非合作目标定位浮标辅舱系统设计
摘要
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本文基于一个正六边形元接收阵列的非合作目标定位浮标系统，开展可以应用
于六边形阵列的辅舱系统设计，重点突破应用于正六边形阵的时域预成多波束技术，提
高基阵多通道同步数据采集能力以及阵列信号处理算法速度，为基于正六边形阵列浮标
系统的非合作目标定位系统提供有力支持。本文从浮标辅舱系统的软硬件设计两个部分
切入，对辅舱系统的总体方案设计、相关硬件电路设计、软件程序设计和FPGA端预成
多波束算法进行研究，最终完成整个浮标辅舱系统的相关功能验证。
首先，对波束形成相关算法进行理论研究。研究了基于六边形阵列的常规波束形成
算法，通过仿真对六边形接收阵列结构特点进行了相关讨论，并根据仿真结果确立了算
法中的选阵方案，在此基础上开展了宽带FIR时域波束形成算法研究，据此确定了移植
至硬件FPGA中的波束形成器算法。为后续的硬件预成多波束功能实现提供了理论基础。
其次，根据浮标辅舱总体设计方案，对浮标辅舱系统进行硬件设计。依据辅舱算法
与设计需求，本文选取了XILINX公司的ZynqUltraScale+MPSoCsEV系列ZU4EV芯
片核心板作为整个系统的数据采集、算法处理和数据传输交互核心，同时根据此开发平
96AD
台设计绘制了通道阵列数据采集板卡相关硬件电路，重点对其中的采集芯片模
块、电源模块与接口模块进行了详细电路设计。
然后，基于ACU4EV核心板的FPGA(FieldProgrammableGateArrays)与ARM(
AdvancedRISCMachine)FPGA96
架构，完成系统各节点软件程序设计。在端对通道
水声信号数据同步采集、波束形成器算法实现、同步秒脉冲信号生成、核间通信模块间
数据与指令交互以及数据缓存进行了详细逻辑设计与实现。在ARM端对嵌入式Linux
系统的搭建、相关应用程序开发进行了详细设计与实现。
最后，对辅舱系统硬件电路设计成果与软件程序设计成果进行了相关功能性测试联
调，开展水池与湖试试验研究，验证了该辅舱系统满足设计功能指标要求，可以实现96
通道并行同步采集、预成六十个方向的波束形成，且所设计系统间各节点工作性能稳定，
井然有序，可满足非合作目标定位浮标辅舱系统的实际应用要求。
关键词：多通道数据采集；预成多波束；ZU4EV；六边形阵列
非合作目标定位浮标辅舱系统设计
ABSTRACT
Basedonanon-cooperativetargetpositioningbuoysystemwitharegularhexagon96-
elementreceivingarray,thispaperdesignstheauxiliarymodulesystemthatcanbeappliedto
thehexagonarray,focusesonbreakingthroughthetime-domainpreformingmulti-beam
technologyappliedtotheregularhexagonarray,andimprovesthearraymulti-channel
synchronousdataacquisitioncapabilityandthespeedofthearraysignalprocessingalgorithm.
Itprovidesstrongsupportfornon-cooperativet