（水声工程专业论文）基于fpga的声成像算法研究与实现.pdf

哈尔滨一i ：秤大学硕十学何论文 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g i n gt e c h n o l o g yh a sp l a y e da l l i r r e p l a c e a b l er o l ei n m a n ys i t u a t i o n s w i t hw i d ea p p l y i n gf o r e g r o u n d ，i th a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n a st h ea c o u s t i c i m a g i n gs y s t e mu s u a l l y h a s l a r g ea m o u n to fd a t a , h i g h r e s o l u t i o n ，r e a l - t i m ei m a g i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r o c e s s o ri sr e q u i r e dt o h a v e c a p a b i l i t yo fh i g hs p e e d , h i g hp r e c i s i o n ，l a r g es t o r a g ea n dr e a l t i m e p r o c e s s i n g r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , f p g ah a sm u c hm o r ea d v a n t a g e si nr e a l - t i m ep r o c e s s i n ga n dp a r a l l e lp r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , a c o u s t i ci m a g i n ga l g o r i t h mi sr e a l i z e db a s e do nf p g aw h i c hi st h e m a i np r o c e s s o ri nt h es y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g no f d i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e mi s a l s oc o m p l e t e d f i r s t l y , t h et e c h n i c a li n d i c a t o ro fa c o u s t i ci m a g i n gs y s t e mi sp r o v i d e da n d a n a l y z e d t h e ns i m u l a t e dr e s e a r c ho nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fa c o u s t i ci m a g i n gi s d i s c u s s e d e m p h a s i si sp l a c e do nf p g aa l g o r i t h m ，s u c ha sf f tb e a mf o r m i n g ， n e a r - f i e l d f o c u s i n g ，w e i g h t e dp r o c e s s i n ga n d s e c t o rc o n v e r s i o n c o r d i c a l g o r i t h mi sr e s e a r c h e da n da d o p t e di na c o u s t i ci m a g i n ga l g o r i t h m t h es d r a m c o n t r o l l e ra n di t s a p p l i c a t i o n o nf p g aa r e i n t r o d u c e d s u b s e q u e n t l y , t h e f e a s i b i l i t ya n a l y s i so nt h er e a l i z a t i o no fs e c t o rc o n v e r s i o n b a s e do nd s pi s d i s c u s s e da n ds u c c e s s f u l l ya c h i e v e d f i n a l l y , t h eh a r d w a r es y s t e mo fa c o u s t i c i m a g i n