多波束形成方法及其实现

阵发射角度的偏转。文中介绍一种利用 ＦＰＧＡ 芯片来实现旋转单波束方式的发射波束。该方法设计简单、可靠， 经过
实验测试， 整机达到了预期的效果， 验证了发射波束形成方法的正确性。
关键词： 相控阵； ＦＰＧＡ 器件； 波束形成
中图分类号： ＴＮ９１１．７
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－３６３０（ ２００７） －０２－０３１５－０５
其－ ３ｄＢ 开角的表达式为：
３１６
声
学
技
术
２００７年
!!－ ３ｄＢ＝２ａｒｃｓｉｎ（
０．４４" Ｎｄ
）
（ ２）
当 Ｎｄ＞＞λ时， 则
!!－
３ｄＢ＝５０．４２
" Ｎｄ
（ ３）
用上式所表示的－ ３ｄＢ 开角的单位为（ °） 。
若要保证当 θ在－ ９０°～＋９０°范围内指向 性 不 出
现副极大， 则应满足：
如果要形成偏离法线方向 θ（ 波束在法线左侧时
θ为负， 在法线右侧时 θ为正） 角方向的发射波 束 ， 则第 ｉ＋１ 个阵元与第 ｉ 个 阵 元 发 射 的 时 间 差 为 ： #＝ ｄ×ｓｉｎθ／ｃ。当 τ为正时， 第 ｉ＋１ 个阵元比第 ｉ 个阵元延 迟发射； 当 τ为负时， 第 ｉ＋１ 个阵元比第 ｉ 个阵元超 前发射。
Ｍｕｌｔｉ－ｂｅａｍ ｆｏｒ ｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＬＵＯ Ｙｕ－ｌａｎ， ＪＩＮＧ Ｙｏｎｇ－ｇａｎｇ， ＸＵ Ｗｅｉ－ｊｉｅ
（ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ， Ａｃａｄｅｍｉａ Ｓｉｎｉｃａ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３２， Ｃｈｉｎａ）
如 ， 当 Ｎｄ＝２０λ时 ， 若 θＥ＝０， 则－ ３ｄＢ 开 角 为 ２．５２１°； 若 θＥ＝３０°， 则 － ３ｄＢ 开 角 为 ２．９１２°； 若 θＥ＝４５°， 则 － ３ ｄＢ 开角为 ３．５６８°。为了避免声轴偏转时波束展得很
宽， 声轴的偏转角 θＥ 最好限制在±４５°的范围内。 若要保证当 θ在±９０°范围内指向性不出现副极
Ｔ
ＴＸｉ百度文库－ ４５°
－ ４４°
－ ４３°
＋４５°
图 ２ 第 ｉ 个通道的发射波形示意图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｆｏｒ ｃｈａｎｎｅｌ ｉ
对一个 Ｎ 阵元的等间隔线阵， 若阵元的间距为 ｄ， 第 ｋ 个角度的发射波束在基阵法线左 θｋ 方向， 第 ｉ 个 阵元的发射波形应较第 Ｎ 个阵元的发射波形落后：
"ｋ， ｉ＝（ ｉ－ １）
ｄｓｉｎθｋ ｃ
（ ７）
图 ３ 是点阵元数为 ４８， 阵元间距为 ７５／１８０ 个 波长， 正对基阵法线方向的发射指向性。
Ｄ（ Ｔｈｅｔａ） １ －９ －８ －７ －６ －５ －４ －３ －２
－ ６０ － ４０ － ２０ ０
２０ ４０ ６０
Ｔｈｅｔａ／ＤＥＧ
图 ３ ０°方向的发射指向性图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｔ ０°
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｉｎ ｓｏｎａｒ， ｐｈａｓｅｄ ｄｅｆｌｅｘｉｏｎ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｆｏｒｍ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ／ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｂｅａｍｓ ｉｎ ｄｉｆｆ－ ｅｒｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ． Ｄｅｆｌｅｘｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ａｒｒａｙ ｂｅａｍｓ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｂｅａｍｓ ｔｈａｔ ｒｏｔａｔｅｓ ｓｉｎｇｌｅ ｂｅａｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ； ＦＰＧＡ ｄｅｖｉｃｅｓ； ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ
