基于分級(jí)波束形成的三維聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

林賢洲， 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)

基于分級(jí)波束形成的三維聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

林賢洲， 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)

針對(duì)三維聲納波束形成海量運(yùn)算造成硬件系統(tǒng)復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于分級(jí)波束形成的三維聲納系統(tǒng)。系統(tǒng)基于大規(guī)模(48×48)換能器接收基陣，采用分布式現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)波束形成，所需計(jì)算量相比傳統(tǒng)波束形成減少九成。該算法經(jīng)Matlab仿真驗(yàn)證了其合理性，系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)水下試驗(yàn)證明：在水平50°垂直50°覆蓋角的觀測(cè)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)角度分辨率達(dá)到0.39°，距離分辨率達(dá)到2 cm的三維成像。

三維聲納; 換能器; 分級(jí)波束形成; 海量運(yùn)算; 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0 引 言

傳統(tǒng)聲納系統(tǒng)聲納基陣多采用一維線陣[1]，對(duì)探測(cè)目標(biāo)在距離和方位上作二維定位，如美國(guó)RESON公司開發(fā)的數(shù)字聲納SeaBat8128[2]。隨著現(xiàn)代軍事應(yīng)用和海洋開發(fā)的發(fā)展，需要借助三維聲納對(duì)物體在水平、垂直、距離3個(gè)方向上都獲得目標(biāo)探測(cè)分辨力，分辨物體細(xì)節(jié)[3]，用于水下航行器導(dǎo)航、海底資源開發(fā)和自動(dòng)繪制海底地貌等。

三維實(shí)時(shí)成像聲納系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度較大，波束形成的運(yùn)算量隨著換能器基陣規(guī)模呈幾何增長(zhǎng)[3]。哈爾濱工程大學(xué)應(yīng)用于水下機(jī)器人的聲納方案[1]，換能器基陣陣元數(shù)為128(16×8)，工作頻率為300kHz，采用DSP實(shí)現(xiàn)波束形成，每秒需655,360次乘法運(yùn)算。Coda Octopus公司的Echoscope Mark Ⅱ型[4]聲納系統(tǒng)，具備對(duì)重要設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控警戒和對(duì)蛙人等動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別報(bào)警等功能[5]，換能器基陣規(guī)模達(dá)到2 304(48×48)，傳統(tǒng)波束形成算法需要完成每秒302,173,696次乘法運(yùn)算。本系統(tǒng)采用分級(jí)波束形成方法，將大陣進(jìn)行多子陣劃分[6]，并采用了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模擬退火算法[7]，對(duì)各個(gè)基元分配權(quán)重系數(shù)，在可接受的最大旁瓣的情況下對(duì)基陣稀疏化[8，9]，分級(jí)運(yùn)算每秒只需23,309,824次乘法運(yùn)算。

系統(tǒng)換能器接收基陣規(guī)模為2304(48×48)，接收換能器材料采用PZT—5壓電陶瓷，壓電常數(shù)d33>450 pC/N，其敏感的壓電效應(yīng)將接收聲波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)，良好的脈沖響應(yīng)特性為獲取高分辨率的聲納圖像打下基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)內(nèi)部集成大量的數(shù)字信號(hào)處理單元(DSP Slice)，具有多級(jí)流水處理、數(shù)據(jù)位寬可配置性、豐富IO接口等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用分布式FPGA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模擬前端的同步采樣控制和波束形成運(yùn)算。

1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

二維平面陣的結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)定換能器基陣陣元位于xoy平面上，沿x軸和y軸方向每條線陣陣元的個(gè)數(shù)分別為M和N，相鄰陣元間距均為d。A表示空間中的信號(hào)源，OB和OD分別為OA在xoz平面和yoz平面的投影。

圖1 二維平面陣示意圖Fig 1 Diagram of 2D planar array

傳統(tǒng)波束形成算法對(duì)x軸方向角度范圍為α=αp(p=0,1,…,P-1)，和y軸方向角度范圍為β=βq(q=0,1,…,Q-1)獨(dú)立做頻域波束形成，得到P×Q個(gè)波束結(jié)果[10]為

(1)