gi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o no fr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n d t e c h n i c a li n d i c a t o r e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta n ds o m ed i s c u s s i o n sa r eg i v e no n t h ep r o b l e m so c c u r r e di nt h ee x p e r i m e n ta n dr e l e v a n tr e s o l u t i o n s ，a sw e l la sf u t u r e p r o m o t i o nc o n c e m e d a c c o r d i n gt ot h et e s t i n gr e s u l t s ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec i r c u i t slu l lw e l l i nt h ee x p e r i m e n t ，w h i c hf u l f i l l st h ep r e d e f i n e dr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：a c o u s t i ci m a g i n g ；f p g a ；b e a mf o r m i n g ；s e c t o rc o n v e r s i o n ；s d r a m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：叻勃长披 日期： 2 ( d 7 年；月脚日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：咄乃最很导师( 签字) ：琴洋啜茈 日期： 2 o 口1 年；月f ，日 o1 年1 ) 月fp 日 。 i i 7 f 哈尔滨r 稃大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 自从二十世纪初现代声纳问世以来，水声技术就成为水下目标探测、定 位和通信的有效手段，上世纪7 0 年代以来，微电子技术的发展使计算机硬件 发生了巨大的改观，从而推动了数字信号处理领域的变革，为声纳技术的进 一步发展奠定了坚实的基础。 随着二次世界大战美国率先使用声纳设备成功地躲过了日本的海底雷区 后，声纳技术受到了各国的重视，尤其表现在军事上的需求为重。随着海洋 开发活动的日益增多，对海洋的探索己不仅仅只限于军事目的，而且转向商 业和民用目的，如海底资源开发、石油勘探、自动绘制海底地形地貌图和探 测鱼群等掣。现在很多声纳系统终端还是主要通过观察视觉指示器上的信 号波形或通过声纳员的听觉来判断有无声纳目标以及目标的方位和距离。人 们认识世界的途径主要通过听觉、触觉和视觉三种方式，其中视觉是最为直 接和全面的，占人类接受信息的7 0 左右。图像对人类来说更为直观，所以 人们更希望通过成像声纳来探测目标。利用成像声纳不仅可以探测江、河、 湖泊水底的结构，还可以探测水雷、水下沉船等可疑物体，它能提供不易获 得的物体表面的细节信息，使人能够对物体的表面情况有清晰的了解，从而 做出正确的判断。在近距离内，水下摄像机等一些视频设备的成像效果虽然 在某些情况下比较好，但它的应用受到许多因素的制约，尤其当水文条件非 常恶劣时，几乎不能使用，这类情况在水下探测中是会经常遇到的。同样条 件下，声成像受到的约束就会小的多。因此，研究声纳成像技术是极有意义 的。无论是在军用或民用领域，声成像技术都将是未来船舶与海洋工程所要 研究的主要技术之一。 成像声纳一般采用主动方式工作，是对水雷等目标进行探测与识别的重 要手段。随着一些成像声纳系统的研制成功，各国学者及工程技术人员认为 成像声纳应该是一个水下目标成像系统，所以基于声纳图像的目标识别得到 了重视和发展，大家将着眼点放在了成像声纳上。其特点是高频、高分辨力、 多波束和实时图像处理。 哈尔滨一l j 程大学硕十学何论文 本论文就是在高频、高分辨率、实时声成像等方面做一些预研性的工作。 1 2 声成像技术概述 从上文可以看到，成像声纳有着广泛的用途，不仅关系到军事方面，还 关系到国民经济发展的很多方面。所以，研究和发展成像声纳是十分必要和 迫切的。 成像声纳的工作原理是利用主动发声设备发射声波，再由接收器接收声 波，所接收的声波中便会携带空间中物体的信息，通过计算机处理便可以形 成一维或多维图像，并通过计算机显示设备将其显示出来以便人们根据图像 对事件做出快速而正确的反应。声纳成像按成像方式可分为一维成像、二维 成像和三维立体成像。