前視聲納系統(tǒng)成像視覺改進與實現(xiàn)　

作者 竇法旺 夏偉杰 金雪 南京航空航天大學 電子信息工程學院(南京 211106)

*基金項目：2014年江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金資助(BY2014003-14)

竇法旺(1991-)，男，研究生，研究方向：信息獲取與處理;夏偉杰，男，副教授，研究方向：雷達與聲納信號處理;金雪，女，研究生，研究方向：信息獲取與處理。

摘要：視覺效果良好的聲納圖像可以更加清晰地呈現(xiàn)水下場景，是目標定位與識別的重要依據(jù)。本文在多波束掃描成像模型的基礎上，分析了影響前視聲納系統(tǒng)成像視覺的主要因素，并對系統(tǒng)進行了優(yōu)化與實現(xiàn)。通道幅相校正改善了成像波束的指向性能，使得圖像顯示地更加均勻細膩;成像波束優(yōu)化采用二階錐規(guī)劃方法設計了接收波束;動態(tài)范圍優(yōu)化采用開方處理，在保證灰度等級的同時，增強了圖像細節(jié)信息的顯示效果;扇形視圖轉換使得圖像切合實際場景，更加符合人類的視覺感官，大大提升了用戶體驗。最后通過對復雜場景的成像測試驗證了圖像視覺效果改進方法的有效性。

引言

　　成像聲納系統(tǒng)作為水下探測器的主要感官，擔負著發(fā)現(xiàn)前方目標，對目標成像、定位、識別和跟蹤的任務，所起的作用相當于人的視覺部分，故也稱其為聲視覺系統(tǒng)^[1]。獲得視覺效果良好的水下聲學圖像是聲納系統(tǒng)高效完成任務的重要保障。目前水下導航常采用的是前視聲納系統(tǒng)，它的優(yōu)點是采用多波束電子預成、成像速度快、探測效率高^[2]。但是由于系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)時存在的缺陷，以及成像算法與圖像顯示方法的局限性，聲納圖像的視覺效果往往并不理想。本文基于課題組研發(fā)的一款多波束前視聲納系統(tǒng)，著重分析了影響系統(tǒng)成像效果的幾大因素^[3]，并進行了優(yōu)化與實現(xiàn)，主要包括通道幅相校正、波束優(yōu)化設計、動態(tài)范圍優(yōu)化與扇形視圖轉化等。經(jīng)過改進后的聲納系統(tǒng)成像質量更高，能夠實現(xiàn)對復雜場景的高精度成像。

1 聲納系統(tǒng)的總體結構

　　前視聲納系統(tǒng)^[4]主要由半圓形的換能器陣列、信號調(diào)理與采集模塊、信號處理與傳輸模塊、終端顯控軟件與系統(tǒng)電源等五大部分組成。相對于傳統(tǒng)的單波束機械掃描的方式，系統(tǒng)采用了多波束電子預成的成像方案，利用180陣元的半圓形陣列子孔徑旋轉的方式^[5]形成多波束，即用1到91號陣元形成1到6號波束，2到92號陣元形成7到12號波束，以此類推，子孔徑旋轉90次之后，僅用6組加權系數(shù)即可形成540個波束，有效降低了對硬件實現(xiàn)時對加權系數(shù)的存儲需求。系統(tǒng)工作時，首先根據(jù)顯控軟件下發(fā)的控制指令，對發(fā)射接收聲基陣進行控制，其次回波信號經(jīng)過調(diào)理采集后，送到數(shù)字信號處理模塊，在V6 FPGA中完成波束形成，然后將形成的波束數(shù)據(jù)通過V5 FPGA控制的千兆網(wǎng)上傳至終端，最后在顯控軟件上進行實時圖像顯示，系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

2 成像視覺效果改進

　　本文基于的前視聲納系統(tǒng)采用數(shù)字多波束形成技術，在90度的視野范圍內(nèi)形成540個窄波束，實現(xiàn)對水下目標的探測與成像。信號處理與傳輸模塊采用基于FPGA的實現(xiàn)架構，幅相校正、成像波束優(yōu)化和圖像數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍優(yōu)化均在該模塊中完成，矩形視圖到扇形視圖的轉換在終端顯控軟件中完成。

2.1 幅相誤差校正

　　在數(shù)字波束形成算法中主要是對各個通道信號進行幅度加權和相位補償^[6]，生成加權系數(shù)時，通常假設各個通道的信號具有一致的幅度和相位特性。但是在實際情況中，由于換能器制作工藝的限制以及芯片老化和熱效應的影響^[7]，實際的信號通道模型往往存在不同程度的幅相誤差，從而導致系統(tǒng)成像質量的下降。

