岸基高频多波束图像声纳系统的制作方法

本发明涉及水下成像技术领域，具体地，涉及一种岸基高频多波束图像声纳系统。

背景技术：

高分辨率图像声纳的种类较多、应用广泛，可用于水下环境监测、水坝渗漏检测、航行中前视避障、水下反恐警戒等等。在港口要地水下近程防御中，固定安装的多为预警声纳，负责对较远距离的威胁目标进行预警；而对于近距离目标威胁，特别是在航道出入口上，缺少能够有人工直接参与目标判别的手段，可以更有效地对威胁目标进行二次确认和航道的栅栏式封锁。此外，港口处的防御需要远程与近程防御相结合，这就要求声纳的成像在远程和近程均具有高分别率。通过在航道出入口固定安装高频图像声纳，对一定距离上的目标进行成像处理，能够提供目标的部分图像信息，从而增加目标辨识度，可提高目标检测和识别的整体性能。同时多波束高分辨率图像声纳具有窄波束、短脉冲、高数据刷新率、图像清晰稳定等特点，性能优势明显且具有更广阔的应用前景。

公开号为cn109959915a的专利文献公开了一种多波束声纳基阵，包括电子舱壳体、换能器阵、声纳壳体、透声罩和o型密封圈。电子舱用于放置电子设备，与声纳壳体密封连接；换能器是收发一体的压电陶瓷声学单元，安装在声纳壳体上；声纳壳体为圆柱段壳体和半球壳体结合的结构形式，圆柱段壳体上分为若干层，每层又含有若干个基元，在水平面上通过电子波束扫描，实现水平方向360°、垂直一定夹角范围内小目标的探测。本发明以小目标为探测对象的高分辨率图像声纳，能够实现水平方向360度、垂直一定夹角范围内小目标的探测。但是，该方案仅是提供了一种硬件结构，没有公开波束发射和接收的方式以及如何对接收波束进行处理才能够得到高分辨率的实时成像。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种岸基高频多波束图像声纳系统。

根据本发明提供的一种岸基高频多波束图像声纳系统，包括显控单元、发射机、发射基阵、接收基阵、接收机、信号处理机，所述显控单元依次连接信号处理机、发射机、发射基阵，接收基阵依次连接接收机、信号处理机；

所述显控单元发送声纳工作指令、工作参数信息；并接收信号机处理后数据实时显示声纳图像，同时接收声纳传感器数据，显示声纳温度、湿度信息；

所述发射机信号源根据声纳工作指令，产生多路发射脉冲信号，并根据工作参数信息，调整多路发射时延，将多路发射信号功率放大后送至发射基阵；

所述接收基阵接收目标返回的声信号，并将声信号发送至接收机；

所述接收机通过多通道接收放大调理电路接收接收基阵传输的声信号，并完成目标返回声信号数字化采集；

所述信号处理机根据数字采集信号形成的多个接收波束，并在空间波束形成后，结合发射机信号源发射的信号，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至显控单元。

优选地，所述发射基阵包括多个发射基元，且采用圆柱阵；所述接收基阵包括多个接收基元，且采用线阵。

优选地，所述发射基阵发射波束在垂直方向的俯仰范围达到20°，俯仰精度达到1.2°；

所述接收基阵的水平观察扇面范围在90°以内，信号处理机形成接收波束水平宽度不大于0.3°。

优选地，所述接收机采集信号时采用加权波束形成；

在远场按平面波模型设计波束形成器，计算时延参数，完成每一路接收信号的时延补偿，并将时延后的多路接收信号相加输出；

在近场按球面波模型设计波束形成器，进行实时分段的时延补偿，每一段选用该段距离中心点作为聚焦点计算时延参数，完成每一路接收信号的时延补偿，并将时延后的多路接收信号相加输出。

优选地，在近场根据实际目标图像尺寸、观察角度范围，结合信号处理机存储容量的限制，将观察角度范围划分为多段，实现分段波束形成。

优选地，所述发射机产生多路相位可调、波形可调的脉冲信号，可调相位采用延迟实现，设发射基阵包括n个发射基元，发射基元之间的间距为d，以第1个阵元为参考点，其他发射基元波束延迟时间τi采用如下公式计算：