下面对这几种成像方式作简要说明：一维成像声纳也 就是测深仪或测距仪，它只能够测得舰船下面海水的深度或目标离舰船的距 离，而对目标方位无法测得；二维成像声纳可以得到目标的方位和距离信息 而无法得到深度信息，比如在行船的时候利用二维成像声纳测得前面有一块 暗礁而无法判断这块礁石离海面有多深，也就无法判断自己能不能安全通过； 三维声纳不但能了解到所观察目标的方位和距离信息，而且可以了解它的深 度信息，对于前面所提到的同样一个问题就很容易判断该怎样做，因为对同 样的事物了解的信息更全面了，所作的决定自然也就更迅速更正确。 随着水声技术的快速发展，以及成像声纳在各个领域广泛应用，世界上 许多国家都在发展自己的声纳成像技术，但是开发出的真正成像声纳为数并 不多，所开发出的成像声纳都具有硬实时的特点，也就是说，能够实时地对 目标进行探测和识别，并且能够提供二维或三维图像。目前，具有代表性的 有以下三大类： ( 1 ) 单波束机械扫描声纳。例如加拿大的9 7 1 、8 5 5 型声纳。它由机械旋 转的单波束形成全方位或某固定扇面内的的扫描来完成探测。结构简单，但 成像速率较低，不适于对运动物体的成像。英国h y d r o q u i p 公司生产的 s e a k i n g d u a l f r e q u e n e y s o i l a j ( d f s ) 是一种优秀的机械扫描成像声纳，实际上它 集成了两个扫描声纳。它有两个工作频率，当它工作在3 2 5 k h z 时，是一部 作用距离为3 0 0 米的探测声纳；当其工作在6 7 5 k h z 时，则是一部高精度的 成像声纳。该声纳还具有很快的扫描速度。在进行成像时，其波束宽度为2 2 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 度，作用距离1 5 0 米，最小扫描步长0 4 5 度。s e a s c a p e 公司的m a g e n e x 8 8 1 a 是一种可编程多频数字成像声纳，它具有3 种默认频率，当频率为3 1 0 k h z 时，其波束宽度为4 度；当频率为6 7 5 l ( h z 时，波束宽度为1 8 度；当波束宽 度为1 m h z 时，波束宽度为0 9 度。它的一个主要优点是体积小、重量轻， 只有1 5 公斤吲。 ( 2 ) 多波束预成电子扫描声纳，具有较高的速度，但由于旁瓣的作用， 成像质量略逊于单波束机械扫描声纳。具有代表性的是美国r e s o n 公司开 发的新一代数字声纳s e a b a t 8 1 2 5 ，该图像声纳是第一个宽观测角、宽带、使 用聚焦技术的多波束声纳，它通过友好的图形用户接口来进行操作，能够被 装载到探测平台或r o v 上，最深可下潜到1 5 0 0 米进行探测工作。它具备以 下特点：0 5 。的波束宽度；2 4 0 个波束；2 5 厘米的精度( 近场) ；6 厘米的距 离分辨率；1 2 0 。的覆盖角；中心频率4 5 5 k h z p l 。 另外，r e s o n 公司推出的前视声纳s e a b m 7 1 2 8 是一个双频率、高分辨 率的多波束声纳。工作频率2 0 0 k h z 4 0 0 k h z ；作用距离5 0 0 米1 4 1 。其主要技术 指标见下表。 表1 1s e a b a t 7 1 2 8 前视声纳主要技术指标 指标 2 0 0 k h z 4 0 0 l 州z 扫描角度 1 3 0 01 3 0 0 波束数 2 5 62 5 6 距离分辨率 2 5 c m 2 5 c m 波束宽度 o 5 。 0 5 0 水平波束宽度 1 0 00 5 0 乖亢波束宽度 2 7 02 7 0 ( 3 ) 三维成像声纳。具有代表性的是欧洲共同体和挪威共同开发的 e c h o s c o p e 系列三维声纳，它不仅能够对移动目标进行成像，而且还能在三 维环境中把目标重建出来，同时提取出三维空间坐标( x ，y z ) 。其中最重要的 是它能够产生一个刷新率为2 1 0 幅秒的水声视频图像，使一个移动目标的 轨迹能够实时地显示出刑3 1 。其中e c h o s c o p e l 6 0 0 系列可以根据使用时的具体 罔1 】s e a b a t 7 | 2 8 成像声纳及成像效果 要求选择不同的频率，以获得较大的观测范田和较高的崩像刷新率，或者获 得更高的图像分辨率。它有4 0 9 6 个波束，作用距离1 1 0 0 米；当频率为15 0 k h z 时，可视范围一9 0 。9 0 。；距离分耕率为1 0 厘米：波束火角l4 度；当频率 为3 0 0 k h z 时，可视范围5 0 。5 0 。；距离分褂率5 厘米：波束必角0 8 度： 当频率为6 0 0 k h z 时，町视范围2 5 。2 5 。：距离分辨率5 厘米；波束夹角 0 4 度。 圈12e c h o s c o p em k l l 成像卢纳及其成像设果 近年来，幽外的 i j f 究机构已研制出小巧实用的采j 月声透镜波束形成技术 的声透镜成像声纳，它成像速度快，而u 具j 1 体积小、使用最少的相关电路 的特点，有效地解决了r o ve 安装宅间与携带的能源受限的问题。典型的 代表是美啊大学研制的l i m i s 透镜声纳，工作频率为2 m h z ，艟高角分辨率 达到03 5 。