"１， ４７＝７．７１８ ４２６!ｓ 即当发射声波波束偏转角为－４４°时， 相邻两个 通道的发射包络信号的时延应为 ７．７１８ ４２６μｓ。 若选用 ２０ＭＨｚ 晶振作为 ＦＰＧＡ 的时钟信号， 当 相 邻 两 个 通 道 的 发 射 信 号 时 延 为 ７．７１８ ４２６μｓ 时 ， 计数器要 １５４．３６８ ５ 次分频， 由于计数器必须取整 数， 则 计 数 器 取 １５４ 次 分 频 ， 实 际 时 延 为 ７．７μｓ， 发 射声波波束角度为－ ４３．８６８ １°， 此时发射角度误差为 ２．９９７ ７‰； 若选用 ６０ＭＨｚ 晶振作为 ＦＰＧＡ 的时钟信号， 计数器取 ４６３ 次分频， 则实际时延为 ７．７１６ ６６７μｓ， 发射声波波束角度为－ ４３．９８７ ４°， 此时发射角度误差 为 ０．２８６ ４‰。 本 文 中 选 用 ６０ＭＨｚ 晶 振 作 为 ＦＰＧＡ 的时钟信号。
选用 Ｃｙｃｌｏｎｅ 器件系列中的 ＥＰ１Ｃ６ 型 ＦＰＧＡ 来 作为发射波形形成器 ＧＥＮ 的核心器件。ＦＰＧＡ 内部 的编程框架由 ＲＳ２３２ 单 元 、时 钟 单 元 、延 时 控 制 单 元和波形形成单元等四部分构成， 如图 ４ 所示。
图 ４ 声呐发射系统组成原理性方框图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｏｎａｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ｄ≤λ
若要保证任何旁瓣的高度不超过第一个旁瓣的
高度（ 约为－ １４ｄＢ） ， 则应满足
ｄ≤（ Ｎ－１） λ／Ｎ
若要保证旁瓣一个比一个低， 则应满足
ｄ≤λ／２
２．２ 由 Ｎ 个无方向性阵元组成的等间隔线阵声轴
电偏转后的指向性
当 工 作 频 率 为 Ｆ， 声 轴 偏 转 角 为 θＥ 时 ， 其 指 向 性为：
#ｋ， ｉ＝（ Ｎ－
ｉ）
ｄｓｉｎθｋ ｃ
（ ６）
由于因果律的约束无法提供负的延迟（ 即超前） ， 因 此 当 第 ｋ 个 角 度 的 发 射 波 束 在 基 阵 法 线 右 θｋ
第２期
罗玉兰等： 多波束形成方法及其实现
３１７
（ θｋ≥０） 方向， 第 ｉ 个阵元的发射波形应较第 １ 个阵 元的发射波形落后：
２．１ 由 Ｎ 个无方向性阵元组成的等间隔线阵的指 向性
当工作频率为 Ｆ 时， 其指向性 ＤＬ（ θ） 为［１］：
ｓｉｎ（ Ｎ! ｄ ｓｉｎ（ θ） ）
ＤＬ（ θ） ＝
" Ｎｓｉｎ（ ! ｄ ｓｉｎ（ θ） ）
（ １）
"
其 中 ： 波 长 "＝ｃ／Ｆ， ｃ 为 声 波 在 水 中 的 传 播 速 度 。
周期 Ｔ
ＴＸ４８ － ４５°
ＴＸ４７
－ ４５°
－ ４５° － ４５°
－ ４４° － ４４°
图 ５ 相邻两个通道的发射包络信号示意图 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｃｈａｎｎｅｌｓ
下面举例来说明 ＦＰＧＡ 的工作原理。设产生的 发射包络信号参数 ： 周 期 为 １ｓ、脉 宽 为 ０．５ｍｓ、发 射 声波波束角度为－ ４４°（ 扫描扇面为－ ４５°～＋４５°， 共 ９１ 个角度） 、共 ４８ 个通道， 发射阵中两相邻阵元的间距 ｄ＝（ ７５／１８０） ×ｃ／Ｆ。
由 式 （ ６） 可 得 ： 第 ４７ 个 阵 元 的 发 射 波 形 ＴＸ４７ 应较第 ４８ 个阵元的发射波形 ＴＸ４８ 落后（ 如图 ５ 所 示） ：
声纳的发射波束是采用旋转单波束方式， 就是 在声纳的观察扇面中用一个波束开角很窄的发射波 束， 从观察扇面的左极限先发射一个发射脉冲， 然后 旋转一个角度再发射一个脉冲， 直至观察扇面的右 极限（ 如图 ２ 所示） 。扫描整个扇面需要一定的时间， 在这个时间内基阵的阵元上均有发射信号， 因此在 这个时间所对应的探测距离内就构成了声纳的盲 区。正因为采用了较窄的波束进行旋转发射， 因此在 发射功率恒定的条件下， 由于发射波束的聚集系数 可以得到较高的指向性。另外发射波束的副瓣级较 低， 因此收发联合波束的副瓣级就更低。