τi＝(i-1)*d/c*sinθ,i＝1,2,3,…,n

其中，i表示第i个发射基元，τi表示第i个发射基元的波束延迟时间，c表示光速，θ表示发射预设角度；

数字延迟实现分为粗延时和细延时两部分实现，基于波形采样时钟，粗延时值为采样的整数倍，细延时值为采样的小数倍；

粗延时的延迟量mi采用如下公式计算：

mi＝int(τi*fs),i＝1,2,3,…,n

其中，int()函数表示对实数向下取整为最接近的整数，fs表示粗延时波形采样时钟频率；

细延时的延迟量ni采用如下公式计算：

ni＝int(fs1*mod(τi,fs)),i＝1,2,3,…,n

其中，mod()表示求余函数，fs1表示细延时波形采样时钟频率。

优选地，所述接收基阵的水平宽度l采用如下公式计算：

l＝kλ/b

其中，k表示线阵固定系数，λ表示接收波束的波长，b表示接收波束的水平宽度。

优选地，所述远场的条件应该满足与接收基阵的距离大于l²/λ。

优选地，所述信号处理机采用fir滤波器对波束进行自相关计算，fir滤波器系数fir(x)采用如下方式计算：

fir(x)＝s^*(t×fs-x),x＝0,1,2,…,t×fs

其中，s(t)表示发射波束信号，s^*(t)表示s(t)的复共轭函数,x表示采样点数，t表示信号脉宽，fs表示波束输出频率；

接收波束匹配输出信号y(x)采用如下公式计算：

其中，y(x)表示接收波束形成输出信号，表示复数相乘；采用求模近似算法获得绝对值abs(y(x))后输出。

优选地，所述显控单元接实时显示目标图像，基于中值滤波理论，处理图像中每一个像素点，抑制非线性的信号噪声；采用最近邻插值算法，实现图像的局部放大。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用多通道信号发射，多通道信号接收，可得到高精度的目标方位和距离分辨率；通过多通道聚焦波束形成及波束的自相关处理，显著地改善波束性能，提高图像声纳的成像质量。

2、本发明对近场和远场采用不同的波束处理方法，提高近场和远场的图像精细度。

3、本发明声纳图像刷新速度快，整个图像采用降噪处理，图像质量优，同时具有局部图像放大功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的组成框图。

图2为本发明发射机心愿源功能框图。

图3为本发明接收数据采集信号时序图。

图4为本发明信号处理机的功能框图。

图5为本发明泰勒加权的波束形成示意图。

图6为本发明波束形成补偿系数ram的储存格式。

图7为本发明观察水下蛙人的实际成像效果图。

图8为本发明观察圆板的实际成像效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本发明涉及一种岸基高频多波束图像声纳的设计与实现，该图像声纳主要包括：显控单元，向水下各单元模块发送声纳工作指令；发射机，根据工作指令产生发射信号通过16通道发射基阵送出；接收基阵，接收目标返回的声信号，并通过338路接收调理放大滤波及数字化；信号处机，根据收到的数字信号形成360个接收波束，并在空间波束形成后，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至显控单元，进行声纳二维图像显示。本发明通过实现加权波束形成及近场实时波束聚焦，达到声纳图像的精细效果，并通过自相关处理进一步提高了处理增益，声纳图像显示具有良好的人机界面，且具有图像局部放大功能。

根据本发明提供的一种岸基高频多波束图像声纳系统，如图1-8所示，包括显控单元、发射机、发射基阵、接收基阵、接收机、信号处理机，所述显控单元依次连接信号处理机、发射机、发射基阵，接收基阵依次连接接收机、信号处理机；所述显控单元发送声纳工作指令、工作参数信息；并接收信号机处理后数据实时显示声纳图像，同时接收声纳传感器数据，显示声纳温度、湿度信息；所述发射机信号源根据声纳工作指令，产生多路发射脉冲信号，并根据工作参数信息，调整多路发射时延，将多路发射信号功率放大后送至发射基阵；所述接收基阵接收目标返回的声信号，并将声信号发送至接收机；所述接收机通过多通道接收放大调理电路接收接收基阵传输的声信号，并完成目标返回声信号数字化采集；所述信号处理机根据数字采集信号形成的多个接收波束，并在空间波束形成后，结合发射机信号源发射的信号，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至显控单元。

所述发射基阵包括多个发射基元，且采用圆柱阵；所述接收基阵包括多个接收基元，且采用线阵。所述发射基阵发射波束在垂直方向的俯仰范围达到20°，俯仰精度达到1.2°；所述接收基阵的水平观察扇面范围在90°以内，信号处理机形成接收波束水平宽度不大于0.3°。