，波求数为6 4 个，能够在浑浊的水r 】完成日 ；j i i , q ? , l j 的任务。澳大 哈 、滨i 程人中顺i 1 论文 利砸也在研制浑浊水域中庸用的三维声纳成像系统。澳夫利的汤姆逊马可 尼j ；纳公司联合防务科技局和澳早家海4 丌胜了“声学水雷成像”声纳的联 合研制计划，a m i 一一纳是一利哇动式的高频= 维成像声纳，依椎卢学手段探 删并确认布放住海床e 的水雷，迅速、高分辨地提供水雷的种类、佰放范例、 方位s m , p , j i 高，可以有效地在近海的混浊水域c p 进行反水雷作战。a m i 声纳发 射组声波声纳 1 ：列收集到l 1 标水雷的反射波后，计算机埘信号进行处理， 日杯水雷的r 可视图像就，。生在监视器e 了”1 。另外，荚日的海洋t q k 公词( o m i ) 丌发的取频识别声纳( d i d s o n ) ，其工作频率在1o m h z 到18 m h z 之问，探 测距离为1 m 到3 0 m 。 图1 3d i d s o n 成像声纳及其成像效果 我国的成像声纳也得到一定的发展，应用也越来越广泛，尤其在水下机 器八和水坝探伤等方暗l 的应用，但技术还不够成熟。我国的介成孔径卢纳成 像技术取得重人突破，成功地研制了湖试样机，) r 发了信息处理技术，进 ， 了高、低频的币目；| , j i , f ir 多甘标白勺卢纳成像试验。经过数据处理获得了分辨力 达0 3 m 日标物的清晰图像。随着科技的不断进步以及好) l f g 人日h 赴后续的不 断努力，我阿在卢纳的某些领域已经达到世界先进或领先水平，柏信我国的 成像声纳在不久的将来也定能赶超世界一流水平1 ”“”。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 1 3 论文的主要研究内容 本论文研究的主要内容包括：研究波束形成和扇形变换原理，根据系统 指标要求，评估运算量，确定波束形成和扇形变换的实现方法，并进行m a t l a b 仿真；学习f p g a 器件的结构和特点，完成波束形成和扇形变换的v e r i l o g 语言仿真，实现f p g a 对s d r a m 的读写控制；评估算法的运算量和资源消 耗，选取合适器件，完成图像声纳数字处理板的原理图设计和p c b 绘制；完 成系统的初步联调和算法的硬件测试。具体来说，主要完成以下工作： ( 1 ) 学习各种波束形成的方法，评估各种波束形成算法的运算量，根据 系统指标要求选择f f t 波束形成作为波束形成的实现方法；在近场，采用了 基阵正前方多点聚焦技术。波束形成中采用锲比雪夫加权来降低旁瓣级。 ( 2 ) 根据声纳图像的显示要求，研究了扇形变换算法；为了完成图像的 放大和旋转，研究了图像插值算法，包括最邻近插值、双线性插值、三次线 性插值等插值算法。最后完成了图像的放大和旋转。 ( 3 ) 学习f p g a 器件的结构和特点，运用v e r i l o g 语言，实现了基于f p g a 的聚焦波束形成和扇形变换算法；其中的f f t 算法采用了流水线结构，运用 基四和混合基算法分别实现了6 4 点、1 2 8 点、2 5 6 点、5 1 2 点f f t ；采用了 c o r d i c 算法实现扇形变换和复数取模运算；另外、f p g a 还实现了最邻近 插值算法和简化的双线性插值算法；最后，实现了f p g a 对两片s d r a m 的 乒乓读写，完成d s p 和f p g a 之间、两片f p g a 之间的通信。 ( 4 ) 根据系统指标要求，结合上述m a t l a b 和v e r i l o g 的仿真结果，评估运 算量，估计硬件规模，选择合适的处理芯片；根据数据量和传输速度确定板 间通信方式和数据上传方式；并据此确定硬件实现方案；最后，确定电路板 的尺寸，完成了图像声纳处理板的原理图设计和8 层电路板p c b 的绘制。简 要介绍了硬件设计中改善信号完整性的常用措施。 ( 5 ) 完成图像声纳处理板的焊接和调试，在硬件上对聚焦波束形成和扇 形变换算法进行了测试；对f p g a 读写s d r a m 、两片f p g a 问的通信、d s p 和f p g a 间的通信等程序模块进行了测试；最后，对整个系统进行初步联调 测试并对联调结果做简要分析。 ( 6 ) 对已完成的工作进行了总结，对以后的工作提出一些建议和设想。 6 哈尔滨t 稃大学硕+ 学何论文 第2 章数字成像系统论证和声成像算法仿真 2 1 引言 本章介绍了图像声纳系统的论证和各项参数指标的确定，对f f t 波束形 成、近场聚焦、锲比雪夫加权等算法进行仿真；提出了扇形变换的算法模型， 并对扇形变换和图像插值算法进行了仿真，完成了图像的放大、旋转等功能。 2 2 图像声纳的主要技术指标 2 2 1 基本指标 发射信号：f = 3 7 5 k h z 的c w 脉冲信号； 波束宽度( 角度分辨率) ：0 5 。； 距离分辨力：5 c m 基元间隔：2 5 m m ； 波束数：5 1 2 个； 基元数目：1 6 0 个； 扫描角度：一4 5 0 4 5 0 ； 作用距离：1 5 0 m 。 