水下便攜式三維聲納實時成像系統設計*

陳加洋，陳耀武

(浙江大學 數字技術及儀器研究所，浙江 杭州310027)

0 引 言

電磁波在水下衰減速率快，抗干擾能力差，而聲納信號傳播性好，穿透性強，通過聲納系統來進行場景成像已成為水下探測的最有效手段［1］。利用三維聲納成像技術可以探測靜止或運動目標的細節特征，并提供多視角觀察，在多個領域都具備廣泛的應用前景［2］。

目前，三維實時成像聲納裝置主要被安裝在船體上，如英國Coda Octopus 公司的Echoscope Mark Ⅱ型聲納系統［3］，或者將換能器安裝在能夠旋轉方位的水下機器人上，如美國RESON 公司開發的數字聲納設備Sea-Bat8128［4］。而此類聲納系統的陣元規模都比較大，設備笨重，在淺港、內河等水域難以勝任精確探測復雜水下環境和水下靈活作業的任務。

本文設計并實現了便攜式三維聲納實時成像系統，以相互垂直的發射接收陣元，通過不同頻率的聲脈沖信號透射觀察體積，經過實時圖像處理和顯示模塊得到三維聲納圖像［5］，使得蛙人能夠在水下實時獲得目標的聲學圖像，可用于淺水水域的精確探測。

1 系統原理和結構

如圖1 所示，假設在二維空間的遠場有一個單頻聲波信號源B cos ωt，頻率為f，波長λ，傳播速度為c，距離為D，接收陣元等間距排列，距離為d。當信號源滿足遠場條件時(D≥d2/λ)，回波信號可以被看為一個平面，信號的入射角為α，則相鄰陣元的波程差l=d·sin α，由此可得出相鄰陣元間的接收時延τ=d·sin α/c，相位差θ=2πfd·sin α/c，相應第p 個陣元接收到的回波信號為

將所有陣元的回波信號進行疊加，并經過幾何級數求和后可得

由表達式(2)可以看出疊加信號的大小取決于各信號的相位差θ，當θ 為0 時，即回波信號垂直于線陣入射時，接收到的能量達到最大值。

圖1 線陣接收回波示意圖Fig 1 Schematic diagram of echo receiving by line array

波束形成的基本原理是為了得到與直線陣元成某一角度α 方向上的波束信號，對n 個陣元接收到的回波信號進行不同的延時補償和相位補償，使這一方向上的信號在x＇軸上同相疊加，而其他方向的回波信號則相互抵消衰減，從而達到基于方向的空間濾波效果［6］。

便攜式三維聲納系統的結構如圖2 所示，設備可與船體通過線纜相連或者離線工作。液晶顯示屏安裝在基板下方，與信號處理板連接，實時顯示水下三維圖像和多項系統參數。電源板可在線纜提供的外部電源和電池電源之間切換，為各板提供數字電和模擬電，基板負責板間互連和結構固定。

圖2 系統結構3D 示意圖Fig 2 3D schematic diagram of system structure

聲納發射陣和接收陣被安裝在前面板上，探測水平方向120°，垂直方向75°范圍內的物體。利用波束形成原理，垂直發射線陣的陣元通過不同的相位差向探測空間的各個方向發射多路聲納脈沖信號，每個方向采用一種頻率，用于定位垂直方向，如圖3 所示，發射陣元材料選用PZT—4 型壓電陶瓷，具有較高的機電耦合系數。水平接收陣材料選用PZT—5 壓電陶瓷，具有良好的響應特性，獲取的回波信號經過帶通濾波后同樣利用波束形成原理添加相位和延時補償，將各路陣元結果疊加后得到所需水平方向上的最強信號。經過多輪的發射和接收循環最終在顯示屏上刷新出成像結果，實現水下三維探測。

圖3 波束發射示意圖Fig 3 Schematic diagram of beam transmission

2 系統實現

2.1 硬件設計

如圖4 所示，系統硬件主要由信號處理板、接收板和發射板組成。信號處理板完成75 路發射信號的產生和二級波束信號處理，實現與液晶屏之間的命令和數據通信，并將采集到的數據上傳到上位機。接收板連接水平接收陣的120 路換能器，完成信號調理和一級波束形成。發射板用于驅動垂直發射線陣工作。

圖4 系統總體框架圖Fig 4 System overall frame diagram

接收板首先對從換能器接收到的微弱電信號進行調理，將信號通過一個放大電路和300～600 kHz 的帶通濾波器，有效信號的衰減小于3 dB，使信號滿足A/D 轉換要求。然后模擬前端對聲納信號進行增益控制和同步采樣，增益范圍20～60 dB。采用Xilinx 公司的Spartan—6 系列FPGA完成第一級的波束形成，其內部集成大量的數字信號處理器(DSP)，可高效完成波束形成運算。兩片FPGA 各負責60 路信號，通過I2C 獲取當前量程等參數，到處理板的數據傳輸通過LVDS 接口完成。AFE5851 是TI 公司推出的面向高密度低功耗設備的新型集成模擬前端，集成了16 個可變增益放大器和8 個12 位64MSPS A/D 轉換器，系統的采樣速率為3 MSPS，每通道功耗小于20 mW。

信號處理板的FPGA 擴展1 GB 內存，從DDR 中獲取正弦波數字信號，采用查找表的方式生成75 路發射信號，最后經過D/A 轉換器生成模擬信號，同時FPGA 接收經過預處理的波束信號，實現二級波束形成，通過PCIe 總線將結果傳輸到處理器，用于實時成像。DM8127 是基于低功耗的數字媒體處理器，擁有強大的圖形處理能力和豐富的外圍接口，平均功耗小于3 W，可保證系統在電池供電時保持較長的續航時間。