如圖2所示，48×48的大規(guī)模換能器面陣劃分為2級(jí)，均勻劃分為6×6的一級(jí)子陣和8×8的二級(jí)子陣。在開角50°×50°觀測(cè)范圍內(nèi)，6×6的一級(jí)子陣頻域波束形成，得到16×16個(gè)波束，稱為一級(jí)波束形成；在8×8的二級(jí)子陣中對(duì)一級(jí)子陣的16×16×8×8個(gè)波束做頻域波束形成，得到最終128×128個(gè)波束，稱為二級(jí)波束形成。

圖2 二維平面子陣劃分Fig 2 Division of 2D planar subarray

三維聲納系統(tǒng)如圖3所示，包含12塊子信號(hào)處理板和1塊主控制板，每塊子信號(hào)處理板負(fù)責(zé)處理48×4個(gè)(4條線陣)數(shù)據(jù)信號(hào)通道，系統(tǒng)工作頻率為300 kHz。

圖3 水下三維聲納成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Structure block diagram of 3D underwater sonar imaging system

調(diào)理電路包括一階的低通濾波電路和二階的帶通濾波電路，總體通帶為270～330 kHz，600 kHz以上頻帶衰減20 dB以上。2片Xilinx公司的Spartan—6系列的FPGA實(shí)時(shí)控制模擬前端芯片時(shí)間增益(time versus gain， TVG)調(diào)節(jié)功能和實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)同步A/D采樣，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)，完成一級(jí)子陣波束形成，結(jié)果通過(guò)高速LVDS連接器上傳到主控制板。

主控制板的Vertex—6 FPGA完成二級(jí)子陣波束形成，結(jié)果通過(guò)PCIe高速總線發(fā)送給控制板的嵌入式處理器。嵌入式處理器將數(shù)據(jù)按幀打包后，將結(jié)果經(jīng)千兆以太網(wǎng)上傳至PC上位機(jī)。同時(shí)，主控制板通過(guò)傳輸線給出控制信號(hào)(TVG參數(shù)等)到各子信號(hào)處理板。

PC端實(shí)現(xiàn)三維圖像的實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)的備份保存，在一幀數(shù)據(jù)內(nèi)將相鄰點(diǎn)連接為三角面片段，使獨(dú)立各點(diǎn)形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[11]，幀間數(shù)據(jù)通過(guò)圖像拼接融合為更加完整的圖像，采用合理的配色方案和幀率控制實(shí)現(xiàn)圖像的三維建模。

2 FPGA分級(jí)波束形成

FPGA分級(jí)波束形成主要包含DFT、一級(jí)波束形成和二級(jí)波束形成，具體工作流程如圖4所示。

圖4 FPGA工作流程Fig 4 Work process of FPGA

子信號(hào)處理板FPGA同步采樣通道信號(hào)，以乒乓緩存的方式暫存在雙口RAM中，DFT處理模塊依次從RAM中讀取72個(gè)采樣點(diǎn)做DFT運(yùn)算，取300 kHz對(duì)應(yīng)譜線，進(jìn)行6×6規(guī)模的一級(jí)波束形成。

主控制板FPGA通過(guò)DDR3讀寫控制模塊將接收的一級(jí)波束數(shù)據(jù)暫存入256 Mbit大小的DDR3中，依次讀取所需數(shù)據(jù)完成8×8規(guī)模的二級(jí)波束形成得到128×128個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.1 DFT

DFT如式(2)所示

(2)

其中,x(n)為各陣元接收信號(hào)的采樣點(diǎn)，X(k)為頻域離散譜線。

對(duì)每個(gè)陣元進(jìn)行72個(gè)采樣點(diǎn)DFT運(yùn)算后，得到48×48條對(duì)應(yīng)300kHz的譜線Xmn(8)。由式(2)可知，計(jì)算48×48條譜線需要48×48×72×4×9=5 971 968次乘法運(yùn)算，即每塊子信號(hào)處理板需要完成4×48×72×4×9=497 664次乘法運(yùn)算。

2.2 一級(jí)波束形成

(3)

y方向波束形成與x方向相同。通過(guò)相鄰線陣的FPGA交互中間數(shù)據(jù)，最終第p行線陣在βq方向形成的波束Bpq，表示6×6面陣在(αp,βq)方向形成的波束，取絕對(duì)值后得到波束強(qiáng)度|Bpq|

(4)

