陳加洋，陳耀武

(浙江大學(xué) 數(shù)字技術(shù)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(hào)傳播性好，穿透性強(qiáng)，通過聲納系統(tǒng)來進(jìn)行場(chǎng)景成像已成為水下探測(cè)的最有效手段［1］。利用三維聲納成像技術(shù)可以探測(cè)靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，并提供多視角觀察，在多個(gè)領(lǐng)域都具備廣泛的應(yīng)用前景［2］。

目前，三維實(shí)時(shí)成像聲納裝置主要被安裝在船體上，如英國(guó)Coda Octopus 公司的Echoscope Mark Ⅱ型聲納系統(tǒng)［3］，或者將換能器安裝在能夠旋轉(zhuǎn)方位的水下機(jī)器人上，如美國(guó)RESON 公司開發(fā)的數(shù)字聲納設(shè)備Sea-Bat8128［4］。而此類聲納系統(tǒng)的陣元規(guī)模都比較大，設(shè)備笨重，在淺港、內(nèi)河等水域難以勝任精確探測(cè)復(fù)雜水下環(huán)境和水下靈活作業(yè)的任務(wù)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了便攜式三維聲納實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，以相互垂直的發(fā)射接收陣元，通過不同頻率的聲脈沖信號(hào)透射觀察體積，經(jīng)過實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)獲得目標(biāo)的聲學(xué)圖像，可用于淺水水域的精確探測(cè)。

1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，假設(shè)在二維空間的遠(yuǎn)場(chǎng)有一個(gè)單頻聲波信號(hào)源B cos ωt，頻率為f，波長(zhǎng)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(dāng)信號(hào)源滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)(D≥d2/λ)，回波信號(hào)可以被看為一個(gè)平面，信號(hào)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(shí)延τ=d·sin α/c，相位差θ=2πfd·sin α/c，相應(yīng)第p 個(gè)陣元接收到的回波信號(hào)為

將所有陣元的回波信號(hào)進(jìn)行疊加，并經(jīng)過幾何級(jí)數(shù)求和后可得

由表達(dá)式(2)可以看出疊加信號(hào)的大小取決于各信號(hào)的相位差θ，當(dāng)θ 為0 時(shí)，即回波信號(hào)垂直于線陣入射時(shí)，接收到的能量達(dá)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(hào)，對(duì)n 個(gè)陣元接收到的回波信號(hào)進(jìn)行不同的延時(shí)補(bǔ)償和相位補(bǔ)償，使這一方向上的信號(hào)在x＇軸上同相疊加，而其他方向的回波信號(hào)則相互抵消衰減，從而達(dá)到基于方向的空間濾波效果［6］。

便攜式三維聲納系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，設(shè)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(hào)處理板連接，實(shí)時(shí)顯示水下三維圖像和多項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)。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(shù)字電和模擬電，基板負(fù)責(zé)板間互連和結(jié)構(gòu)固定。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3D 示意圖Fig 2 3D schematic diagram of system structure

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

圖3 波束發(fā)射示意圖Fig 3 Schematic diagram of beam transmission

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖4 所示，系統(tǒng)硬件主要由信號(hào)處理板、接收板和發(fā)射板組成。信號(hào)處理板完成75 路發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生和二級(jí)波束信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)與液晶屏之間的命令和數(shù)據(jù)通信，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。接收板連接水平接收陣的120 路換能器，完成信號(hào)調(diào)理和一級(jí)波束形成。發(fā)射板用于驅(qū)動(dòng)垂直發(fā)射線陣工作。