所述接收机采集信号时采用加权波束形成；在远场按平面波模型设计波束形成器，计算时延参数，完成每一路接收信号的时延补偿，并将时延后的多路接收信号相加输出；在近场按球面波模型设计波束形成器，进行实时分段的时延补偿，每一段选用该段距离中心点作为聚焦点计算时延参数，完成每一路接收信号的时延补偿，并将时延后的多路接收信号相加输出。在近场根据实际目标图像尺寸、观察角度范围，结合信号处理机存储容量的限制，将观察角度范围划分为多段，实现分段波束形成。优选地，根据实际图像目标尺寸、观察范围等实际应用需求，结合信号处理机存储容量的限制，即可在90°大开角内距离划分四段，实现分段波束形成，也可在30°小开角内距离划分十段，实现较为精细的分段波束形成。

所述发射机产生多路相位可调、波形可调的脉冲信号，可调相位采用延迟实现，设发射基阵包括n个发射基元，发射基元之间的间距为d，以第1个阵元为参考点，其他发射基元波束延迟时间τi采用如下公式计算：

τi＝(i-1)*d/c*sinθ,i＝1,2,3,…,n

其中，i表示第i个发射基元，τi表示第i个发射基元的波束延迟时间，c表示光速，θ表示发射预设角度；

数字延迟实现分为粗延时和细延时两部分实现，基于波形采样时钟，粗延时值为采样的整数倍，细延时值为采样的小数倍；

粗延时的延迟量mi采用如下公式计算：

mi＝int(τi*fs),i＝1,2,3,…,n

其中，int()函数表示对实数向下取整为最接近的整数，fs表示粗延时波形采样时钟频率；

细延时的延迟量ni采用如下公式计算：

ni＝int(fs1*mod(τi,fs)),i＝1,2,3,…,n

其中，mod()表示求余函数，fs1表示细延时波形采样时钟频率。

所述接收基阵的水平宽度l采用如下公式计算：

l＝kλ/b

其中，k表示线阵固定系数，λ表示接收波束的波长，b表示接收波束的水平宽度。

所述远场的条件应该满足与接收基阵的距离大于l²/λ。

所述信号处理机采用fir滤波器对波束进行自相关计算，fir滤波器系数fir(x)采用如下方式计算：

fir(x)＝s^*(t×fs-x),x＝0,1,2,…,t×fs

其中，s(t)表示发射波束信号，s^*(t)表示s(t)的复共轭函数,x表示采样点数，t表示信号脉宽，fs表示波束输出频率；其中，t表示变量，在fir滤波器系数fir(x)中，s^*(t)中的t＝t×fs-x；

接收波束匹配输出信号y(x)采用如下公式计算：

其中，y(x)表示接收波束形成输出信号，表示复数相乘(克罗内克积)；采用求模近似算法获得绝对值abs(y(x))后输出。

所述显控单元接实时显示目标图像，基于中值滤波理论，处理图像中每一个像素点，抑制非线性的信号噪声；采用最近邻插值算法，实现图像的局部放大。

优选实施例：

本实例主要包括：发射机、接收机、信号处理机、显控单元(工控计算机)、发射基阵、接收基阵。显控单元发送声纳工作指令、工作参数等信息，接收声纳处理后数据实时显示声纳图像，同时接收声纳传感器数据，显示声纳温度、湿度等信息。发射机信号源根据声纳工作指令，产生发射脉冲信号，并根据发射俯仰角信息，调整16路发射时延，并将16路发射信号功率放大后送至发射基阵；338通道接收基阵接收目标返回的声信号，并将声信号发送至338通道接收放大调理电路，并完成数字化采集；数字采集信号形成360个接收波束，并在空间波束形成后，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至显控单元，进行声纳图像显示。图像声纳功能组成框图如图1所示。

发射机信号源通过千兆网口接收显控单元下发的工作参数，产生16路相位可调、波形可调的脉冲信号。信号源的相位可调采用延迟实现。发射基阵的16阵元(即n＝16)间距d为0.8倍波长，以第1号阵元为参考点，其它阵元波束延迟时间τi计算公式为：

