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

*基金項(xiàng)目：2014年江蘇省產(chǎn)學(xué)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(dá)與聲納信號(hào)處理;金雪，女，研究生，研究方向：信息獲取與處理。

摘要：視覺(jué)效果良好的聲納圖像可以更加清晰地呈現(xiàn)水下場(chǎng)景，是目標(biāo)定位與識(shí)別的重要依據(jù)。本文在多波束掃描成像模型的基礎(chǔ)上，分析了影響前視聲納系統(tǒng)成像視覺(jué)的主要因素，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與實(shí)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(xì)膩;成像波束優(yōu)化采用二階錐規(guī)劃方法設(shè)計(jì)了接收波束;動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化采用開(kāi)方處理，在保證灰度等級(jí)的同時(shí)，增強(qiáng)了圖像細(xì)節(jié)信息的顯示效果;扇形視圖轉(zhuǎn)換使得圖像切合實(shí)際場(chǎng)景，更加符合人類(lèi)的視覺(jué)感官，大大提升了用戶(hù)體驗(yàn)。最后通過(guò)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的成像測(cè)試驗(yàn)證了圖像視覺(jué)效果改進(jìn)方法的有效性。

引言

　　成像聲納系統(tǒng)作為水下探測(cè)器的主要感官，擔(dān)負(fù)著發(fā)現(xiàn)前方目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)成像、定位、識(shí)別和跟蹤的任務(wù)，所起的作用相當(dāng)于人的視覺(jué)部分，故也稱(chēng)其為聲視覺(jué)系統(tǒng)^[1]。獲得視覺(jué)效果良好的水下聲學(xué)圖像是聲納系統(tǒng)高效完成任務(wù)的重要保障。目前水下導(dǎo)航常采用的是前視聲納系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是采用多波束電子預(yù)成、成像速度快、探測(cè)效率高^[2]。但是由于系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)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(jué)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(jìn)行了優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)，主要包括通道幅相校正、波束優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化與扇形視圖轉(zhuǎn)化等。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的聲納系統(tǒng)成像質(zhì)量更高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的高精度成像。

1 聲納系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　前視聲納系統(tǒng)^[4]主要由半圓形的換能器陣列、信號(hào)調(diào)理與采集模塊、信號(hào)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(duì)于傳統(tǒng)的單波束機(jī)械掃描的方式，系統(tǒng)采用了多波束電子預(yù)成的成像方案，利用180陣元的半圓形陣列子孔徑旋轉(zhuǎn)的方式^[5]形成多波束，即用1到91號(hào)陣元形成1到6號(hào)波束，2到92號(hào)陣元形成7到12號(hào)波束，以此類(lèi)推，子孔徑旋轉(zhuǎn)90次之后，僅用6組加權(quán)系數(shù)即可形成540個(gè)波束，有效降低了對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)加權(quán)系數(shù)的存儲(chǔ)需求。系統(tǒng)工作時(shí)，首先根據(jù)顯控軟件下發(fā)的控制指令，對(duì)發(fā)射接收聲基陣進(jìn)行控制，其次回波信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理采集后，送到數(shù)字信號(hào)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(guò)V5 FPGA控制的千兆網(wǎng)上傳至終端，最后在顯控軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示，系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

2 成像視覺(jué)效果改進(jìn)

　　本文基于的前視聲納系統(tǒng)采用數(shù)字多波束形成技術(shù)，在90度的視野范圍內(nèi)形成540個(gè)窄波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)與成像。信號(hào)處理與傳輸模塊采用基于FPGA的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，幅相校正、成像波束優(yōu)化和圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)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(zhuǎn)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(duì)各個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行幅度加權(quán)和相位補(bǔ)償^[6]，生成加權(quán)系數(shù)時(shí)，通常假設(shè)各個(gè)通道的信號(hào)具有一致的幅度和相位特性。但是在實(shí)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(yīng)的影響^[7]，實(shí)際的信號(hào)通道模型往往存在不同程度的幅相誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成像質(zhì)量的下降。

　　為了解決多通道之間的幅相不一致性問(wèn)題，對(duì)180路的調(diào)理采集通道進(jìn)行了幅相校正。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為450kHz的正弦波信號(hào)，同時(shí)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(jì)算出各通道的幅相校正系數(shù)。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)終端顯控軟件下發(fā)給信號(hào)處理模塊的V6 FPGA，在濾波抽取之后，對(duì)各個(gè)通道的實(shí)虛部數(shù)據(jù)分別進(jìn)行校正。校正系數(shù)的計(jì)算主要是對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)做256點(diǎn)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(gè)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(huà)面，可以看出各調(diào)理通道經(jīng)過(guò)幅相校正之后，畫(huà)面顯示更為均勻細(xì)膩，圖像的視覺(jué)效果得到了明顯的改善。

2.2 波束優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　成像分辨率是前視聲納系統(tǒng)的重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)波束的時(shí)候總期望得到窄主瓣的同時(shí)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(mǎn)足半圓形陣列的高精度成像要求，本文給出了設(shè)計(jì)兼顧波束各項(xiàng)性能的最優(yōu)權(quán)值的方法。首先，計(jì)算得到包含精確延時(shí)信息的導(dǎo)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(shè)計(jì)問(wèn)題看作多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃^[8](Second-order Cone Programming, SOCP)的標(biāo)準(zhǔn)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(quán)。波束方向圖的綜合設(shè)計(jì)主要包括波束指向的控制、主瓣寬度約束、旁瓣等級(jí)約束、零陷約束、權(quán)值范數(shù)約束等，波束優(yōu)化的統(tǒng)一表達(dá)式為：