　　為了解決多通道之間的幅相不一致性問題，對180路的調(diào)理采集通道進行了幅相校正。實驗時，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為450kHz的正弦波信號，同時輸入到180路調(diào)理通道中，并在軟件端錄取原始數(shù)據(jù)，然后計算出各通道的幅相校正系數(shù)。系統(tǒng)工作時，通過終端顯控軟件下發(fā)給信號處理模塊的V6 FPGA，在濾波抽取之后，對各個通道的實虛部數(shù)據(jù)分別進行校正。校正系數(shù)的計算主要是對采集到的原始數(shù)據(jù)做256點快速傅立葉變換，得到各通道的幅度和初始相位信息。將第一通道作為參考通道，其他各個通道的幅度差與相位差分別為：

　　圖2所示為幅相校正前后的顯示畫面，可以看出各調(diào)理通道經(jīng)過幅相校正之后，畫面顯示更為均勻細膩，圖像的視覺效果得到了明顯的改善。

2.2 波束優(yōu)化設計

　　成像分辨率是前視聲納系統(tǒng)的重要指標，在設計波束的時候總期望得到窄主瓣的同時又可以得到低旁瓣，但是在陣列孔徑和工作頻率一定的情況下，兩者是相互矛盾的。為了滿足半圓形陣列的高精度成像要求，本文給出了設計兼顧波束各項性能的最優(yōu)權值的方法。首先，計算得到包含精確延時信息的導向矢量，則波束的空間指向性函數(shù)為;其次，將波束優(yōu)化設計問題看作多目標優(yōu)化問題，并轉化為二階錐規(guī)劃^[8](Second-order Cone Programming, SOCP)的標準形式;最后利用基于MATLAB的SeDuMi工具箱求解，得到適于成像的最優(yōu)加權。波束方向圖的綜合設計主要包括波束指向的控制、主瓣寬度約束、旁瓣等級約束、零陷約束、權值范數(shù)約束等，波束優(yōu)化的統(tǒng)一表達式為：

　　其中θ0為波束預成方向，θML為波束主瓣方向，θSL為波束旁瓣方位，θNL為波束零陷方位，d(θML)為期望波束的主瓣，為附加的約束。

　　不失一般性，這里僅對遠場條件下的波束設計進行實驗仿真。圖3(a)對比了均勻加權、余弦平方加權、切比雪夫加權和SOCP設計的最優(yōu)加權情況下的波束方向圖，可以看出，通過SOCP方法設計的加權具有完全的等旁瓣控制能力，有利于得到一致性很好的波束。圖3(b)給出了通過SOCP方法設計的具有不同主旁瓣性能的波束方向圖，波束的旁瓣等級分別為-20dB、-30dB、-40dB、-50dB、-60dB。仿真結果表明，通過調(diào)整約束條件，SOCP設計方法具有靈活的旁瓣等級控制能力，為探索圖像質量與波束主旁瓣性能之間的關系提供了可能。

2.3 動態(tài)范圍優(yōu)化

　　為了保證顯示的圖像有合適亮度和對比度，同時兼顧到實現(xiàn)時的計算復雜度和顯示設備的實際需求^[9]，需要將波束形成之后的16比特高精度數(shù)據(jù)壓縮到8比特寬度。如何將16位的波束數(shù)據(jù)映射到8位灰度等級成為解決畫面動態(tài)范圍的關鍵問題，本文測試比較了截取和開方兩種映射方法。測試發(fā)現(xiàn)截取方法^[10]不僅增加了用戶的操作復雜度，而且存在明顯的缺點，即在觀測微小信號的同時，大信號會出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象，產(chǎn)生畫面模糊。而開方運算可以更連貫地表示數(shù)據(jù)的變化，可以得到256個完整的灰度值，具有更強的信號表達能力，所以能夠最大程度的保留畫面的細節(jié)。

　　圖4給出了截取處理和開方處理在水池中對圓環(huán)測試的結果，可以看出開方處理后的畫面顯示的穩(wěn)定性提高了不少，無需反復調(diào)整截取位就可以得到圓環(huán)的聲學畫面，細節(jié)刻畫也很豐富，即使懸掛圓環(huán)的兩根細繩也能夠被清晰的顯示出來，效果改善非常明顯。

