作者 窦法旺 夏伟杰 金雪 南京航空航天大学 电子信息工程学院(南京 211106)
*基金项目：2014年江苏省产学研联合立异资金赞助(BY2014003-14)
窦法旺(1991-)，男，研讨生，研讨方向：信息获取与处理;夏伟杰，男，副教授，研讨方向：雷达与声纳信号处理;金雪，女，研讨生，研讨方向：信息获取与处理。
摘要：视觉作用杰出的声纳图画能够愈加明晰地呈现水下场景，是方针定位与辨认的重要依据。本文在多波束扫描成像模型的基础上，剖析了影响前视声纳体系成像视觉的首要要素，并对体系进行了优化与完结。通道幅相校对改进了成像波束的指向功能，使得图画显现地愈加均匀细腻;成像波束优化选用二阶锥规划办法规划了接纳波束;动态规模优化选用开方处理，在确保灰度等级的一起，增强了图画细节信息的显现作用;扇形视图转化使得图画切合实践场景，愈加契合人类的视觉感官，大大提高了用户体会。最终经过对杂乱场景的成像测验验证了图画视觉作用改进办法的有用性。
导言
成像声纳体系作为水下勘探器的首要感官，担负着发现前方方针，对方针成像、定位、辨认和盯梢的使命，所起的作用相当于人的视觉部分，故也称其为声视觉体系[1]。取得视觉作用杰出的水下声学图画是声纳体系高效完结使命的重要保障。现在水下导航常选用的是前视声纳体系，它的长处是选用多波束电子预成、成像速度快、勘探效率高[2]。可是因为体系软硬件完结时存在的缺陷，以及成像算法与图画显现办法的局限性，声纳图画的视觉作用往往并不抱负。本文依据课题组研制的一款多波束前视声纳体系，侧重剖析了影响体系成像作用的几大要素[3]，并进行了优化与完结，首要包含通道幅相校对、波束优化规划、动态规模优化与扇形视图转化等。经过改进后的声纳体系成像质量更高，能够完结对杂乱场景的高精度成像。
1 声纳体系的整体结构
前视声纳体系[4]首要由半圆形的换能器阵列、信号调度与收集模块、信号处理与传输模块、终端显控软件与体系电源等五大部分组成。相对于传统的单波束机械扫描的办法，体系选用了多波束电子预成的成像计划，运用180阵元的半圆形阵列子孔径旋转的办法[5]构成多波束，即用1到91号阵元构成1到6号波束，2到92号阵元构成7到12号波束，以此类推，子孔径旋转90次之后，仅用6组加权系数即可构成540个波束，有用降低了对硬件完结时对加权系数的存储需求。体系作业时，首要依据显控软件下发的操控指令，对发射接纳声基阵进行操控，其次回波信号经过调度收集后，送到数字信号处理模块，在V6 FPGA中完结波束构成，然后将构成的波束数据经过V5 FPGA操控的千兆网上传至终端，最终在显控软件上进行实时图画显现，体系作业流程如图1所示。
2 成像视觉作用改进
本文依据的前视声纳体系选用数字多波束构成技能，在90度的视界规模内构成540个窄波束，完结对水下方针的勘探与成像。信号处理与传输模块选用依据FPGA的完结架构，幅相校对、成像波束优化和图画数据的动态规模优化均在该模块中完结，矩形视图到扇形视图的转化在终端显控软件中完结。
2.1 幅相差错校对
在数字波束构成算法中首要是对各个通道信号进行起伏加权和相位补偿[6]，生成加权系数时，一般假定各个通道的信号具有共同的起伏和相位特性。可是在实践情况中，因为换能器制造工艺的束缚以及芯片老化和热效应的影响[7]，实践的信号通道模型往往存在不同程度的幅相差错，然后导致体系成像质量的下降。
为了处理多通道之间的幅相不共同性问题，对180路的调度收集通道进行了幅相校对。试验时，运用信号发生器发生频率为450kHz的正弦波信号，一起输入到180路调度通道中，并在软件端选取原始数据，然后核算出各通道的幅相校对系数。体系作业时，经过终端显控软件下发给信号处理模块的V6 FPGA，在滤波抽取之后，对各个通道的实虚部数据别离进行校对。校对系数的核算首要是对收集到的原始数据做256点快速傅立叶改换，得到各通道的起伏和初始相位信息。将榜首通道作为参阅通道，其他各个通道的起伏差与相位差别离为：
图2所示为幅相校对前后的显现画面，能够看出各调度通道经过幅相校对之后，画面显现更为均匀细腻，图画的视觉作用得到了显着的改进。
2.2 波束优化规划
成像分辨率是前视声纳体系的重要方针，在规划波束的时分总希望得到窄主瓣的一起又能够得到低旁瓣，可是在阵列孔径和作业频率必定的情况下，两者是彼此对立的。为了满意半圆形阵列的高精度成像要求，本文给出了规划统筹波束各项功能的最优权值的办法。首要，核算得到包含准确延时信息的导向矢量
