1 引 言

在雷達(dá)及聲納信號處理系統(tǒng)中，波束形成算法通常采用DSP軟件編程實現(xiàn)，控制邏輯電路采用CPLD來完成，這種方法具有軟件編程靈活、功能易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，但對于實時性能要求很高的系統(tǒng)，如雷達(dá)、聲納探測和超聲成像等系統(tǒng)中為了提高對目標(biāo)變化實時跟蹤和測量，就必須盡量縮短信號處理的時間，過長的運(yùn)算處理時間會對水下目標(biāo)的探測性能產(chǎn)生較大的影響。聲納的檢測能力就會迅速下降，以至完全失去檢測能力，而自適應(yīng)波束形成技術(shù)（ABF）就是聲納能夠根據(jù)周圍環(huán)境噪聲場的變化，不斷地自動調(diào)節(jié)本身的參數(shù)以適應(yīng)周圍環(huán)境，抑制干擾并檢出有用信號。因此采用FPGA來實現(xiàn)自適應(yīng)波束形成算法是滿足復(fù)雜海洋環(huán)境超聲陣列波束形成的較好途徑。

最小均方自適應(yīng)算法（Least Mean Square，LMS）較其他自適應(yīng)算法具有結(jié)構(gòu)簡單，計算量小，易于實現(xiàn)等特點(diǎn)。FPGA實現(xiàn)LMS自適應(yīng)波束形成算法比采用現(xiàn)有DSP來實現(xiàn)可以明顯提高信號的處理速度，節(jié)約資源，能更好地滿足復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，具有廣泛的實用價值。

波束形成系統(tǒng)相當(dāng)于一個時空濾波器，自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)可采用IIR和FIR兩種結(jié)構(gòu)。與IIR濾波器相比，F(xiàn)IR濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：可得到嚴(yán)格的線性相位；主要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，從理論上以及從實際的有限精度運(yùn)算中，都是穩(wěn)定的；由于沖激響應(yīng)是有限長度的，因此可以用快速傅里葉變換算法，運(yùn)算速度快；FIR濾波器設(shè)計方法靈活。

本文采用自適應(yīng)的FIR濾波器結(jié)構(gòu)，結(jié)合時延最小均方（DLMS）算法，充分利用FPGA芯片運(yùn)算速度快，存儲資源豐富等優(yōu)點(diǎn)設(shè)計和實現(xiàn)了基于FIR超聲陣列自適應(yīng)波束形成。主動聲納信號為窄帶信號，通常采用復(fù)數(shù)形式表示，在空間濾波器模塊采用了循環(huán)移位流水乘加器，使復(fù)數(shù)乘加運(yùn)算節(jié)約了大量資源，同時用并行乘法器完成了DLMS算法，并給出了系統(tǒng)軟、硬件模塊和仿真分析。

2 超聲陣列波束形成系統(tǒng)模型及原理

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

自適應(yīng)波束形成又稱自適應(yīng)空域濾波，他是通過對各陣元加權(quán)進(jìn)行空域濾波，來達(dá)到增強(qiáng)有用信號、抑制干擾的目的