海洋面積占地球表面積的71%，海底蘊(yùn)藏的石油、天然氣等礦產(chǎn)資源量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陸地。由于能源危機(jī)和資源短缺日益嚴(yán)重，世界各國(guó)對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)利用愈發(fā)重視。水聲成像技術(shù)不僅能夠探測(cè)海底結(jié)構(gòu)，而且相比于傳統(tǒng)視頻設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是呈現(xiàn)的圖像幾乎不受水文條件的影響，無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域，聲成像技術(shù)都是未來(lái)船舶與海洋工程研究的主要技術(shù)之一[1]。
對(duì)要求實(shí)時(shí)成像的成像聲納來(lái)說(shuō)，成像速度是衡量其性能優(yōu)劣的一個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)。波束形成器是成像聲納數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)算速度影響到整個(gè)系統(tǒng)的成像速度，因此提高波束形成運(yùn)算速度是提升成像聲納成像速度的關(guān)鍵。相移波束形成中的FFT波束形成技術(shù)由于具有非常成熟的算法、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和快速的運(yùn)算速度，成為成像聲納波束形成器首選。
1 FFT波束形成器原理
波束形成技術(shù)是指將按一定幾何形狀排列的多元基陣的各陣元輸出，經(jīng)過(guò)處理形成空間指向性的方法，目的是使多陣元構(gòu)成的基陣經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)靥幚淼玫皆陬A(yù)定方向的指向性[2]。
本文采用等間隔直線陣FFT波束形成。一個(gè)N元等間隔直線陣陣元間隔為d，當(dāng)接收信號(hào)為單頻或窄帶信號(hào)時(shí)，基陣第i號(hào)陣元的輸出信號(hào)可用復(fù)數(shù)表示為：

式(2)實(shí)際上是離散傅里葉變換的形式，因此計(jì)算一個(gè)等間隔直線陣各波束輸出值就等價(jià)于計(jì)算各陣元的輸出信號(hào)xi的離散傅里葉變換，可以利用這一特點(diǎn)對(duì)基陣輸出信號(hào)作快速波束形成處理。
2 FFT波束形成器的DSP Builder實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證
2.1 FFT波束形成器的DSP Builder實(shí)現(xiàn)
為了讓成像聲納達(dá)到較高的分辨率，需要對(duì)更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性處理。因此本設(shè)計(jì)要求在20 ?滋s內(nèi)得到512點(diǎn)FFT運(yùn)算結(jié)果，并且運(yùn)算結(jié)果誤差在1%以內(nèi)。考慮參數(shù)要求，F(xiàn)FT波束形成器設(shè)計(jì)包括如下三部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理部分（加權(quán)、聚焦），512點(diǎn)基2 DIT-FFT算法部分及數(shù)據(jù)整理部分(ABS計(jì)算)。總體框架如圖1所示。

2.1.1 流水線技術(shù)
為了提高數(shù)據(jù)處理能力，采用流水線設(shè)計(jì)方法提高系統(tǒng)的工作頻率。FFT 模塊9級(jí)運(yùn)算單元(State0～State8)并行運(yùn)行，這樣9級(jí)數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間僅為1級(jí)的運(yùn)算時(shí)間。圖2給出了9級(jí)處理單元(State0～State8)的DSP Builder實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。

海洋面積占地球表面積的71%，海底蘊(yùn)藏的石油、天然氣等礦產(chǎn)資源量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陸地。由于能源危機(jī)和資源短缺日益嚴(yán)重，世界各國(guó)對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)利用愈發(fā)重視。水聲成像技術(shù)不僅能夠探測(cè)海底結(jié)構(gòu)，而且相比于傳統(tǒng)視頻設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是呈現(xiàn)的圖像幾乎不受水文條件的影響，無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域，聲成像技術(shù)都是未來(lái)船舶與海洋工程研究的主要技術(shù)之一[1]。
對(duì)要求實(shí)時(shí)成像的成像聲納來(lái)說(shuō)，成像速度是衡量其性能優(yōu)劣的一個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)。波束形成器是成像聲納數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)算速度影響到整個(gè)系統(tǒng)的成像速度，因此提高波束形成運(yùn)算速度是提升成像聲納成像速度的關(guān)鍵。相移波束形成中的FFT波束形成技術(shù)由于具有非常成熟的算法、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和快速的運(yùn)算速度，成為成像聲納波束形成器首選。
1 FFT波束形成器原理
波束形成技術(shù)是指將按一定幾何形狀排列的多元基陣的各陣元輸出，經(jīng)過(guò)處理形成空間指向性的方法，目的是使多陣元構(gòu)成的基陣經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)靥幚淼玫皆陬A(yù)定方向的指向性[2]。
本文采用等間隔直線陣FFT波束形成。一個(gè)N元等間隔直線陣陣元間隔為d，當(dāng)接收信號(hào)為單頻或窄帶信號(hào)時(shí)，基陣第i號(hào)陣元的輸出信號(hào)可用復(fù)數(shù)表示為：

式(2)實(shí)際上是離散傅里葉變換的形式，因此計(jì)算一個(gè)等間隔直線陣各波束輸出值就等價(jià)于計(jì)算各陣元的輸出信號(hào)xi的離散傅里葉變換，可以利用這一特點(diǎn)對(duì)基陣輸出信號(hào)作快速波束形成處理。
2 FFT波束形成器的DSP Builder實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證
2.1 FFT波束形成器的DSP Builder實(shí)現(xiàn)
為了讓成像聲納達(dá)到較高的分辨率，需要對(duì)更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性處理。因此本設(shè)計(jì)要求在20 ?滋s內(nèi)得到512點(diǎn)FFT運(yùn)算結(jié)果，并且運(yùn)算結(jié)果誤差在1%以內(nèi)?？紤]參數(shù)要求，F(xiàn)FT波束形成器設(shè)計(jì)包括如下三部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理部分（加權(quán)、聚焦），512點(diǎn)基2 DIT-FFT算法部分及數(shù)據(jù)整理部分(ABS計(jì)算)?？傮w框架如圖1所示。

2.1.1 流水線技術(shù)
為了提高數(shù)據(jù)處理能力，采用流水線設(shè)計(jì)方法提高系統(tǒng)的工作頻率。FFT 模塊9級(jí)運(yùn)算單元(State0～State8)并行運(yùn)行，這樣9級(jí)數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間僅為1級(jí)的運(yùn)算時(shí)間。圖2給出了9級(jí)處理單元(State0～State8)的DSP Builder實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。