一種二維高分辨成像聲納的系統設計*

（中國人民解放軍91550部隊 大連 116023）

1 引言

隨著水下工程的不斷發展，水下目標的跟蹤與測量應用需求越來越大，重視程度也越來越高［1］，尤其是水下目標的運動軌跡測量，對研究目標在水中的運動狀態以及姿態穩定控制方法具有重要意義。

對于水下目標的軌跡測量，通常采用外測和內測兩種方式，其中外測通常采用水下高速攝像機進行軌跡測量，但攝像機成像效果受海水透明度和照度影響很大，若特定海域的海水渾濁度或照度變差時，圖像的清晰度也相應變差，導致目標軌跡測量誤差較大，影響測量數據的有效性［2］。而內測方式需要將測試設備加裝進運動目標體上，在通常情況下不具備安裝條件，無法采用內測的測量手段；而利用高分辨的聲納成像，將其以特定的方式固定在水下平臺上，無需改變被測目標體的狀態，不影響目標體的可靠性。本文提出采用兩部高分辨二維成像聲納對目標體進行成像，將獲得的兩幅圖像信息進行交匯解算得出三維軌跡的方法，并設計驗證硬件系統。

2 系統總體組成

高分辨二維成像聲納測量系統對水下目標成像測量方式示意圖如圖1所示。整個測量系統主要包括兩部接收聲納和一部發射聲納、兩臺聲納顯控計算機、事后處理單元五部分構成，如圖2所示，其中每個接收基陣由160個基元組成。

圖1 聲納系統測量原理示意圖

圖2 系統組成框圖

聲納的電子倉主要完成聲學信號的預處理、數據采集與存儲、目標圖像形成等功能。為了減小體積，方便安裝，將接收基陣和電子艙通過水密金屬外殼集成在一起。發射聲納主要完成聲波發射。計算機主要完成獲取的目標回波原始數據、數據處理與圖像顯示、目標位置和姿態解算等功能。

3 系統硬件設計

3.1 接收聲納電子艙

聲納電子倉由聲信號預處理、數據采集與存儲和數字信號處理組成，如圖3所示。目標圖像數據和基元的原始數據可以上傳至計算機完成圖像顯示與解算。

圖3 聲納電子艙

3.1.1 信號預處理電路

信號預處理主要完成目標回波放大與濾波功能［3］。電路由低噪聲前置放大器、中間級放大、VCA（Voltage Controlled Amplifier）放大器、帶通濾波器等組成。前置放大器采用低噪聲的AD8429儀表放大器；VCA采用AD8336運算放大器，該放大器可以利用電壓控制增益，具有增益動態范圍大，增益控制簡單等優勢［4］；帶通濾波器采用雙二次型電路結構進行設計，該電路結構具有元件靈敏度低、調試簡單、電路穩定等優勢［5～6］。

圖4 模擬信號調理通道組成

3.1.2 數據采集與存儲

數據采集存儲單元主要完成聲信號的實時采集與存儲，方案如圖5所示，數據通過分組，分別存儲到不同的TF卡中。進行數據上傳時，需從TF中將數據讀出，然后上傳，整個過程通過FPGA實現，FPGA可以實現高速數據采集［7～8］。

圖5 數字采集存儲控制單元框圖

3.1.3 數字信號處理

數字信號處理單元有FPGA和DSP共同完成［9］。其中數據預處理FPGA主要完成對數字濾波、正交混頻、取包絡等預處理。數字信號處理FPGA主要完成實時波束形成、聚焦、圖像合成等功能，DSP主要完成網絡傳輸服務與計算機通信、千兆網數據傳輸、以及與FPGA之間建立數據鏈路，下發各種控制命令及參數。兩片FPGA數據傳輸采用LVDS方式，它具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射的優勢［10］。如圖6所示。

圖6 實時數字信號處理單元組成

數據預處理部分采用并處理模式，如圖7所示，共計160路數據。

圖7 并行處理

數字波束形成采用512點的FFT方式，如圖8所示。FFT由9級的基2運算模塊組成，每個模塊由蝶形運算、旋轉系數產生器、RAM、ROM組成。為了提高蝶形運算速度，乘法運算采用直接調用硬件資源方式實現［11］。

圖8 FFT模塊結構框圖

3.2 發射聲納

發射聲納由發射基陣換能器、發射機、水密箱等組成，其內部的電路結構如圖9所示。為了減小系統體積，發射聲納的發射機類型選擇高效率的D類功放［12］。工作時，發射機的驅動信號、供電、工作狀態監測等由接收聲納I完成。

圖9 發射框圖

4 實驗驗證

為了驗證成像聲納系統的硬件和軟件的性能，在實驗水池分別進行了分辨力和成像性能實驗。

4.1 分辨力驗證實驗

測量系統要求接收聲納的角度分辨力不大于0.5o。角度分辨力驗證的成像目標選定為直徑3mm，間距為5cm的鋼叉，如圖10所示。接收聲納放置在水深3m處；鋼叉放置在與接收聲納同一深度，水平距離為5.8m，發射聲納放置在接收聲納上，發射方向面對鋼叉。從接收聲納處觀測鋼叉，所形成的角度理論計算值應為0.5o。

圖10 聲納方位分辨力測試方法

成像聲納對鋼叉的成像結果如圖11所示，其圖像中圓圈內的兩個亮點是鋼叉在水中圖像，圖12是兩個亮點的局部放大圖，可以看出鋼叉圖像非常清晰，界限可辨。圖像中的左右兩側亮線為實驗水池的池壁反射，上方雜亂部分為發射方向對面池壁的多次反射。

圖11 成像聲納的方位分辨力結果

圖12 局部放大

為分析角度分辨力參數，利用圖像數據獲得了鋼叉圖像距離剖面，如圖13所示。將所關心的部分進行局部放大，由圖14可以看出，鋼叉所形成的角度小于0.5o，因此滿足系統技術指標要求。

圖13 目標距離門剖面

圖14 局部放大

4.2 成像驗證實驗

成像驗證實驗中所采用的目標為普通的乒乓球，如圖15所示。

圖15 實驗用乒乓球目標

將7只乒乓球利用細鋼絲拼接成倒“L”形，并利用重物將其懸浮水中，將發射聲納對準乒乓球進行發射聲波，形成的圖像如圖16所示，其中圖中“L”形最下方的亮點為重物圖像，其他7個亮點為乒乓球圖像，由于乒乓球目標回波強度遠大于鋼絲回波，并在圖像顯示中進行了增強處理，因此每個乒乓球圖像非常清晰，所有乒乓球也能呈現拼接圖形，因此成像驗證結果滿足要求。其中圖像左右兩側亮線為池壁反射。

圖16 乒乓球成像結果

5 結語

本文設計實現了一型用于水下目標成像的聲納系統，該系統具有分辨率高、成像效果好、抗干擾能力強、可靠性高等優點，并完成了系統硬件制作與調試，最后進行了水池測試實驗，對聲納的成像分辨能力和成像效果等性能進行了測試。結果表明，系統設計正確，并已多次應用于水下運動目標成像測量，同時已擴展至其他動目標和靜目標的水下成像等測量應用中，效果顯著。