一种二维高分辨成像声纳的系统设计*

（中国人民解放军91550部队 大连 116023）

1 引言

随着水下工程的不断发展，水下目标的跟踪与测量应用需求越来越大，重视程度也越来越高［1］，尤其是水下目标的运动轨迹测量，对研究目标在水中的运动状态以及姿态稳定控制方法具有重要意义。

对于水下目标的轨迹测量，通常采用外测和内测两种方式，其中外测通常采用水下高速摄像机进行轨迹测量，但摄像机成像效果受海水透明度和照度影响很大，若特定海域的海水浑浊度或照度变差时，图像的清晰度也相应变差，导致目标轨迹测量误差较大，影响测量数据的有效性［2］。而内测方式需要将测试设备加装进运动目标体上，在通常情况下不具备安装条件，无法采用内测的测量手段；而利用高分辨的声纳成像，将其以特定的方式固定在水下平台上，无需改变被测目标体的状态，不影响目标体的可靠性。本文提出采用两部高分辨二维成像声纳对目标体进行成像，将获得的两幅图像信息进行交汇解算得出三维轨迹的方法，并设计验证硬件系统。

2 系统总体组成

高分辨二维成像声纳测量系统对水下目标成像测量方式示意图如图1所示。整个测量系统主要包括两部接收声纳和一部发射声纳、两台声纳显控计算机、事后处理单元五部分构成，如图2所示，其中每个接收基阵由160个基元组成。

图1 声纳系统测量原理示意图

图2 系统组成框图

声纳的电子仓主要完成声学信号的预处理、数据采集与存储、目标图像形成等功能。为了减小体积，方便安装，将接收基阵和电子舱通过水密金属外壳集成在一起。发射声纳主要完成声波发射。计算机主要完成获取的目标回波原始数据、数据处理与图像显示、目标位置和姿态解算等功能。

3 系统硬件设计

3.1 接收声纳电子舱

声纳电子仓由声信号预处理、数据采集与存储和数字信号处理组成，如图3所示。目标图像数据和基元的原始数据可以上传至计算机完成图像显示与解算。

图3 声纳电子舱

3.1.1 信号预处理电路

信号预处理主要完成目标回波放大与滤波功能［3］。电路由低噪声前置放大器、中间级放大、VCA（Voltage Controlled Amplifier）放大器、带通滤波器等组成。前置放大器采用低噪声的AD8429仪表放大器；VCA采用AD8336运算放大器，该放大器可以利用电压控制增益，具有增益动态范围大，增益控制简单等优势［4］；带通滤波器采用双二次型电路结构进行设计，该电路结构具有元件灵敏度低、调试简单、电路稳定等优势［5～6］。

图4 模拟信号调理通道组成

3.1.2 数据采集与存储

数据采集存储单元主要完成声信号的实时采集与存储，方案如图5所示，数据通过分组，分别存储到不同的TF卡中。进行数据上传时，需从TF中将数据读出，然后上传，整个过程通过FPGA实现，FPGA可以实现高速数据采集［7～8］。

图5 数字采集存储控制单元框图

3.1.3 数字信号处理

数字信号处理单元有FPGA和DSP共同完成［9］。其中数据预处理FPGA主要完成对数字滤波、正交混频、取包络等预处理。数字信号处理FPGA主要完成实时波束形成、聚焦、图像合成等功能，DSP主要完成网络传输服务与计算机通信、千兆网数据传输、以及与FPGA之间建立数据链路，下发各种控制命令及参数。两片FPGA数据传输采用LVDS方式，它具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的优势［10］。如图6所示。

图6 实时数字信号处理单元组成

数据预处理部分采用并处理模式，如图7所示，共计160路数据。

图7 并行处理

数字波束形成采用512点的FFT方式，如图8所示。FFT由9级的基2运算模块组成，每个模块由蝶形运算、旋转系数产生器、RAM、ROM组成。为了提高蝶形运算速度，乘法运算采用直接调用硬件资源方式实现［11］。

图8 FFT模块结构框图

3.2 发射声纳

发射声纳由发射基阵换能器、发射机、水密箱等组成，其内部的电路结构如图9所示。为了减小系统体积，发射声纳的发射机类型选择高效率的D类功放［12］。工作时，发射机的驱动信号、供电、工作状态监测等由接收声纳I完成。

图9 发射框图

4 实验验证

为了验证成像声纳系统的硬件和软件的性能，在实验水池分别进行了分辨力和成像性能实验。

4.1 分辨力验证实验

测量系统要求接收声纳的角度分辨力不大于0.5o。角度分辨力验证的成像目标选定为直径3mm，间距为5cm的钢叉，如图10所示。接收声纳放置在水深3m处；钢叉放置在与接收声纳同一深度，水平距离为5.8m，发射声纳放置在接收声纳上，发射方向面对钢叉。从接收声纳处观测钢叉，所形成的角度理论计算值应为0.5o。

图10 声纳方位分辨力测试方法

成像声纳对钢叉的成像结果如图11所示，其图像中圆圈内的两个亮点是钢叉在水中图像，图12是两个亮点的局部放大图，可以看出钢叉图像非常清晰，界限可辨。图像中的左右两侧亮线为实验水池的池壁反射，上方杂乱部分为发射方向对面池壁的多次反射。

图11 成像声纳的方位分辨力结果

图12 局部放大

为分析角度分辨力参数，利用图像数据获得了钢叉图像距离剖面，如图13所示。将所关心的部分进行局部放大，由图14可以看出，钢叉所形成的角度小于0.5o，因此满足系统技术指标要求。

图13 目标距离门剖面

图14 局部放大

4.2 成像验证实验

成像验证实验中所采用的目标为普通的乒乓球，如图15所示。

图15 实验用乒乓球目标

将7只乒乓球利用细钢丝拼接成倒“L”形，并利用重物将其悬浮水中，将发射声纳对准乒乓球进行发射声波，形成的图像如图16所示，其中图中“L”形最下方的亮点为重物图像，其他7个亮点为乒乓球图像，由于乒乓球目标回波强度远大于钢丝回波，并在图像显示中进行了增强处理，因此每个乒乓球图像非常清晰，所有乒乓球也能呈现拼接图形，因此成像验证结果满足要求。其中图像左右两侧亮线为池壁反射。

图16 乒乓球成像结果

5 结语

本文设计实现了一型用于水下目标成像的声纳系统，该系统具有分辨率高、成像效果好、抗干扰能力强、可靠性高等优点，并完成了系统硬件制作与调试，最后进行了水池测试实验，对声纳的成像分辨能力和成像效果等性能进行了测试。结果表明，系统设计正确，并已多次应用于水下运动目标成像测量，同时已扩展至其他动目标和静目标的水下成像等测量应用中，效果显著。