2 2 2 指标的确定及分析 1 、阵元间距的确定 本成像声纳系统用于水下声成像，作用距离1 5 0 米，考虑到声波的传播 损失和频率的关系，参考其他同类产品，本系统采用的发射信号频率为 3 7 5 k h z 。本系统采用等间距线列阵，根据中心非模糊扇面理论，波束扫描过 程中不会出现副极大时，阵元间距d 由下式确定： 兄2 d s i n 4( 2 1 ) 所以，取d ( 2 2 ) z ，这里取声速1 5 0 0 r n s ，得到旯= c f = 4 m m 。因此得 到基元间隔d 0 7 0 7 4 2 8 m m ，取d = - 2 5 m m 。 2 、阵元数的确定 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 由于要求角度分辨率为0 5 。左右，阵元间距可有下述经验公式： o 8 趴m = s i n 0 ( 2 2 1 得到n 1 6 0 。 3 、信号脉宽的确定 脉冲宽度与距离分辨力有关，系统要求的距离分辨力为5 c m ，发射信号 的最大脉宽r 由下式决定： a r c r 2 ( 2 - 3 ) 所以r 6 6 7 a s ，同时，为了保证视野的最大开角，信号的脉宽还要有个最 大的限制，即为了保证最边缘波束，采样的时间宽度必须在一定的数目周期 以上，f 的最小值要根据试验结果调整。 4 、发射信号声功率的确定 信号发射声功率和图像声纳的作用距离、目标强度等参数有关。考虑到 系统要留有一定的余量，作用距离按2 0 0 米计算。主动声纳方程见下式： s e 一2 t l + t s r l = d t ( 2 - 4 ) 假设目标为一半径为a = 0 1 米的刚性球，其目标强度t s = 1 0 1 9 ( a 2 4 ) = 一2 6 d b 。当信号频率为3 7 5 k h z 时，海水的吸收系数口= 0 0 8 d b m ，则2 0 0 米的作用距离上的球面波声传播损失儿= 2 0 1 9 r + 凹= 6 2 d b 。假设混响级肛 为4 5 d b ，处理器输入端的信噪比d t = 1 0 d b ，由式( 2 4 ) 得：声源级s l = 2 0 5 d b 。 由式： s l = 1 0 1 9 p + 1 7 1 + d i r( 2 - 5 ) 得发射信号的声功率p = 2 0 0 瓦。假设这里基阵的发射指向性指数 d i r = 1 0 1 9 ( 3 6 0 3 0 ) = 1 1d b 。 5 、接收机动态范围的确定 对于本成像声纳系统，按照球面波传播规律，当信号频率为3 7 5 k h z 时， 海水的声吸收系数口= 0 0 8d b m ，在最小作用距离上传播损失为： 仡曲= 2 0 1 9 r i n + 面 ( 2 - 6 ) 最大作用距离上传播损失为 儿一= 2 0 l g + 衄 ( 2 7 ) 这里，m i = 1 米，衄= 1 5 0 米，因此，接收机至少应该具有的动态范围为： 2 儿眦一2 化晌2 5 6 d b 。 。 8 哈尔滨1 ：程大学硕+ 学何论文 6 、波束形成算法的选择 在考虑波束形成时，如果利用时延波束形成，在用数字方法进行时延时， 即通过a d c 的采样实现延时，那么阵元间的延时时间f ，即阵元间相位差必 须为采样间隔的整数倍： f = k a = ( 缸c ) xs i n 秒( 2 8 ) 其中，k 是正整数，缸是空间采样间隔，p 是波束方向。这种波束形成方法 有两个缺点：一是我们不能把波束定义在任何方向上，二是如果我们想把波 束定义在一定的方向上，就必须减小a d c 采样间隔，使秒更加细化，这样 做的后果是要求a d c 的采样频率非常的高。本系统要求的角度分辨率0 5 。， 阵元间距2 5 r a m ，如果采用时延波束形成，a d c 的采样频率至少为6 9 m h z ， 这样做a d c 的采样频率过高，需要的存储量会很大【们。 对于上述缺点，我们可以通过内插波束形成来避免高的采样率，如果想 得到理想的内插效果，对内插滤波器要求较高。由于本系统阵元数较多，不 管采用先内插，再波束形成或者采用先波束形成，再内插的波束形成器的结 构，计算量都会相当的大。 由于本图像声纳系统是窄带系统，可以考虑用相移波束形成，作为相移 波束形成中的一种，d f t 波束形成由于可以利用数字信号处理中的f f t 算法 而显得更有生命力。下面就将对d f t 波束形成做一简要介绍。 2 3 聚焦波束形成的m a t l a b 仿真 2 3 1 等间隔直线阵f f t 波束形成 一个n 元等间隔直线阵阵元间隔为d ，当接收信号为单频或窄带信号时， 基阵第f 号阵元的输出信号可用复数表示为： x ，o ) = 嵋p ( 删“缈( - 万f o 万) ，( f = o ，1 ，一1 )( 2 9 ) 一 其中妒= 竺s i n 秒为相邻阵元接收信号问的相位差，9 为信号入射方向与基 九 阵法线之间的夹角，为基阵各阵元的幅度加权系数，缈为信号角频率，力 为信号波长。