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多波束声呐接收机与信号处理算法实现

摘要

近年来，可搭载在无人潜航器的声呐技术快速发展，已成为各海洋大国研究的热

点问题。相较于传统的大型声呐设备，水下平台用声呐的灵活性、适装性均是声呐系

统设计的重点研究问题，特别需要声呐电路系统具有尺寸小、质量轻、功耗低、性能

高等特点。基于此，团队研究小型化、便携式多波束测深声呐聚焦系统研发中的相关

技术难题，开展理论研究、技术攻关与工程实现，本文主要开展小型多波束声呐多通

道接收机及实时数字信号预处理算法设计与实现，支撑便携式多波束测深声呐系统的

研制。

本文首先对声呐设计的指标需求进行分析，确定了声呐的设计方案，之后对多通

道接收机的硬件电路以及信号预处理算法进行设计与原理分析，具体开展了以下工作：

1．首先依据多波束测深声呐总体设计方案，制定接收系统的研制方案，并对接收

电路的低噪设计方案、采样方案以及波束形成等预处理算法方案的可行性与合理性做

出充分论证；

2．按照所制定的软硬件设计方案完成接收系统接收机电路以及接收机电源板的设

计与制作，在Multisim以及TI官网滤波器等电路仿真设计中软件中，完成对电路参数

的仿真并设计原理图，使用AD21软件完成24通道接收机电路板以及电源板的PCB设

计，最终完成4块24通道接收电路的制作，构成96通道接收机；

3．在后端数字处理平台上完成基于FPGA的多波束测深信号预处理逻辑开发工作，

分别详细设计了多通道原始数据采集、正交变换、匹配滤波、波束形成、数据传输等

模块的逻辑。采用近场聚焦波束形成算法，使声呐具有更好的多波束测深效果、更强

的探测分辨能力；而后对接收机、接收机电源板及信号预处理逻辑进行测试，对设计

性能进行整体评估。

本文研究实现的接收机整体的尺寸为145mm*140mm*80mm(长*宽*高)，最大功

耗21W，处理获得的多波束探测波束数为256个，支撑实现距离分辨力可达3cm。设

计整体性能优异，达到了微型低耗、应用灵活的设计初衷，具有较强的实用性。

关键词：多通道声呐接收机；电路设计；FPGA；数字信号处理；波束形成

多波束声呐接收机与信号处理算法实现

ABSTRACT

Inrecentyears,thesonartechnologythatcanbecarriedbyunmannedunderwatervehicles

hasdevelopedrapidly,andhasbecomeahotspotinthedevelopmentofvariouscountries.

Comparedwiththetraditionallargesonarequipment,itsflexibilityandportabilityarethetop

priorityofthedesign,whichrequirestheequipmenttohavethecharacteristicsofsmallsize,

lightweight,lowpowerconsumptionandhighperformance.Basedonthis,theteamfocused

onthedifficultiesinsystemresearchanddevelopment,carriedouttheoreticalresearch,

technicalresearchandengineeringimplementation.Thisarticlemainlycompletesthedesign

andimplementationofmulti-channelreceiversandreal-timedigitalsignalpreprocessing

algorithmsforsmallmultibeamsonarreceivers,supportingthedevelopmentofp