圖4 系統(tǒng)總體框架圖Fig 4 System overall frame diagram

接收板首先對(duì)從換能器接收到的微弱電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，將信號(hào)通過一個(gè)放大電路和300～600 kHz 的帶通濾波器，有效信號(hào)的衰減小于3 dB，使信號(hào)滿足A/D 轉(zhuǎn)換要求。然后模擬前端對(duì)聲納信號(hào)進(jìn)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(jí)的波束形成，其內(nèi)部集成大量的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，可高效完成波束形成運(yùn)算。兩片F(xiàn)PGA 各負(fù)責(zé)60 路信號(hào)，通過I2C 獲取當(dāng)前量程等參數(shù)，到處理板的數(shù)據(jù)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(shè)備的新型集成模擬前端，集成了16 個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃骱? 個(gè)12 位64MSPS A/D 轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)的采樣速率為3 MSPS，每通道功耗小于20 mW。

信號(hào)處理板的FPGA 擴(kuò)展1 GB 內(nèi)存，從DDR 中獲取正弦波數(shù)字信號(hào)，采用查找表的方式生成75 路發(fā)射信號(hào)，最后經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換器生成模擬信號(hào)，同時(shí)FPGA 接收經(jīng)過預(yù)處理的波束信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)波束形成，通過PCIe 總線將結(jié)果傳輸?shù)教幚砥鳎糜趯?shí)時(shí)成像。DM8127 是基于低功耗的數(shù)字媒體處理器，擁有強(qiáng)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(tǒng)在電池供電時(shí)保持較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

2.2 FPGA 設(shè)計(jì)

接收板的FPGA 主要完成模擬前端的控制、數(shù)據(jù)的采集、120 路信號(hào)的DFT 運(yùn)算、一級(jí)波束形成與上傳數(shù)據(jù)等功能。

由于隨著陣元數(shù)量的增長(zhǎng)，波束形成算法對(duì)硬件系統(tǒng)的性能要求也顯著提高，在有限的成本下難以實(shí)時(shí)完成波束形成運(yùn)算。為此，采用分級(jí)波束形成算法，以30 個(gè)陣元為一組子陣并行完成-60°～60°范圍內(nèi)31 個(gè)方向的一級(jí)波束形成，再將4 個(gè)子陣作為4 個(gè)陣元完成全陣120 個(gè)方向的二級(jí)波束形成，相比直接獲取波束結(jié)果可減少90%的運(yùn)算量［7］。

接收板的一級(jí)波束形成過程如圖5 所示，首先對(duì)各個(gè)陣元的150 個(gè)離散采樣點(diǎn)x1［n］做DFT 處理，并根據(jù)當(dāng)前所處的頻帶k 提取頻域信號(hào)X1(k)，再參照各陣元的相移參數(shù)θ 進(jìn)行相位補(bǔ)償［8］，最后將所有結(jié)果求和則可得到一級(jí)波束信號(hào)Rα。

圖5 一級(jí)波束形成流程Fig 5 Process of level－1 beamforming

在信號(hào)處理板，信號(hào)發(fā)射模塊通過DDR 控制器獲取當(dāng)前方向的75 路數(shù)據(jù)，將發(fā)射信號(hào)發(fā)送到D/A 轉(zhuǎn)換器。FPGA 進(jìn)行二級(jí)波束形成時(shí)，將每個(gè)子陣作為一個(gè)陣元，陣元的位置是子陣的中心點(diǎn)。在-60°～60°的范圍內(nèi)均分120 個(gè)方向，形成某個(gè)方向的波束時(shí)，從各個(gè)子陣元選取方向最接近的一級(jí)波束信號(hào)，經(jīng)過角度差調(diào)整后與一級(jí)波束形成類似，進(jìn)行相位補(bǔ)償求和，最終獲得以接收基陣中心為原點(diǎn)的120 個(gè)方向波束信息。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件功能主要由4 個(gè)部分組成，如圖6 所示。通信部分完成處理器與上位機(jī)、FPGA 和顯示屏的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)管理部分實(shí)現(xiàn)一些重要圖像和數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)和回放。參數(shù)控制需要配置發(fā)射脈寬、探測(cè)距離檔位、TVG控制等參數(shù)，同時(shí)傳遞人機(jī)交互的信息。