１引言
随着电子技术与计算机技术的发展， 多波束形 成 、相 控 偏 转 等 技 术 被 越 来 越 多 地 应 用 到 声 呐 探 测 中。相控阵可以利用简单的数字电路来实现基阵发 射角度的偏转， 这大大方便了系统的实现。
２ 波束形成的理论计算与计算机仿真
为了简化， 我们先考虑一个由 Ｎ 个电声性能完 全一致的无方向性阵元组成等间隔线阵， 阵元间距 为 ｄ， 如图 １ 所示。
收稿日期： ２００６－０２－２４； 修回日期： ２００６－０４－０６ 作者简介： 罗玉兰（ １９７２－） ， 女， 吉林人， 硕士， 研究方向为信号与信息
处理。 通信作者： 罗玉兰， Ｅ－ｍａｉｌ： ｖｉｏｌｅｔ＿ｌｕｏ＠ｃｉｔｉｚ．ｎｅｔ。
图 １ 相控偏转的示意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ｄｅｆｌｅｘｉｏｎ
ＤＬ（
θ， θＥ） ＝
ｓｉｎ［ Ｎ" Ｎｓｉｎ［ "
ｄ " ｄ "
（ （
ｓｉｎθ－ ｓｉｎθＥ） ｓｉｎθ－ ｓｉｎθＥ）
］ ］
（ ４）
其－ ３ｄＢ 开角的表达式为：
!!－
３ｄＢ＝ａｒｃｓｉｎ（
ｓｉｎθＥ＋
０．４４" Ｎｄ
）
－ ａｒｃｓｉｎ（ ｓｉｎθＥ－
０．４４" Ｎｄ
）
（ ５）
显见， 当声轴偏离法向时， － ３ｄＢ 开角就会变宽。例
３ 发射波束形成的系统实现
发射波形形成器 ＧＥＮ 由 ＦＰＧＡ 和 其 外 围 器 件 组成。主控计算机 ＣＰＵ 通过串口控制 ＧＥＮ， 使其产 生 ４８ 路由 ＴＴＬ 方波填充的包络信号。４８ 路发射信 号的相位差根据发射波束的偏转角要求来确定。
Ａｌｔｅｒａ 公 司 Ｃｙｃｌｏｎｅ 器 件 系 列 ＦＰＧＡ 是 目 前 市 场上性价比最优且价格最低的 ＦＰＧＡ。Ｃｙｃｌｏｎｅ 器件 基 于 成 本 优 化 的 全 铜 １．５Ｖ ＳＲＡＭ 工 艺 ， 容 量 从 ２ ９１０ 至 ２０ ０６０ 个逻辑单元， 具有多达 ２９４ ９１２ ｂｉｔ 嵌入 ＲＡＭ。Ｃｙｃｌｏｎｅ ＦＰＧＡ 支持各种单端 Ｉ／Ｏ 标准， 如 ＬＶＴＴＬ、ＬＶＣＭＯＳ、ＰＣＩ 和 ＳＳＴＬ－２／３， 通过 ＬＶＤＳ 和 ＲＳＤＳ 标准提供多达 １２９ 个通道的差分 Ｉ／Ｏ 支持。每 个 ＬＶＤＳ 通 道 的 数 据 传 输 速 度 高 达 ６４０Ｍｂｐｓ。 Ｃｙｃｌｏｎｅ ＦＰＧＡ 中有两个锁相环（ ＰＬＬ） 提供六个输出 和层次时钟结构， 以及复杂设计的时钟管理电路。 这 些 最 高 效 架 构 特 性 的 组 合 使 得 ＦＰＧＡ 系 列 成 为 ＡＳＩＣ 最灵活和最合算的替代方案［５］。
第 ２６ 卷第 ２ 期 ２００７ 年 ４ 月
声学技术 Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．２６， Ｎｏ．２ Ａｐｒ．， ２００７
多波束形成方法及其实现
罗玉兰， 景永刚， 许伟杰
（ 中国科学院声学研究所东海研究站， 上海 ２０００３２）
摘要： 声纳往往采用相控偏转的技术来形成各个方向的发射／接收波束。相控阵可以利用简单的数字电路来实现基
大， 则应满足：
ｄ≤ " １＋｜ｓｉｎ（ θＥ） ｜
若要保证任何旁瓣的高度不超过第一个旁瓣的
高度（ 约为－ １４ｄＢ） ， 则应满足
ｄ≤ （ Ｎ－ １） " Ｎ（ １＋｜ｓｉｎ（ θＥ） ｜）
若要保证旁瓣一个比一个低， 则应满足
ｄ≤
"
２（ １＋｜ｓｉｎ（ θＥ） ｜）
２．３ 发射波束的形成方法［２－４］
实际应用中， 通过对一个线阵的各个阵元加以 不同的延迟， 使发射波束在 θ角方向同相叠加， 即可 达到发射过程中相控偏转的效果。
但是仅仅有相控发射偏转还是不够的。在实际 应用中， 不仅要求作用距离要尽可能地远， 还要求扫 描一个扇面的时间尽可能地少。举例来说： 如果总 体指标要求作用距离为 ５００ｍ， 其角度分辨率为 １°， 对±４５°扇面进行监视， 则发射的重复周期为：５００＊３／ ２＊２／１５００＝１ｓ， 即每隔一秒发射一次、扫描一个角度； 那么扫描完±４５°的时间为 ９１ｓ， 显然无法满足大部 分实战的需求。