忽略时问因子，记阵元输出为： 墨= w i e ，咿 ( 2 1 0 ) 9 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 如果在相邻阵元问插入相移屏，则基阵第i 号阵元的输出信号变为： x ；o ) = w f e j 脚f e j ( 妒饵)( 2 11 ) 阵输出为： 所( f ) = t v - - uw f p 埘p 巾伊一怫= 一o 一鹏 i = 0i - - o 忽略时间因子，阵输出为： 一l b r = 甲硼 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 如果取屏= 等h ( 2 1 3 ) 式就可以化为： 一n - ! 一，竺7 b r = p 行 ( 2 1 4 ) 式( 2 - 1 4 ) 实际上是离散傅立叶变换的形式，因此计算一个等间隔直线阵各 波束输出值就等价于计算各阵元的输出信号x ，的离散傅立叶变换。x ，的物理 意义表示基阵的不同阵元在同一时刻对信号在空间上的等间隔采样。对x i 作 f f t 就是为了提取信号的离散空间谱线，这个空间谱线就表示信号在空间上 的能量分布，这和波束形成要做的工作恰恰是一致的。所以可以利用这一特 点对基阵输出信号作快速的波束形成。 式( 2 - 1 4 ) 同时也表示当阵元插入相移历时，主极大方向被控制到 s i n ) = 南，方向上。当信号方向目= p = a r c s i n ( 击，) 时，i 肼l = 1 达到最 大，各阵元接收信号同相相加，b r 代表在两邻阵元问插入相移伊时，第r 号波束的输出。阵元间不同的补偿相位屏o = 0 , 1 ，n 一1 ) 形成的n 个波束的 间隔为： s i n o , - s i n o r + l - s i n o r2 南( 2 - 1 5 ) 图2 1 为阵元间距为d = - 2 5 m m ，信号频率为f = - 3 7 5 k h z ，阵元数为1 6 0 ， 扫描角为4 5 0 ，目标距离2 0 0 米，方向为l o o 的等间隔直线阵f f t 波束形成 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 仿真结果。 f f p 波束形成图 ：仙川山川jlj川洲。】；f|。：j。|_：删：酬 9 黜川m 删： - 5 005 0 扫描角度0 ( 度) 图2 1 等间隔直线阵f f t 波束形成仿真结果 2 3 2 近场聚焦波束形成 上述f f t 波束形成是针对远场平面波的，而近场也在成像声纳的成像的 范围之内。声波在近场服从球面波传播规律，直接做波束形成的方法不再适 用，需要对近场回波信号做聚焦波束形成q 。 ， 声波的传播在近场已不按照远场平面波规律进行传播，根据通常的经验， 远场平面波近似在，- r 力处开始有效，三为基阵尺寸，力为信号波长。例 如：当基阵阵元为n = 1 6 0 ，阵元间距d = 2 5 m m ，信号频率为3 7 5 k h z 时，当 r _ 4 0 米才符合远场条件1 。采用远场假设会带来严重的波束性能恶化。因此 很有必要研究近场条件下的波束形成及优化设计问题。 在近场，可以认为声波按球面波规律传播，对于等间隔线阵，可以得到 阵元m 相对于阵中心由于球面波而引起的相位差矽。，在波束形成之前，对这 个相位差矽。进行补偿，即可得到较好的波束形成效果。对任意一阵元m ，具 体方法如图2 2 。 0 0 0 o 0 一 乏 o 4 一p)越馨 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 i s = e ”。 - i 一一 图2 2 等间隔线阵近场聚焦示意图 & 声源；，o ：声源到阵中心的距离；，用：声源到阵元m 的距离；聊： 第m 号阵元；口：声源5 与基阵法线的央角；d ：阵元间距。 由余弦定理得： ( 2 - 1 6 ) c m = 孕= 了2 r i d ( 朋- r o ) = 引d 2 + r 0 2 - 2 d r oc o s ( 9 0 一粤0 ) 一r o 】( 2 _ 1 7 ) 相对于基阵中心点，各阵元相位补偿为p 叫b ( m = 一8 0 ，3 1 8 0 ) ，由此可 以得到各阵元聚焦补偿系数，然后对各阵元进行相位补偿。 在近场做聚焦波束形成时，有两种方案：正前方单个波束聚焦和所有波 束都聚焦。 先来研究一下正前方单个波束聚焦是如何实现的，以等间隔线阵作为例 子来进行研究。 图2 3 正前方单个波束聚焦波束形成几何关系图 1 2 8 哈尔滨。i j 稃人学硕十学位论文 如图2 3 所示，s 在参考点( 沿声轴方向离阵中心r o ) 处，近场声波按球 面波规律传播，即波阵面为球面，可以利用几何关系计算得到基阵任意阵元 与参考点的声程差仍，伊：，仍，缈。，按照波束形成的基本原理：对各阵元接 收的信号进行时延或相移补偿，使各阵元信号在正前方方向上形成同相相加。 在波束形成时先把这些声程差补偿回来，仍，缈：，仍，缈。称作聚焦校正因子。 对空间别的波束都用仍，伊：，仍，( a m 来进行相位补偿，s 点为聚焦点，这种聚 焦方法称作正前方单个波束聚焦。 