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基于FPGA的高分辨多子阵检测算法的快速实现

作　者: 于海鑫
导　师: 李海森
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: FPGA 高分辨多子阵检测算法快速实现
分类号: TP274.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 101次
引　用: 3次
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内容摘要

高分辨多子阵检测算法是一种估计精度高、分辨能力强、在实际应用于海底地形探测中可靠性高的新技术。该算法不同于传统方法,它将一个多元直线阵划分成多个重叠的子阵,对每个子阵都分别进行波束形成,将所有感兴趣方向的数据进行幅度和方位估计,但是该算法运算量相当大,即使采用高速DSP,单只处理器也难以完成实时运算。为此,本文围绕这种高分辨海底地形估计算法的实时实现问题展开重点研究,并提出一种DSP结合FPGA的快速实现方法。该方法以FPGA为核心处理平台,利用其完成结构固定的基于数据流的算法以及数据量庞大的矩阵运算,这样充分利用FPGA的特点和优势,节省了资源并且极大地提高了工作效率,改善了检测性能,解决了实际工程中该算法难以实时实现的问题。系统的设计基于Altera公司的CycloneⅡ系列芯片EP2C50F484作为硬件平台,所实现的算法部分包括19阶希尔伯特变换器、数据平滑、窗函数加权、数据缓冲、补零及FFT波束形成等功能模块,而且为了提高系统实时处理能力,还进一步完成基于多子阵幅度-相位联合检测算法的重叠子阵的形成、固有相位补偿和相位差序列求解部分的设计。整个设计内容已经实际应用于高分辨浅水多波束测深系统,其硬件平台先后多次经过计算机仿真验证,并在哈尔滨工程大学水池、无锡721厂消声水池、浙江莫干山水库和吉林松花湖进行实际的水下测试及航行实验,验证了系统的功能、指标及稳定性,取得了令人满意的效果,试验结果证明本文提出的方法不仅运算效率高,而且具有很好的稳定性和可靠性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 论文的研究背景及意义  10-11
  1.2 多波束测深系统的发展及研究现状  11-14
  1.3 高分辨海底地形探测技术  14-15
  1.4 FPGA实现的优越性  15-17
  1.5 本文研究的主要内容  17-19
第2章 FPGA结构原理与开发技术  19-29
  2.1 FPGA器件基本结构与性能特点  19-21
    2.1.1 FPGA的基本结构  19-20
    2.1.2 FPGA器件的性能特点  20-21
  2.2 CycloneⅡ系列FPGA芯片简介  21-25
  2.3 硬件语言Verilog HDL  25
  2.4 基于FPGA的系统的开发  25-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章高分辨多子阵检测算法原理  29-38
  3.1 波束形成基本原理  29
  3.2 传统多波束测深系统的测深算法及其弊端  29-30
  3.3 高分辨多子阵检测算法  30-37
    3.3.1 多波束测深的基本原理  30-32
    3.3.2 分裂子阵检测法原理  32-33
    3.3.3 多子阵幅度相位联合检测法原理  33-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章多子阵检测算法的FPGA设计及实现  38-66
  4.1 系统的整体结构设计  38-39
  4.2 FPGA内部逻辑模块化设计  39-65
    4.2.1 数据缓冲  39-40
    4.2.2 希尔伯特变换器  40-44
    4.2.3 平滑模块  44-47
    4.2.4 形成重叠子阵部分  47-50
    4.2.5 系数加权  50-52
    4.2.6 补零模块  52
    4.2.7 FFT模块  52-60
    4.2.8 相位差的求解  60-63
    4.2.9 数据结果上传单元  63-65
  4.3 本章小结  65-66
第5章 FPGA实时信号处理系统性能分析  66-77
  5.1 算法仿真结果  66-68
  5.2 FPGA运行结果  68-70
  5.3 算法运算量实时实现分析  70-71
  5.4 系统情况与湖试结果  71-76
    5.4.1 实验系统情况介绍  71-72
    5.4.2 实验结果  72-76
  5.5 本章小结  76-77
结论  77-79
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  79-80
参考文献  80-84
致谢  84

基于FPGA的高分辨多子阵检测算法的快速实现

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