系統(tǒng)軟件的主體是三維建模，處理器從FPGA 接收到的波束信號(hào)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(biāo)平面的點(diǎn)陣信息［9］。處理器接收到的聲納信息包括:波束信號(hào)在水平方向的角度α，信號(hào)頻率k，目標(biāo)點(diǎn)到陣元的距離D，信號(hào)強(qiáng)度B。數(shù)據(jù)解析過程需要將這些信息轉(zhuǎn)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?yàn)閦 軸的三維坐標(biāo)系(x，y，z)中。轉(zhuǎn)換公式如下［10］

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

其中，β 是目標(biāo)在垂直方向上的角度，發(fā)射扇面的每個(gè)方向波束采用不同的頻率，通過信號(hào)頻帶k 可以得到目標(biāo)在垂直方向的角度β。由于發(fā)射波束和接收波束的方向是固定的，為提高轉(zhuǎn)換效率，避免冗余的耗時(shí)運(yùn)算，處理器預(yù)先計(jì)算出所有方向的正切值存入數(shù)組中，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)可利用查找到的正切值直接完成轉(zhuǎn)換。

采用三角網(wǎng)格構(gòu)建將分散的數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)合成可顯示的圖像片段。網(wǎng)格構(gòu)建的方式選用歐氏距離最近鄰原則，首先設(shè)定一個(gè)閾值，若兩點(diǎn)間的距離小于此閾值，則可認(rèn)為這兩點(diǎn)間有相鄰關(guān)系［11］。聲納系統(tǒng)的探測(cè)量程是可調(diào)的，使用固定的閾值會(huì)導(dǎo)致不同量程下出現(xiàn)大量的連接錯(cuò)誤，成像效果不理想。為此，采用動(dòng)態(tài)閾值，每當(dāng)量程改變時(shí)，閾值將根據(jù)該量程的最大距離進(jìn)行調(diào)整［12］。

3 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證分級(jí)波束形成算法的可行性，利用Matlab 軟件對(duì)兩種算法進(jìn)行仿真，設(shè)定在線陣中心0°方向有一個(gè)聲波信號(hào)源且滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。仿真得到的各方向波束結(jié)果如圖7和圖8 所示，采用分級(jí)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(jí)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(tǒng)資源占用，提高運(yùn)行效率。

為實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的水下成像效果，在千島湖實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。圖9 為10～40 m 量程下探測(cè)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(cè)到的湖底地形。

圖7 直接波束形成算法仿真結(jié)果Fig 7 Simulation result of direct beamforming algorithm

圖8 分級(jí)波束形成算法仿真結(jié)果Fig 8 Simulation result of multistage beamforming algorithm

圖9 湖底地形成像結(jié)果Fig 9 Result of bottom of lake topography imaging

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

英國(guó)Coda Octopus 公司開發(fā)的Echoscope Mark 系列三維聲納采用大規(guī)模的平面陣換能器進(jìn)行波束信號(hào)的發(fā)射和接收，與本系統(tǒng)樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。本系統(tǒng)樣機(jī)與Mark II 相比，大幅度減少了接收陣的陣元數(shù)量，僅僅犧牲了小部分的系統(tǒng)性能，而離線續(xù)航時(shí)間可達(dá)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(cè)和靈活作業(yè)的需求。

表1 三維聲納系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab 1 Technical indexes of 3D sonar system

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種水下便攜式三維聲納實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。系統(tǒng)基于低功耗設(shè)計(jì)，采用優(yōu)化后的分級(jí)波束形成算法高效完成聲納信號(hào)處理，通過自適應(yīng)閾值的網(wǎng)格構(gòu)建算法實(shí)現(xiàn)三維建模。測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)的水下三維實(shí)時(shí)成像效果良好，并且功耗低，重量輕，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜的水下工作環(huán)境，在港口探測(cè)、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(yīng)用前景。

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