿的残余时间差。所以对开方结果的精度有一定的要求。公式(4)的FPGA求解可以有四种方法。

第一种方法。利用公式(4)，进行开方运算时调用FPGA内部例化的开方模块。但此开方运算只能准确的得到整数部分，在不进行残余时延量补偿或采用高采样率时可以采用此方法。

第二种方法。首先利用CORDIC(Coordinate Rotational Digital Computer，坐标旋转计算机)算法的向量模式根据像素点的坐标进行开方运算。计算结果开方的小数部分精度不能满足要求。当采用高采样率时可以采用此方法。

第三种方法。首先利用CORDIC算法根据像素点所代表的物理坐标求出图1中的θ角，进而得到cosθ，然后利用

即可得到所求距离。在进行求解过程中可以得到高精度的θ，cosθ，但在利用公式

求解时小数项计算结果精度不能满足要求，其中θ表示屏幕像素点与发射机连线与垂直方向的夹角。

第四种方法。利用公式(4)，在进行开方运算时利用二进制手工开方的算法，此算法只利用移位、加减法来实现，不需要进行乘除法运算，并且可以得到高精度的时延量和相位补偿量。适用于采样率不高的情况下。

由于进行采样过程中，采样率不能无限大，所以τ_i*f_s可能出现非整数部分，在对回波信号进行时延时，回波信号会出现((τ*fs)-floor(τ*fs))/fs的时间残差，为了提高时延的精度，通过相位补偿的方式来补偿此时间残差。此相位补偿的过程与坐标平面旋转相当，所以在利用FPGA实现相位补偿时，采用CORDIC算法，此算法将复杂的算术运算转换为简单的加减法和移位操作，然后逐渐逼近结果。此方法可以很好的兼顾精度、速度和硬件复杂度。

将进行了残余时延量补偿后的各阵元输出信号进行求和。当图像像素点所表示的物理位置与目标的物理位置相同时，各阵元输出形成同相迭加，得到输出峰值，图像表现为一个亮点。

重复上述步骤，逐次计算屏幕每一个像素点的强度值，最后得到一幅M×N大小的图像。

Claims (3)

1.一种图像声纳中的时延、相移波束形成的FPGA实现方法，其特征是包括如下步骤：

(1)根据所要观测的区域计算M×N点图像中每个像素点所代表的物理位置的坐标；

(2)被扫描物理位置为M×N大小的图像中像素点所表示的物理位置，根据步骤(1)中得到的坐标结果，计算声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的声程，进而得到声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的时延量，同时计算出由于采样率不能无限大而带来的残余时延因子；

(3)根据步骤(2)中得到的时延量从RAM中取出该扫描位置在各个接收阵元中的回波数据；

(4)根据步骤(2)中得到的残余时延因子，利用相位补偿的方法对步骤(3)中取得的回波数据进行残余时间差的补偿；

(5)将步骤(4)中计算得到的各个接收通道相位补偿后的回波数据进行加权求和运算，得到M×N大小的图像中像素点的强度值；

(6)重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)得到M×N大小的图像所有像素点的强度值，从而完成一幅图像，若目标处于某网格，则改点便出现一亮点。

2.根据权利要求1所述的图像声纳的时延、相移波束形成的FPGA实现方法，其特征是所述的进行残余时间差的补偿的FPGA实现方法为：采用坐标旋转计算机算法。

3.根据权利要求1或2所述的图像声纳中的时延、相移波束形成的FPGA实现方法，其特征是所述计算声波从发射器出发经被扫描物理位置反射回到各个阵元的声程的FPGA实现方法为：采用两点间距离公式，其中在利用两点间距离公式进行开方时，FPGA采用二进制手工开方的算法。

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