，则波束的空间指向性函数为;其次，将波束优化规划问题看作多方针优化问题，并转化为二阶锥规划[8](Second-order Cone Programming, SOCP)的规范方式;最终运用依据MATLAB的SeDuMi工具箱求解，得到适于成像的最优加权。波束方向图的归纳规划首要包含波束指向的操控、主瓣宽度束缚、旁瓣等级束缚、零陷束缚、权值范数束缚等，波束优化的一致表达式为：
其间θ0为波束预成方向，θML为波束主瓣方向，θSL为波束旁瓣方位，θNL为波束零陷方位，d(θML)为希望波束的主瓣，为附加的束缚。
不失一般性，这儿仅对远场条件下的波束规划进行试验仿真。图3(a)对比了均匀加权、余弦平方加权、切比雪夫加权和SOCP规划的最优加权情况下的波束方向图，能够看出，经过SOCP办法规划的加权具有彻底的等旁瓣操控能力，有利于得到共同性很好的波束。图3(b)给出了经过SOCP办法规划的具有不同主旁瓣功能的波束方向图，波束的旁瓣等级别离为-20dB、-30dB、-40dB、-50dB、-60dB。仿真成果表明，经过调整束缚条件，SOCP规划办法具有灵敏的旁瓣等级操控能力，为探究图画质量与波束主旁瓣功能之间的联系供给了或许。
2.3 动态规模优化
为了确保显现的图画有适宜亮度和对比度，一起统筹到完结时的核算杂乱度和显现设备的实践需求[9]，需要将波束构成之后的16比特高精度数据压缩到8比特宽度。如何将16位的波束数据映射到8位灰度等级成为处理画面动态规模的要害问题，本文测验比较了截取和开方两种映射办法。测验发现截取办法[10]不只增加了用户的操作杂乱度，并且存在显着的缺陷，即在观测细小信号的一起，大信号会呈现饱满的现象，发生画面含糊。而开方运算能够更连接地表明数据的改变，能够得到256个完好的灰度值，具有更强的信号表达能力，所以能够最大程度的保存画面的细节。
图4给出了截取处理和开方处理在水池中对圆环测验的成果，能够看出开方处理后的画面显现的稳定性提高了不少，无需重复调整截取位就能够得到圆环的声学画面，细节描写也很丰厚，即便悬挂圆环的两根细绳也能够被明晰的显现出来，作用改进十分显着。
2.4 扇形视图转化
终端软件显现的图画数据是波束构成后得到的，每个间隔单元上有540个波束，间隔分辨率为2.5cm，体系的最大作业间隔为100m，假如把一切的图画数据直接显现出来，就有将近4000行数据，实践的显现设备显着不满意需求，所以需要对原始的图画数据做缩放处理。此外，声纳体系的勘探规模实践上是一个扇形区域，假如将图画数据直接在屏幕上显现时，画面为一个矩形图画，尽管能够明晰地看出方针方位，可是不契合人们的调查习气，所以需要把图画数据从极坐标转化到直角坐标，做矩形视图到扇形视图的转化。完结时将扇形中的每一个点映射到矩形图画中的点，在扇形区域中，每一个点都对应一个视点和间隔，所以在矩形图中都能找到一个对应的点。图5比较了矩形和扇形视图两种图画数据的显现成果，不难发现扇形显现的图画愈加切合实践场景，契合人类的视觉感官，能够大大提高用户的视觉体会。
3 测验成果与剖析
为了验证上述几种改进办法的有用性，在消声水池和千岛湖对声纳体系进行了成像测验。依据声纳的技能方针，测验挑选成像波束的旁瓣等级为-30dB。在消声水池别离对悬挂的圆环和三角架等方针的进行成像，得到概括明晰和特征显着的方针图画，如图6(a)所示。在千岛湖对水下潜水员进行实时扫描成像，能够得到接连明晰的潜水员运动画面，图6(b)所示。对堤堰的水下阶梯进行成像，得到了纹路明晰的阶梯图画，如图6(c)所示。高质量的实测声纳图画进一步验证了声纳体系成像视觉改进办法的有用性和实用性。
4 定论
本文依据课题组研制的一款前视声纳体系，在多波束电子扫描成像的基础上，对影响体系成像功能的要素进行了详细剖析，并给出了四个改进成像视觉作用的有用途径，通道幅相校对、波束优化规划、动态规模优化和扇形视图转化。最终经过对不同勘探场景的成像完结证明了本文改进办法的有用性，改进后的成像作用得到了显着的改进，达到了体系优化的预期方针。
参阅文献：
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本文来源于《电子产品世界》2017年第4期第60页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