近场聚焦后指向性近场聚焦后指向性 0 1 0 已2 0 毯 避 3 0 枷 o5 0 扫描角度0 ( 度) 图2 4 声源方向不同时正前方单波束聚焦仿真结果 图2 4 是对阵元间距为d = 2 5 m m ，信号频率为f = 3 7 5 m z ，阵元数为1 6 0 ， 扫描角为4 5 0 ，焦点位置在基阵正前方1 0 m 处，声源位置3 0 m ，信号方向 分别为5 。和3 0 。的等间隔直线阵聚焦波束形成仿真结果。这种方法存在一 个问题，在较大角度上的波束宽度会变宽且主旁瓣比会减小，产生恶化的主 要原因是这种补偿并不是使所有方向的信号都能达到同相相加，只有沿声轴 方向的信号通过相移补偿能达到同相相加，信号方向偏离声轴的角度较大时， 这种聚焦方法就很难对波束产生非常有效的改善。所以只有当基阵扫描角度 比较小的时候这种聚焦方法才适用。 对于上面所提到聚焦方法所存在的问题，可以用对所有波束都进行聚焦 的方法来进行改善。下面以等间隔线阵为例对所有波束都进行聚焦的波束形 成方法作简要说明。 哈尔滨 ：稃大学硕十学位论文 图2 5 焦面聚焦波束形成几何关系图 如图2 5 所示，声源在近场空间任意一点s ，s 离基阵中心距离为，声 波按球面波规律传播( 波阵面) ，基阵任意阵元与参考点的相位差为仍， 缈，妒。，在波束形成时先对基阵输出做相位补偿，使各阵元的输出信号在 声源方位达到同相相加。对于空间上的所有的波束都利用这样的方法进行补 偿，这样做就使得无论信号从扫描范围内任何波束方向入射到基阵，通过相 移补偿都能达到同相相加。n 元等间距线阵在空间有n 个独立波束，所以只 需要对空间n 个方位上作相位补偿就可以了。 在工程上如果计算每一点的补偿相位，计算量太大不利于实时成像，通 常的办法是提前计算好聚焦在不同距离的补偿相位并存储在存储器中，在波 束形成的时候只需要调用这些补偿相位，这样做可以提高计算速度。但是若 所有的距离都进行聚焦，存放这些补偿相位需要很大的存储空间，会造成系 统资源的紧张。在实际中往往采用只取若干个聚焦点的办法，把离厂0 焦点较 近的若干距离都按照焦点的补偿相位进行补偿，这样做虽然会影响离焦点 较远的距离上的波束形成的效果，但可以大大提高系统资源的利用效率。 上述两种聚焦波束形成方法各有自己的适应范围，当成像声纳的成像区 域范围不大时可以选择正前方单个波束聚焦的方法，这样方法对所有方向的 信号只需要补偿一次，计算量不大，有利于实时成像。在实际的系统中，正 是采用了这种聚焦方法，焦点位置可以有多个，事先把各个焦点的聚焦因子 存储在r o m 中，可以实现正前方不同焦点的聚焦。 1 4 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 0 1 0 忑2 0 蜊 1 哑 鲁3 0 4 0 近场聚焦后指向性近场聚焦后指向性 5 0 0 - 1 0 号- 2 0 蜊 坚- 3 0 4 0 。删。：蒯j!。糯 05 0- 5 005 0 扫描角度0 ( 度)扫描角度0 ( 度) 图2 6 焦点位置不同时正前方聚焦仿真结果 图2 6 是对阵元间距为f = 3 7 5 l m z ，信号频率为f = - 3 7 5 k h z ，阵元数为1 6 0 ， 扫描角为4 5 0 ，焦点位置分别在基阵正前方5 m 和1 0 m 处，声源位置1 0 m ， 信号方向分别为1 0 。的聚焦波束形成仿真结果。 2 3 3 锲比雪夫加权 在声纳成像时还要考虑旁瓣对声纳图像的影响，当旁瓣的干扰很剧烈时 无法得到很清晰的声纳图像。为了改善阵的指向性，降低波束的旁瓣级，通 常要对阵元幅度进行加权，对幅度加权常用的标准有：在给定旁瓣高度的要 求下获得最窄的主瓣；在给定主瓣宽度要求下获得最低的旁瓣；在一定阵元 数下满足给定的主旁瓣高度比等等。 对于等间隔线阵或平面阵契比雪夫加权法是一种比较理想的加权方法。 用这种方法可以得到相同的旁瓣级，契比雪夫加权法可以在任意给定的旁瓣 级下使主瓣宽度最窄；在给定主瓣宽下使旁瓣级最低。这些性质恰恰满足了 在波束形成中对幅度加权的要求，所以契比雪夫加权法在波束形成中被广泛 采用2 1 。图2 7 的参数和图2 6 左图参数相同。 哈尔滨。广稃大学硕十学何论文 已 倒 l 哑 詈 0 1 0 - 2 0 - 3 0 - 4 0 锲比雪夫加权前锲比雪夫加权后 - 5 005 0 扫描角度0 ( 度) 0 - 1 0 已- 2 0 型 罂3 0 4 0 05 0 扫描角度0 ( 度) 图2 7 等间隔线阵的锲比雪夫加权前后的波束形成图 2 4 扇形变换的m a t l a b 仿真 由于在做完f f t 波束形成之后，得到的是( s i n 0 ，) 坐标系下的图像数据， 为了和现实的世界建立一种映射，方便人们观察，需要把图像从极坐标系下 转换到直角坐标系下。由于坐标转换运算不是线性的，转换之后要进行插值， 因此扇形变换的核心算法由坐标转换和插值运算组成。下面将详细说明。 2 4 1 坐标转换模型的建立和插值算法的选取 1 、坐标转换 坐标转换有两种方案，一是把极坐标系下所有点转换成直角坐标，在直 角坐标下完成插值运算。如果图像显示的量程为0 1 5 0 m ，那么需要把所有 0 1 5 0 m 的极坐标系下的像素点转换到直角坐标系下，在直角坐标系下完成插 值运算，由于系统的采样频率很高( 1 3 7 k h z ) ，这种方案的计算量和图像显示 的量程成正比，运算量非常大，不能适应图像实时显示的要求。