2.2 FPGA 設計

接收板的FPGA 主要完成模擬前端的控制、數據的采集、120 路信號的DFT 運算、一級波束形成與上傳數據等功能。

由于隨著陣元數量的增長，波束形成算法對硬件系統的性能要求也顯著提高，在有限的成本下難以實時完成波束形成運算。為此，采用分級波束形成算法，以30 個陣元為一組子陣并行完成-60°～60°范圍內31 個方向的一級波束形成，再將4 個子陣作為4 個陣元完成全陣120 個方向的二級波束形成，相比直接獲取波束結果可減少90%的運算量［7］。

接收板的一級波束形成過程如圖5 所示，首先對各個陣元的150 個離散采樣點x1［n］做DFT 處理，并根據當前所處的頻帶k 提取頻域信號X1(k)，再參照各陣元的相移參數θ 進行相位補償［8］，最后將所有結果求和則可得到一級波束信號Rα。

圖5 一級波束形成流程Fig 5 Process of level－1 beamforming

在信號處理板，信號發射模塊通過DDR 控制器獲取當前方向的75 路數據，將發射信號發送到D/A 轉換器。FPGA 進行二級波束形成時，將每個子陣作為一個陣元，陣元的位置是子陣的中心點。在-60°～60°的范圍內均分120 個方向，形成某個方向的波束時，從各個子陣元選取方向最接近的一級波束信號，經過角度差調整后與一級波束形成類似，進行相位補償求和，最終獲得以接收基陣中心為原點的120 個方向波束信息。

2.3 軟件設計

系統的軟件功能主要由4 個部分組成，如圖6 所示。通信部分完成處理器與上位機、FPGA 和顯示屏的數據傳輸。數據管理部分實現一些重要圖像和數據的本地存儲和回放。參數控制需要配置發射脈寬、探測距離檔位、TVG控制等參數，同時傳遞人機交互的信息。

系統軟件的主體是三維建模，處理器從FPGA 接收到的波束信號無法直接用于三維成像，需要先將聲納信息解析為三維坐標平面的點陣信息［9］。處理器接收到的聲納信息包括:波束信號在水平方向的角度α，信號頻率k，目標點到陣元的距離D，信號強度B。數據解析過程需要將這些信息轉換到以水平接收陣為x 軸，垂直陣為y 軸，垂直于換能器平面的方向為z 軸的三維坐標系(x，y，z)中。轉換公式如下［10］

圖6 便攜式三維聲納系統軟件功能Fig 6 Software function of portable 3D sonar system

其中，β 是目標在垂直方向上的角度，發射扇面的每個方向波束采用不同的頻率，通過信號頻帶k 可以得到目標在垂直方向的角度β。由于發射波束和接收波束的方向是固定的，為提高轉換效率，避免冗余的耗時運算，處理器預先計算出所有方向的正切值存入數組中，進行坐標轉換時可利用查找到的正切值直接完成轉換。

采用三角網格構建將分散的數據點結合成可顯示的圖像片段。網格構建的方式選用歐氏距離最近鄰原則，首先設定一個閾值，若兩點間的距離小于此閾值，則可認為這兩點間有相鄰關系［11］。聲納系統的探測量程是可調的，使用固定的閾值會導致不同量程下出現大量的連接錯誤，成像效果不理想。為此，采用動態閾值，每當量程改變時，閾值將根據該量程的最大距離進行調整［12］。

3 測試結果

為驗證分級波束形成算法的可行性，利用Matlab 軟件對兩種算法進行仿真，設定在線陣中心0°方向有一個聲波信號源且滿足遠場條件。仿真得到的各方向波束結果如圖7和圖8 所示，采用分級算法的主瓣寬度在1°左右，具有和直接算法同樣高的分辨率，其旁瓣峰值的增量也小于0.5 dB，由此證明:分級波束形成算法既能夠取得與直接波束形成算法相同的效果，又可以大幅度減少系統資源占用，提高運行效率。

為實際測試系統的水下成像效果，在千島湖實驗基地進行試驗。圖9 為10～40 m 量程下探測到的湖底地形，通過顏色和紋理的變化可以清楚地看出湖底地形狀況。圖10為放置了圓筒障礙物后探測到的湖底地形。

圖7 直接波束形成算法仿真結果Fig 7 Simulation result of direct beamforming algorithm

圖8 分級波束形成算法仿真結果Fig 8 Simulation result of multistage beamforming algorithm

圖9 湖底地形成像結果Fig 9 Result of bottom of lake topography imaging

圖10 湖底地形與障礙物成像結果Fig 10 Result of bottom of lake topography and obstacle imaging

英國Coda Octopus 公司開發的Echoscope Mark 系列三維聲納采用大規模的平面陣換能器進行波束信號的發射和接收，與本系統樣機的技術指標對比如表1 所示。本系統樣機與Mark II 相比，大幅度減少了接收陣的陣元數量，僅僅犧牲了小部分的系統性能，而離線續航時間可達3 h以上，更是將水下重量減輕到了0 kgf，總體上仍然能夠滿足水下精確探測和靈活作業的需求。

表1 三維聲納系統技術指標Tab 1 Technical indexes of 3D sonar system

4 結束語

本文設計并實現了一種水下便攜式三維聲納實時成像系統。系統基于低功耗設計，采用優化后的分級波束形成算法高效完成聲納信號處理，通過自適應閾值的網格構建算法實現三維建模。測試結果表明:系統的水下三維實時成像效果良好，并且功耗低，重量輕，能夠適應多種復雜的水下工作環境，在港口探測、堤壩巡查、小型湖泊地形繪制、河道工程等方面具有廣泛的應用前景。

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