2.3 二級(jí)波束形成

主控制板在做二級(jí)子陣波束形成時(shí)，將一級(jí)6×6的子陣作為一個(gè)陣元，即規(guī)模為8×8大小的二級(jí)子陣，相鄰2個(gè)陣元之間的間距為6 d，每個(gè)陣元包含空間16×16個(gè)方向上的波束能量信息。與一級(jí)子陣波束形成類似，二級(jí)子陣波束形成最終空間128×128個(gè)方向的波束信息。

圖方向上最近的波束Fig 5 The nearest beam in direction of

y方向波束形成與x方向相同，在 平面-25°～25°范圍內(nèi)均勻劃分成128個(gè)方向，最終128×128波束結(jié)果可用矩陣表示

3 測(cè)試結(jié)果

在單目標(biāo)成像仿真實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)探測(cè)目標(biāo)為靜止目標(biāo)且滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，不考慮多普勒頻移且回波信號(hào)為單頻信號(hào)。模擬空間單目標(biāo)反射波束角度為(α,β)=(13°,-5°)，Matlab仿真得到空間波束結(jié)果如圖6所示。

圖6 單目標(biāo)仿真結(jié)果Fig 6 Single target simulation result

仿真結(jié)果驗(yàn)證了分級(jí)波束形成算法的正確性和可行性，確認(rèn)了此方法對(duì)空間靜止目標(biāo)具有良好的方向指向性。

水下實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境下工作的成像效果。在水池中預(yù)置如圖7(a)邊長(zhǎng)約為2 m的立方體方框，位于系統(tǒng)樣機(jī)裝置探測(cè)范圍內(nèi)且相距約10 m的位置上，成像聲納對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。圖7(b)為圖7(a)中方框的探測(cè)成像效果顯示，目標(biāo)方框的輪廓清晰可見，聲納系統(tǒng)具有良好的成像效果。

圖7 水箱測(cè)試結(jié)果Fig 7 Tank test result

圖8為樣機(jī)在浙江省千島湖水試時(shí)的視頻截圖，測(cè)試船往湖里投放餌料，吸引魚群靠近進(jìn)食，可以看到呈星狀分布的魚群，系統(tǒng)樣機(jī)具備良好的動(dòng)態(tài)物體探測(cè)能力。

圖8 水下場(chǎng)景截圖實(shí)例Fig 8 Example of underwater scenes shots

將目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水下聲納三維成像的工程化應(yīng)用，如哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院為水下機(jī)器人聲視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的聲納子系統(tǒng)，英國(guó)Coda Octopus公司研制的Echoscope Mark系列三維聲納，與本系統(tǒng)樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。如表1所示，本系統(tǒng)樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

表1 國(guó)內(nèi)外主要三維聲納系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab 1 Technical indexes of domestic and international main 3D sonar system

4 結(jié)束語(yǔ)

為獲得更大的探測(cè)角度和更高的探測(cè)精度，設(shè)計(jì)了具有大規(guī)模換能器基陣的三維聲納系統(tǒng)，基于分布式硬件結(jié)構(gòu)，將分級(jí)波束形成的運(yùn)算壓力分?jǐn)偟礁鱂PGA中，計(jì)算量相比傳統(tǒng)算法減少了90 %。經(jīng)水試結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有良好的水下成像效果，具備實(shí)時(shí)探測(cè)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力，有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Design of 3D sonar system based on multistage beamforming*

LIN Xian-zhou, CHEN Yao-wu

(Institute of Advanced Digital Technology and Instrument,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Aiming at problems that beamforming massive computing of 3D sonar makes complex hardware system which is difficult to realize,design 3D sonar system based on multistage beamforming.Based on large scale of transducer receiving arrays,the system utilizes distributed FPGA structure to achieve two stage beamforming, reduce 90 % of computing amount,compared with traditional beamforming.Rationality of the algorithm is verified by Matlab simulation.Tests underwater demonstrate that,within range of 50°horizontal and vertical coverage angle,3D sonar system is able to form 3D image with angular resolution of 0.39° and distance resolution of 2 cm.

3D sonar; transducer; multistage beamforming; massive computing; field programmable gate arrays(FPGA)

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0101—04

2014—01—09

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2006AA092109)； 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41276090)

TP 752.1

A

1000—9787(2014)08—0101—04

林賢洲(1988-)，男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、電子儀器系統(tǒng)。