τi＝(i-1)*d/c*sinθ,i＝1,2,3,…,n

其中，i表示第i个发射基元，τi表示第i个发射基元的波束延迟时间，c表示光速，θ表示发射预设角度；

数字延迟实现分为粗延时和细延时两部分实现。基于波形采样时钟，粗延时值为采样的整数倍，细延时为采样的小数倍。

粗延时的延迟量mi采用如下公式计算：

mi＝int(τi*fs),i＝1,2,3,…,n

其中，int()函数表示对实数向下取整为最接近的整数，fs表示粗延时波形采样时钟频率；

细延时的延迟量ni采用如下公式计算：

ni＝int(fs1*mod(τi,fs)),i＝1,2,3,…,n

其中，mod()表示求余函数，fs1表示细延时波形采样时钟频率。

本实例中，信号中心频率f0＝400khz，取粗延时波形的采样时钟fs为5mhz，则粗延时的延迟量为：

mi＝int(τi*fs),i＝1,2,3,…,n

最大偏转角度对应的延迟量约42个。

对于细延时的实现，将细延时采样时钟fs1提高到125mhz，则细延时的延迟量为：

ni＝int(fs1*mod(τi,fs)),i＝1,2,3,…,n

最大延迟量约25个。

本设计相位精度为f0/fs1*360°＝1.15°。

发射机信号源采用fpga实现上述功能，其实现功能框图如图2所示。

发射基阵采用圆柱阵方式均匀间距布置。根据基阵波束扫描角与单阵元的指向性要求，发射换能器基阵(发射基阵)有效高度48mm，垂直方向分成16层，层间距48/16＝3mm。

图像声纳的工作频率为400khz，接收基阵采用线阵形式，水平观察扇面范围为90°，波束宽度0.3°，所述接收基阵的水平宽度l采用如下公式计算：

l＝kλ/b

其中，k表示线阵固定系数，λ表示接收波束的波长，b表示接收波束的水平宽度。

在本实施例中，k取值50.6，平面接收基阵的水平尺度为：

l＝50.6×λ÷0.3＝50.6×1500÷40000÷0.3＝0.6325m＝632.5mm

接收基阵按半波长间距布阵，需要的基元数a：

a＝l÷(λ/2)＝338

接收机对接收基阵输出的338路模拟信号进行放大、滤波和采集，并将采集后的数据送往信号处理机。接收机的输入级采用低噪声差分放大器，增益最小取30db,以保证输入灵敏度0.5uv的要求。第二级采用电压控制型tvg增益控制电路，增益控制范围-32db～+38db(芯片最大可实现-40db～+40db)，其后为一级放大，用以消除增益控制芯片和滤波器芯片直连带来的互相影响，且引入通道自检信号。最后一级为后置放大和射随器，用以解决ad的输入直流偏置问题。影响图像声纳发现距离的重要因素是接收调理通道的噪声，为有效抑制多通道接收噪声的干扰，接收机带通滤波采用集成陶瓷滤波器，虽然它的各通道相位、幅度一致性相对于放大器实现的滤波器较差。但陶瓷滤波器的阻带抑制能力强，噪声低，且体积较小。

接收信号的数字采集选用adi公司ad7690brmz芯片。该芯片内置一个低功耗、高速、18位不失码的采样adc，一个内部转换时钟和一个通用串行接口，内核采用4.75v到5.25v单电源供电，最高吞吐量可达400ksps。ad7690brmz的转换过程与数据采集由cnv信号和内部振荡器进行控制，在cnv的上升沿对两个差分输入管脚的压差进行采样，在sck输入后将转换结果进行输出。信号采集单元以60路通道采集为单元进行模块化电路板设计，需要6个采集单元。60片ad7690利用cnv转换信号实现60路模拟输入信号的同步采集，ad7690芯片采用链路方式，每3片ad7690串联在一起，转换结果均由最后一片ad串行输出。由于本设计中，要求采样率为200k，所以cnv的周期为5us。采集信号时序图如图3所示。

信号处理机采用高速fpga，接收338路采集信号，按0.25°波束间距在90°观察范围内形成360个波束，同时对波束形成数据、参数信息、状态信息等进行组合打包存储。信号处理机以60个信号采集通道一组进行模块化处理，分6个模块并行完成338路采集信号的波束形成，每个信号处理单元根据计算好的参数完成60个通道的波束形成，将处理后的数据通过光纤千兆网口传送至传输处理单元。信号处理机的功能框图如图4所示。

