成像声纳系统是一种利用声波在水下传播的特性，通过声波的反射和折射来探测水下物体并形成图像的技术。动态聚焦波束形成算法是一种用于成像声纳系统的关键技术，它能够根据水下目标和环境的变化实时调整聚焦参数，从而达到更精细的成像效果。FPGA（现场可编程门阵列）是一种可以通过编程实现特定逻辑功能的集成电路，在成像声纳动态聚焦算法的实现中，FPGA具有运算速度快、实时性强、灵活性高等特点。
在介绍成像声纳动态聚焦算法之前，首先需要了解声纳成像在海洋资源开发和海洋防卫中的重要性。成像声纳系统可以直观地显示观测区域的状况和识别目标，作用距离远且不受光照条件的限制。但是，传统的固定系数波束形成技术由于其算法简单，易受水下噪声干扰，在噪声环境差的情况下成像性能下降。稳健性算法虽然能容忍一定的噪声，但其高复杂度和波束指向性函数的下降限制了其应用。自适应波束形成技术能够根据周围噪声场变化调节参数，但是硬件复杂度高，实时性差，不能动态调整波束指向性函数，难以精细刻画目标细节。
为了解决上述问题，本文提出了一种新的动态聚焦波束形成方法，该方法能够在复杂海洋环境中实时调整参数以适应周围环境，抑制干扰并检出有用信号。动态聚焦波束形成方法包括两个部分：显控模块和信号处理模块。显控模块负责动态求解和下发波束指向性函数的参数，信号处理模块则负责完成波束形成的运算，两者共同实现系统动态聚焦波束形成的功能。
在技术实施方面，本文采用了Xilinx公司的VIRTEX6VLX550T FPGA作为核心器件。FPGA的核心作用在于通过干端PC下发的控制指令实现对基阵的控制，完成数字波束形成，并通过千兆网络将波束数据上传至干端PC进行实时显示。设计的技术指标包括量程100m，视角为90°×20°，波束数为538，角度分辨率为1°，量程分辨率为5cm。
为了实现动态聚焦，本文提出了基于凸优化的方法。凸优化是运筹学和计算数学中的一个重要分支，其核心思想是寻找一个满足一定条件的最优解，使波束响应与期望响应的误差最小。通过设置通带、过渡带和阻带，可以灵活调整各带的范围来求解适合应用需求的波束形状。动态调整的过程包括通带塑形、过渡带变量松弛、阻带低旁瓣约束等，通过这些步骤，可以在保证系统实时性的同时，实现对波束指向性函数的动态调整。
在声纳系统的设计方面，本文采用均匀半圆阵作为成像声纳系统的接收声基阵，由180个相同的阵元构成。基于圆弧阵的旋转多波束形成方法，通过等效弦的转动产生多个波束。文中详细描述了圆弧阵列波束形成模型和导向矢量的计算方法。此外，还探讨了凸优化问题模型的建立，包括代价函数的构造以及如何在凸集上求解权重矢量的最小值。
本文通过设计的技术指标和动态聚焦流程图展示了成像声纳系统的工作流程，说明了动态聚焦波束形成方法如何在不同水况条件下自动调整波束指向性函数，以实现对水下目标的精细二维声图像的实时获取。通过这一系列的技术设计和实现，本文成功地解决了传统声纳成像技术存在的局限性，并为复杂海洋环境下的目标定位、识别和分析提供了有效的解决方案。
