聲納圖像動態(tài)范圍擴展與FPGA實現(xiàn)

摘要：本文針對成像聲納擴展圖像動態(tài)范圍和增強圖像細節(jié)的需求，提出了一種基于開方運算的動態(tài)范圍擴展方法。基于課題組研制的多波束成像聲納原理樣機的研制，分析了數(shù)據(jù)動態(tài)范圍壓縮導(dǎo)致圖像細節(jié)丟失的原因及其對成像質(zhì)量的影響，采用JPL快速平方根近似算法改善了開方運算FPGA實現(xiàn)過程的資源占用和系統(tǒng)延時。最后，對改進設(shè)計方案進行了實驗驗證，通過多波束成像聲納系統(tǒng)的消聲水池實驗證明了本文動態(tài)范圍擴展方法的有效性和可行性，系統(tǒng)成像質(zhì)量改善明顯，達到優(yōu)化設(shè)計的預(yù)期目標。

引言

　　成像聲納能夠提供探測區(qū)域的高分辨圖像信息，在海洋開發(fā)中的應(yīng)用越來越廣泛。高精度的 轉(zhuǎn)換器保證了信號處理過程所需的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍，為實現(xiàn)系統(tǒng)的高分辨能力提供了可能，高性能成像聲納系統(tǒng)通常都采高位數(shù)的 轉(zhuǎn)換器對接收聲基陣的輸出信號進行采樣和量化。為了保證輸出的圖像數(shù)據(jù)具有合適的亮度和對比度，同時兼顧到信號處理過程的系統(tǒng)復(fù)雜度及顯示設(shè)備的實際需求，需要將 高精度數(shù)據(jù)壓縮到 數(shù)據(jù)寬度，信號處理過程中的數(shù)據(jù)流位寬如圖 1所示。數(shù)據(jù)壓縮方法選擇不當(dāng)，將使得原有大動態(tài)圖像信息得不到保留，即大動態(tài)圖像壓縮可能會造成后續(xù) 圖像難以復(fù)原出原始圖像所丟失的細節(jié)信息。文獻[1]在分析了當(dāng)前紅外圖像細節(jié)增強領(lǐng)域的主流處理算法的基礎(chǔ)上，指出了每種技術(shù)在處理效果上所存在的優(yōu)點和不足，探討了基于高精度 采樣圖像數(shù)據(jù)在細節(jié)增強和數(shù)據(jù)動態(tài)范圍壓縮同步處理技術(shù)上的優(yōu)勢。文獻^[2]提出一種基于顏色視覺過程的高動態(tài)范圍圖像映射方法，通過模擬人眼顏色視覺處理信息的過程壓縮圖像的動態(tài)范圍，解決動態(tài)范圍壓縮導(dǎo)致細節(jié)丟失等問題。文獻[3]根據(jù)監(jiān)控場景本身數(shù)據(jù)動態(tài)范圍較寬但視覺動態(tài)范圍不足的情況展開了分析研究，提出了基于 映射的解決方案并進行了FPGA硬件實現(xiàn)，提高了監(jiān)控畫面的視覺動態(tài)范圍。文獻^[4]針對紅外焦平面對輻射強度較大的目標輸出動態(tài)范剛不足的問題，提出一種場景自適應(yīng)的紅外焦平面成像動態(tài)范圍調(diào)整方法實現(xiàn)焦平面成像動態(tài)范圍自適應(yīng)。本文提出的開方運算處理方法解決了系統(tǒng)畫面顯示動態(tài)范圍不足的問題，并通過引入一種快速近似算法提高了算法的實時性。

1 問題分析

　　文獻^[2]在展望中指出本文聲納原理樣機在試驗中存在“數(shù)據(jù)動態(tài)范圍控制問題”，問題重述如下：“由于干端顯示只能顯示 ( 數(shù)據(jù))，而多波束形成運算之后的數(shù)據(jù)是 ，因此，信號顯示利用滿屏圖像數(shù)據(jù)的最大值進行線性歸一化處理，也就是搜索前一幀數(shù)據(jù)的最大值，并將該幀的波束數(shù)據(jù)直接除以該值進行歸一化。這樣做有兩個缺點：一是不利于小信號的顯示;二是當(dāng)兩幀的波束數(shù)據(jù)最大值相差很大時，會造成圖像忽明忽暗的閃動。水池測試時，明顯看出了這兩方面的不足。采用的解決方法是改為手動歸一化的方法，人眼通過干端PC機上顯示的圖像效果手動輸入歸一化數(shù)據(jù)截取的范圍。默認情況下，截取高八位[15：8]顯示。當(dāng)圖像較暗的時候，輸入數(shù)據(jù)7，則截取[14:7]進行顯示。如果圖像依舊較暗，則依次向下取數(shù)直至圖像顯示較清晰為止?！?/p>

　　文獻^[5]中采用的處理方法不僅增加了用戶的操作復(fù)雜度，降低了用戶的使用體驗，而且存在明顯的缺點，雖然可以通過手動改變截取位調(diào)節(jié)圖像的亮暗程度，但是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，在波束方向圖中表現(xiàn)為雙峰現(xiàn)象，如圖2所示在進行標準信號源測試^{[3 ]}時，軟件畫面的主瓣兩邊由于飽和出現(xiàn)了兩條亮線。

　　具體的幀數(shù)據(jù)方向圖仿真結(jié)果如圖3所示，圖3A為截取位過低情況下的幀數(shù)據(jù)方向圖，圖3B為截取位過高情況下的幀數(shù)據(jù)方向圖，可以看到由于小信號在截取過程中丟失，方向圖中的旁瓣被截斷。