另外一种方 案是把直角坐标系下的那些需要显示的像素点转换成极坐标系下，在极坐标 系下完成插值运算，对于一幅6 0 0 x 6 0 0 的图像，第二种方案只需做6 0 0 x 6 0 0 次坐标转换，而且与量程无关。因此，在本系统中采用了第二种坐标转换方 案。 1 6 哈尔滨t 群大学硕十学何论文 。 图2 8 坐标转换示意图 由下式 ，= x 2 + y 2 ( 2 1 8 ) 秒= a r c t g ( y x ) ( 2 1 9 ) 可以找到直角坐标系下的像素点n ( 图2 8 右图中的网格交叉点) 在极坐标系 下的对应点m ，如果m 点正好落在极坐标的栅格中，采用插值算法求出m 点的值，此值就是像素点1 1 的值。如果m 点落在极坐标的栅格交叉点上，极 坐标下栅格交叉点的值就是像素点1 1 的值。 由于扇形变换是对波束形成后的数据进行运算，如果采用f f t 波束形成， 得到的数据y 是( s i n o ，) 的函数，且在以s i n 0 为横坐标上均匀分布3 1 ，因此 坐标转换时，需要对式( 2 1 9 ) 进行修正，式( 2 - 1 9 ) 变为s i n o = x 、i x 2 + y 2 。 如果波束扫描的角度较小，可以采用式( 2 1 9 ) 做近似计算。 2 、插值算法的选取 图像插值是图像处理的一个基本问题。从简单的图像缩放、旋转等操作， 到图像配准、三维图像重建等复杂的处理都需要使用到图像插值。常用的图 像插值方法包括最近邻点插值、双线性插值、双三次插值等哪【1 5 1 。 由m a t l a b 仿真分析以及硬件实现的限制，考虑到图像显示的实时性和图 像显示效果，选取了双线性插值作为扇形变换中的插值算法。在以后各章的 讨论中，会根据具体情况对插值算法进行修改。 哈尔滨t 程大学硕+ 学付论文 2 4 2 扇形变换算法模型的建立 1 、算法模型 对于一幅6 0 0 6 0 0 的图像，如图2 8 ，假设在直角坐标系下，一像素点 r l ( 图2 8 右图中的网格交叉点) 的索引值为( a ，功，口，b = 1 ，2 ，3 6 0 0 。网格 的长宽分别为b i n x 、b i n _ _ y ，则像素点n 的坐标为： x = a 卡b i n x ( 2 2 0 ) y = b 木b i n y ( 2 2 1 ) 像素点n 对应到极坐标系下的坐标是： ，= ( 口幸6 f 疗一x ) 2 + ( b * b i n y ) 2 ( 2 2 2 ) 秒= a r c t g ( ( a 幸b i n x ) ( b 宰b i n y ) ) ( 2 2 3 ) 假设极坐标下两行( b i n ) 的间距为b i n ，由n 点的坐标( 厂，乡) ，可以计算出1 1 点 在极坐标网格中的索引值( ga ) 。c 为行，d 为列。 c = 0 b i n p ( 2 2 4 ) d=，bin(2-25) b i n 秒为角度分辨率9 0 5 1 1 。这样，我们可以根据r n 点的索引值( c ，动，在 极坐标系下运用插值运算，来计算对应n 点的像素值。插值运算所用到的索 引值分别为( c ，国，( c + l ，国，( c ，d + 1 ) ，( c + l ，舟1 ) 。如果( c ，功为整数，插值运 算可以省略。 具体实现时，如果把波束形成后得到的极坐标下的数据存储在s d r a m 中，那么索引值就是插值运算所要用到数据的行列地址。 2 、图像的放大、旋转及量程转换的实现 ( 1 ) 图像的放大 图像放大可以通过改变b i nx 、b i ny 实现，在屏幕分辨率不变的情况下， b i n x 、b i n _ _ y 的值越小，屏幕上显示的图像越大，得到了放大的效果。 ( 2 ) 图像的旋转 一 在实现图像旋转时，改变图像数据在s d r a m 中存储排列方式既可，在 l r 哈自：i 宾j 程人学顾卜学化论之 刘圈像z f j 某一区域进 r 放人 时，可以先把l 囊【蔓域的图像旋转到图像中心位置， 1 进行放大，或行直接对垓r 域的图像进行放人。 f 3 1 鼋程的转换 量程的转掀也是通过改变b i nx 、b i ny 来实现的，j 小过征求索引值时， 要加j ：量程初始值埘心的索引值。 2 43 扇形变换的m a t l a b 实现 扇形变换的m a t l a b 仿真完成了图像的放大、旋转等操作。为了更好地i 兑 明扇形变换的结果，本文做了两类仿真，一种是连续信号，一种是脉冲信号。 1 、连续信号的扇形变换仿真结果： m 皮韶引值, q l 垃索，；】值 图21 0 量程4 0 8 0 米的扇形变换结果 凹21 0 参数：屏幕分辨率6 0 0 6 0 0 ；声源方化：基阱法线偏1 2 。；量 程4 0 一8 0 米；扫描角度一3 0 。一3 0 0 。 出图21 0 可以看出，在最程为4 0 - 8 0 米时，罔像和图2 9 相比，已有放 人的作川，为了保自e 幽像不失真，必须使b i nxb i ny ，这样的结果会使大角 度上罔像硅示不山米，此叫题可以通过图像的旋转米解决，见下图： j l ， 图 】2 。： 2 、 为 度5 m