2.4 扇形視圖轉換

　　終端軟件顯示的圖像數(shù)據(jù)是波束形成后得到的，每個距離單元上有540個波束，距離分辨率為2.5cm，系統(tǒng)的最大工作距離為100m，如果把所有的圖像數(shù)據(jù)直接顯示出來，就有將近4000行數(shù)據(jù)，實際的顯示設備顯然不滿足需求，所以需要對原始的圖像數(shù)據(jù)做縮放處理。此外，聲納系統(tǒng)的探測范圍實際上是一個扇形區(qū)域，如果將圖像數(shù)據(jù)直接在屏幕上顯示時，畫面為一個矩形圖像，雖然可以清晰地看出目標位置，但是不符合人們的觀察習慣，所以需要把圖像數(shù)據(jù)從極坐標轉換到直角坐標，做矩形視圖到扇形視圖的轉換。實現(xiàn)時將扇形中的每一個點映射到矩形圖像中的點，在扇形區(qū)域中，每一個點都對應一個角度和距離，所以在矩形圖中都能找到一個對應的點。圖5比較了矩形和扇形視圖兩種圖像數(shù)據(jù)的顯示結果，不難發(fā)現(xiàn)扇形顯示的圖像更加切合實際場景，符合人類的視覺感官，可以大大提升用戶的視覺體驗。

3 測試結果與分析

　　為了驗證上述幾種改進方法的有效性，在消聲水池和千島湖對聲納系統(tǒng)進行了成像測試。根據(jù)聲納的技術指標，測試選擇成像波束的旁瓣等級為-30dB。在消聲水池分別對懸掛的圓環(huán)和三角架等目標的進行成像，得到輪廓清晰和特征明顯的目標圖像，如圖6(a)所示。在千島湖對水下潛水員進行實時掃描成像，可以得到連續(xù)清晰的潛水員運動畫面，圖6(b)所示。對堤壩的水下階梯進行成像，得到了紋理清晰的階梯圖像，如圖6(c)所示。高質量的實測聲納圖像進一步驗證了聲納系統(tǒng)成像視覺改進方法的有效性和實用性。

4 結論

　　本文基于課題組研發(fā)的一款前視聲納系統(tǒng)，在多波束電子掃描成像的基礎上，對影響系統(tǒng)成像性能的因素進行了詳細分析，并給出了四個改進成像視覺效果的有效途徑，通道幅相校正、波束優(yōu)化設計、動態(tài)范圍優(yōu)化和扇形視圖轉換。最后通過對不同探測場景的成像實現(xiàn)證明了本文改進方法的有效性，改進后的成像效果得到了明顯的改善，達到了系統(tǒng)優(yōu)化的預期目標。

　　參考文獻：

　　[1]石紅.聲納圖像處理關鍵技術研究[D].哈爾濱工程大學, 2011.

　　[2]Chen P, Tian X, Chen Y. Optimization of the digital near-field beam forming for underwater 3-D sonar imaging system[J]. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, 2010, 59(2): 415-424.

　　[3]董琎琎,周建江,夏偉杰,等.成像聲納動態(tài)聚焦算法研究與FPGA實現(xiàn)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2015, 15(4):27-30.

　　[4]楊成.多波束成像聲納系統(tǒng)硬件平臺設計與實現(xiàn)[D].南京航空航天大學, 2013.

　　[5]夏偉杰,周建江,于政,等.一種多波束形成方法及使用該方法的多波束聲納[J].海洋測繪, 2014-03-12

　　[6]李海森,魯東,周天.基于FPGA的多波束實時動態(tài)聚焦波束形成方法[J].振動與沖擊, 2014(3):83-88.

　　[7]袁龍濤.相控陣三維攝像聲納系統(tǒng)信號處理關鍵技術研究[D].浙江大學, 2013.

　　[8]陳鵬,馬曉川,閆晟,等.基于二階錐規(guī)劃的非均勻線列陣優(yōu)化波束形成[J].電聲技術, 2008, 32(4): 39-43.

　　[9]董琎琎,竇法旺,夏偉杰,等.聲納圖像動態(tài)范圍擴展與FPGA實現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界, 2015(5):34-36.

　　[10]黃慧.多波束成像聲納信號處理機的設計與FPGA實現(xiàn)[D].南京航空航天大學, 2013.

　　[11]Cruza J F, Camacho J, Serrano-Iribarnegaray L, et al. New method for real-time dynamic focusing through interfaces[J]. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, IEEE Transactions on, 2013, 60(4): 739-751.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第60頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。