为降低波束副瓣提高空间分辨率，波束形成阵元加权系数可采用泰勒加权。以0°方向为信号入射方向仿真，不加权波束图-3db波束束宽约0.30，第一旁瓣约-13.34db；泰勒加权的波束图-3db波束束宽约0.380，第一旁瓣约-30.41db，泰勒加权的波束图如图5所示。

信号处理机为提高图像的精细度，远场按平面波模型设计波束形成器，在近场按球面波模型进行实时分段聚焦补偿。该声纳接收基阵尺寸为633mm，声场远场条件应满足大于

l²/λ＝0.6325×0.6325×400000/1500＝107m

近场聚焦的相位延迟系数可以通过显控单元计算，通过光纤以太网转发至信号处理机，写入到fpga内部存储ram中，以满足动态聚焦波束形成的要求。

动态聚焦在短时间内只能保证该距离点附近的波束性能。不使用动态聚焦时，考虑到fpga的bram资源，在距离上分为四段，分别聚焦距离r1、r2、r3与远场系数，共有4×60×360×2×16bit数据量的相位延迟系数和4×60×360×6bit的时间延迟系数。单个ram的存储空间为2048×16bit，消耗2个18kbram资源，共有60个实部和60个虚部，时间延迟系数为6bit，消耗1个18kbram资源，共需要300个18kbram资源。当同步信号来到时，清零计数器，并对采样点计数，分别输出4组波束形成系数，实现分段聚焦的功能。

由于存储资源的限制，在90°范围实现4段分段聚焦，精度较低。可以在30°范围实现10段分段聚焦。聚焦范围有三种选择：-45°：-15°，-15°:15°，15°：45°，ram的存储格式如图6所示。以聚焦范围-15°：15°为例，聚焦系数1～9聚焦距离r1～r9范围-15°:15°的系数，每组系数为120个。当同步信号来到时，清零计数器，并对采样点计数，根据采样点来控制第二组读地址，第一段为0～119，第二段为120～239，第三段为240～359，第四段为512～631……，第九段为1264～1383。最终波束在-45°：-15°与15°：45°范围上使用远场系数，在-15°：15°范围内实现距离上的9段分段聚焦。

为提高图像成像距离，信号处理机在波束形成后对每个波束自相关处理。自相关处理在fpga内采用fir滤波器实现，即将参考信号设置成fir滤波系数，通过卷积即可完成匹配处理，fir滤波器系数fir(x)如下式所示：

fir(x)＝s^*(t×fs-x),x＝0,1,2,…,t×fs

其中，s(t)表示发射波束信号，从发射信号正交解调获得，s^*(t)表示s(t)的复共轭函数,x表示采样点数，t表示信号脉宽，fs表示波束输出频率；

全波束输出共有338个波束复时间序列，其采样率为200khz，自相关处理采用卷积实现，即接收波束匹配输出信号y(x)采用如下公式计算：

其中，y(x)表示接收波束形成输出信号，表示复数相乘(克罗内克积)；采用求模近似算法获得绝对值abs(y(x))后输出。信号入射方位估计值可通过抛物线幅度内插实现。

信号处理机通过基于fpga内部的mac核开发而成的千兆网口控制器，将处理器处理后的信号打包上传至显控单元实时显示，与数据一起上传还有温度、湿度等传感器数据。

岸基高频多波束图像声纳系统在湖上完成对圆板和蛙人的实验，观察实际成像效果如图7、图8所示。

岸基高频多波束图像声纳系统处理速度快，发射周期短，图像刷新速度可达到10帧/秒，基于双边滤波的图像去噪处理提高图像显示质量，同时具有图像局部放大功能。为提高图像显示质量，基于中值滤波理论，处理图像中每一个像素点，抑制非线性的信号噪声。图像显示同时采用最近邻插值算法，实现图像的局部放大功能，即选定感兴趣的区域，希望源图像a像素大小为u*v，放大后r倍后的目标图像b像素大小为g*h，其中g＝r*u，h＝r*v，我们最终的目的是求图像b的g*h个像素值。根据比例关系可以得到图像b任意一点(x1，y1)在源图像a上对应的坐标应为(x1*u/g，y1*v/h)，假设p点就是目标图像的(x1，y1)点按照比例对应的源图像中的位置，通常p点的值为浮点数。对浮点数p进行四舍五入，即p点的像点值直接采用了和这个浮点数最接近的象素值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。