【摘要】：圖像聲納是水下目標(biāo)搜索、定位成像、避險救生、警戒安防等應(yīng)用領(lǐng)域中的主要探測設(shè)備,在國民生產(chǎn)、國家安全領(lǐng)域均發(fā)揮著不可替代的作用。隨著圖像聲納技術(shù)和電子信息技術(shù)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?qū)掝l帶過渡。隨著應(yīng)用領(lǐng)域和工作環(huán)境的不斷擴展延伸,圖像聲納在設(shè)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、計算精度等要求也在不斷提高。然而由于浮點運算速度相對較慢、計算結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,在水聲信號處理領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)高速大規(guī)模浮點處理算法及應(yīng)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(yù)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(shù)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(shù)研究,以便為未來寬帶圖像聲納的設(shè)計工作提供指導(dǎo)性意見。本文在回顧了窄帶圖像聲納技術(shù)發(fā)展、寬帶圖像聲納定點信號處理研究以及傳統(tǒng)浮點信號處理研究的基礎(chǔ)上,以高速浮點寬帶圖像聲納信號處理應(yīng)用為背景,對多通道浮點脈沖壓縮、分布式浮點分?jǐn)?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(jié)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(shè)計復(fù)雜難以實際應(yīng)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(shè)計實現(xiàn)了可靈活配置與剪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)的主主要性能與關(guān)鍵參數(shù)。為實現(xiàn)列高精度的時延波束形成,結(jié)合分?jǐn)?shù)時延濾波原理,對適合FPGA應(yīng)用的分?jǐn)?shù)時延濾波器系數(shù)設(shè)計算法進行了比較。分析了經(jīng)典的Farrow結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)時延濾波器,針對其結(jié)構(gòu)復(fù)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(guān)鍵性能。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(yīng)用的快速移位樹、浮點4-2壓縮器、分布式浮點累加器等關(guān)鍵運算單元。綜合設(shè)計了不同構(gòu)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(jié)合,仿真分析了浮點分?jǐn)?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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、提高整體處理速度。通過對浮點多通道脈沖壓縮系統(tǒng)、分布式浮點時延濾波器及多通道浮點波束形成器進行綜合,構(gòu)成了一個寬帶圖像聲納的浮點信號處理測試系統(tǒng),通過硬件測試和水池實驗對其工作原理及主要性能進行了分析驗證。
[Abstract]:Image sonar is the main detection equipment in the application fields of underwater target search, positioning imaging, risk-avoiding life-saving and alert security, and plays an irreplaceable role in the national production and national security field. With the development of the image sonar technology and the electronic information technology, the signal processing method has changed from the full-analog device beam to a full-digital real-time beam forming, and the working system has gradually developed into the electronic multi-beam imaging by the mechanical single-beam scanning, The operating frequency is from the narrow band single frequency to the wide band transition. With the continuous extension of the application field and the working environment, the image sonar is gradually reduced in the volume of the equipment, and the requirements of the dynamic range and the calculation precision of the digital signal processing are also increasing. However, because the operation speed of floating point is relatively slow, the calculation structure is relatively complex, and the research of high-speed large-scale floating point processing algorithm and application in the field of underwater acoustic signal processing is less common, especially in the broadband image sonar. It is foreseen that with the development of the image sonar, the broadband, floating-point, high-speed and miniaturization have become the inevitable choice of technology in the future. Therefore, it is necessary to develop a high-speed floating-point signal processing technique suitable for wide-band image sonar in advance so as to provide guidance for the design of the future broadband image sonar. Based on the review of the technology development of the narrow-band image sonar, the fixed-point signal processing of the broadband image sonar and the traditional floating-point signal processing, the multi-channel floating-point pulse compression is applied to the background of the high-speed floating-point broadband image sonar signal processing application. The theory and experiment of distributed floating point fractional delay filtering and multi-channel floating-point beam forming are studied. In this paper, the main performance of single-channel time-domain and frequency-domain pulse compression on DSP and FPGA is compared. The multi-channel signal processing framework based on on-chip programmable system (SOPC) is proposed in order to solve the problem that the multi-channel frequency-domain pulse compression resource has large occupation and complex control design. And a floating-point multi-channel pulse compression system capable of flexibly configuring and cutting is realized by utilizing the framework design. The main performance and key parameters of the floating-point multi-channel pulse compression system under different working parameters are analyzed. In order to realize the high-precision time-delay wave beam formation, the fractional delay filter coefficient design algorithm for FPGA application is compared with the principle of fractional delay filtering. The classical Farrow structure fractional delay filter is analyzed, and the distributed floating point time delay filter is proposed based on the principle of distributed algorithm. The computational accuracy, dynamic range and resource occupancy of the distributed floating-point time-delay filter under different time-and-space optimization schemes are studied. In order to complete the high-speed floating-point beam forming operation, the problems of the conventional floating-point multiplier and floating-point accumulator are analyzed. The key arithmetic units, such as fast-shift tree, floating-point 4-2 compressor, and distributed floating-point accumulator, which are more suitable for application on FPGA are put forward. In this paper, several multi-channel floating-point beam former in different configurations are designed, and the main performance of the floating-point fractional delay-beam former is analyzed by combining with the distributed floating-point time-delay filter. The direct sector address generation and data caching algorithm is studied, so that the digital signal processing structure of the wideband image sonar is optimized, and the overall processing speed is improved. the floating-point multi-channel pulse compression system, the distributed floating-point delay filter and the multi-channel floating-point beam former are combined to form a floating-point signal processing test system of a broadband image sonar, The working principle and main performance of the system are analyzed and verified by hardware test and pool experiment.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB56

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本文編號：2439792