　　其中θ0為波束預(yù)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(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的波束設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。圖3(a)對(duì)比了均勻加權(quán)、余弦平方加權(quán)、切比雪夫加權(quán)和SOCP設(shè)計(jì)的最優(yōu)加權(quán)情況下的波束方向圖，可以看出，通過(guò)SOCP方法設(shè)計(jì)的加權(quán)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(guò)SOCP方法設(shè)計(jì)的具有不同主旁瓣性能的波束方向圖，波束的旁瓣等級(jí)分別為-20dB、-30dB、-40dB、-50dB、-60dB。仿真結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整約束條件，SOCP設(shè)計(jì)方法具有靈活的旁瓣等級(jí)控制能力，為探索圖像質(zhì)量與波束主旁瓣性能之間的關(guān)系提供了可能。

2.3 動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化

　　為了保證顯示的圖像有合適亮度和對(duì)比度，同時(shí)兼顧到實(shí)現(xiàn)時(shí)的計(jì)算復(fù)雜度和顯示設(shè)備的實(shí)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(jí)成為解決畫(huà)面動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵問(wèn)題，本文測(cè)試比較了截取和開(kāi)方兩種映射方法。測(cè)試發(fā)現(xiàn)截取方法^[10]不僅增加了用戶(hù)的操作復(fù)雜度，而且存在明顯的缺點(diǎn)，即在觀測(cè)微小信號(hào)的同時(shí)，大信號(hào)會(huì)出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象，產(chǎn)生畫(huà)面模糊。而開(kāi)方運(yùn)算可以更連貫地表示數(shù)據(jù)的變化，可以得到256個(gè)完整的灰度值，具有更強(qiáng)的信號(hào)表達(dá)能力，所以能夠最大程度的保留畫(huà)面的細(xì)節(jié)。

　　圖4給出了截取處理和開(kāi)方處理在水池中對(duì)圓環(huán)測(cè)試的結(jié)果，可以看出開(kāi)方處理后的畫(huà)面顯示的穩(wěn)定性提高了不少，無(wú)需反復(fù)調(diào)整截取位就可以得到圓環(huán)的聲學(xué)畫(huà)面，細(xì)節(jié)刻畫(huà)也很豐富，即使懸掛圓環(huán)的兩根細(xì)繩也能夠被清晰的顯示出來(lái)，效果改善非常明顯。

2.4 扇形視圖轉(zhuǎn)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(gè)距離單元上有540個(gè)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(lái)，就有將近4000行數(shù)據(jù)，實(shí)際的顯示設(shè)備顯然不滿(mǎn)足需求，所以需要對(duì)原始的圖像數(shù)據(jù)做縮放處理。此外，聲納系統(tǒng)的探測(cè)范圍實(shí)際上是一個(gè)扇形區(qū)域，如果將圖像數(shù)據(jù)直接在屏幕上顯示時(shí)，畫(huà)面為一個(gè)矩形圖像，雖然可以清晰地看出目標(biāo)位置，但是不符合人們的觀察習(xí)慣，所以需要把圖像數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)，做矩形視圖到扇形視圖的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)時(shí)將扇形中的每一個(gè)點(diǎn)映射到矩形圖像中的點(diǎn)，在扇形區(qū)域中，每一個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)角度和距離，所以在矩形圖中都能找到一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。圖5比較了矩形和扇形視圖兩種圖像數(shù)據(jù)的顯示結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)扇形顯示的圖像更加切合實(shí)際場(chǎng)景，符合人類(lèi)的視覺(jué)感官，可以大大提升用戶(hù)的視覺(jué)體驗(yàn)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證上述幾種改進(jìn)方法的有效性，在消聲水池和千島湖對(duì)聲納系統(tǒng)進(jìn)行了成像測(cè)試。根據(jù)聲納的技術(shù)指標(biāo)，測(cè)試選擇成像波束的旁瓣等級(jí)為-30dB。在消聲水池分別對(duì)懸掛的圓環(huán)和三角架等目標(biāo)的進(jìn)行成像，得到輪廓清晰和特征明顯的目標(biāo)圖像，如圖6(a)所示。在千島湖對(duì)水下潛水員進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描成像，可以得到連續(xù)清晰的潛水員運(yùn)動(dòng)畫(huà)面，圖6(b)所示。對(duì)堤壩的水下階梯進(jìn)行成像，得到了紋理清晰的階梯圖像，如圖6(c)所示。高質(zhì)量的實(shí)測(cè)聲納圖像進(jìn)一步驗(yàn)證了聲納系統(tǒng)成像視覺(jué)改進(jìn)方法的有效性和實(shí)用性。

4 結(jié)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(chǔ)上，對(duì)影響系統(tǒng)成像性能的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了四個(gè)改進(jìn)成像視覺(jué)效果的有效途徑，通道幅相校正、波束優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化和扇形視圖轉(zhuǎn)換。最后通過(guò)對(duì)不同探測(cè)場(chǎng)景的成像實(shí)現(xiàn)證明了本文改進(jìn)方法的有效性，改進(jìn)后的成像效果得到了明顯的改善，達(dá)到了系統(tǒng)優(yōu)化的預(yù)期目標(biāo)。

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