基于Qt 開(kāi)發(fā)框架的多波束測(cè)深聲吶顯控技術(shù)研究

王雅君

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

多波束測(cè)深系統(tǒng)（Multibeam Bathymetry System，MBS）是一種以聲學(xué)傳感器為主、多種輔助傳感器集成使用的精密探測(cè)儀器，具有測(cè)量精度高、探測(cè)效率高、數(shù)字化與自動(dòng)化等特點(diǎn)，適用于海洋地形地貌測(cè)繪、港口航道測(cè)量以及水中目標(biāo)精細(xì)探測(cè)等海上工程[1]。其原理為，利用發(fā)射換能器基陣向海底發(fā)射寬覆蓋區(qū)的聲波，由接收換能器基陣對(duì)海底回波進(jìn)行窄波束接收，進(jìn)一步計(jì)算后獲得水中的目標(biāo)或海底測(cè)深數(shù)據(jù)[2]。工作原理如圖1 所示。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理

近年來(lái)，隨著MBS 硬件平臺(tái)逐漸向體積小、低功耗、高性能的嵌入式硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)換，其上位機(jī)顯控軟件也應(yīng)逐步從通用計(jì)算機(jī)向嵌入式系統(tǒng)適配?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外MBS 顯控軟件已經(jīng)比較成熟，如荷蘭QINSy 顯控軟件、美國(guó)HYPACK 以及哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的HT-300S-P 型MBS 顯控系統(tǒng)[3]等。但若適配國(guó)產(chǎn)化聲吶的嵌入式硬件平臺(tái)，這些軟件仍有不可跨平臺(tái)兼容、開(kāi)發(fā)成本高等缺點(diǎn)。因此，本文針對(duì)MBS 的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一款可多平臺(tái)使用、功能豐富的顯控軟件。

1 軟件需求分析

傳統(tǒng)的MBS 顯控軟件跨平臺(tái)兼容性差、開(kāi)發(fā)成本高，基于Qt 開(kāi)發(fā)框架的國(guó)產(chǎn)化MBS 顯控軟件應(yīng)具備多平臺(tái)兼容使用、適配國(guó)產(chǎn)化MBS 開(kāi)發(fā)的功能。本文設(shè)計(jì)的顯控軟件主要用于與MBS 硬件系統(tǒng)配合。測(cè)量設(shè)備開(kāi)始工作后，顯控軟件檢查各設(shè)備初始狀態(tài)并根據(jù)探測(cè)需要設(shè)置工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)查看和控制，并實(shí)時(shí)、無(wú)延遲卡頓地顯示各測(cè)量參數(shù)，供工作人員進(jìn)行觀測(cè)，并分類記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，以便結(jié)束試驗(yàn)后進(jìn)行回放。

本文依托的MBS 使用108 通道的采集板，各通道換能器信號(hào)經(jīng)過(guò)波束形成后的波束數(shù)量為512個(gè)，具有實(shí)時(shí)處理能力。水下上傳數(shù)據(jù)包括采集到的原始數(shù)據(jù)、波束數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)以及輔助信息等。其中，每秒上傳原始數(shù)據(jù)量約為8 MB，波束數(shù)據(jù)量為13 MB，結(jié)果數(shù)據(jù)及輔助信息數(shù)據(jù)量約為1 MB，總數(shù)據(jù)量約為22 MB。

根據(jù)項(xiàng)目需求，MBS 顯控軟件應(yīng)具備以下幾點(diǎn)功能：多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收功能，硬件設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，實(shí)時(shí)水體數(shù)據(jù)可視化功能，實(shí)時(shí)通道數(shù)據(jù)可視化功能以及實(shí)時(shí)地貌數(shù)據(jù)可視化功能。

MBS 顯控軟件的性能要求如下：人機(jī)交互界面友好，網(wǎng)口傳輸速率不低于22 MB·s-1，實(shí)時(shí)繪制測(cè)深數(shù)據(jù)，圖像不出現(xiàn)卡?，F(xiàn)象。

2 軟件方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)MBS 顯控系統(tǒng)的功能、性能需求，本文提出了如圖2 所示的MBS 顯控系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)。

圖2 MBS 顯控軟件架構(gòu)圖

軟件主要模塊包括數(shù)據(jù)傳輸與管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)可視化兩大主功能系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸、解析與存儲(chǔ)，并對(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)完成通道波形、水體剖面及地貌的實(shí)時(shí)繪制。

MBS 顯控軟件的工作模式分為測(cè)深模式和回放模式兩種，設(shè)計(jì)的工作流程如圖3 所示。

圖3 軟件工作流程圖

3 軟件模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和圖形界面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)框架為Qt5.4.2，編程語(yǔ)言為C++，軟件在Windows 和Ubuntu 操作系統(tǒng)中兼容使用。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)

顯控軟件的數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)是連接外部和顯控軟件的橋梁，是保障整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的首要部分。數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)及硬件狀態(tài)監(jiān)控3 部分，主要功能有：設(shè)置MBS 的工作參數(shù)，接收各設(shè)備的多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)解析后按類別進(jìn)行文件存儲(chǔ)，并且監(jiān)控系統(tǒng)中其他各設(shè)備的狀態(tài)。

其中，數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)顯控軟件與各設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸功能?；谲浖到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率快、數(shù)據(jù)量大的需求，本文使用千兆網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，并設(shè)計(jì)了一種多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集方式，保證數(shù)據(jù)高速傳輸正確性的同時(shí)提高數(shù)據(jù)采集效率。該方法采用Qt 框架中的Qt Network 模塊編寫基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)程序，使用多線程的方法，將在線程中采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)可視化窗口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并轉(zhuǎn)發(fā)至線程中進(jìn)行繪圖；使用互斥量QMutex類實(shí)現(xiàn)單線程的同步，保證內(nèi)存不被多個(gè)線程同時(shí)操作[4]；使用消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)多線程的同步，把線程非安全隊(duì)列封裝成線程安全隊(duì)列。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要完成數(shù)據(jù)緩存池中各類型聲吶數(shù)據(jù)的解析與保存。由于MBS 的測(cè)量數(shù)據(jù)具有多源性、復(fù)雜性并且數(shù)據(jù)量龐大，本文設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)分為兩種，采用不同的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。其中，實(shí)時(shí)接收到的大數(shù)據(jù)量的通道波形數(shù)據(jù)與水體數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式直接實(shí)時(shí)地存入本地，來(lái)自輔助設(shè)備如GPS、姿態(tài)儀等的較小量數(shù)據(jù)按類別形成不同的數(shù)據(jù)庫(kù)表，存入MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中。此方法分類管理數(shù)據(jù)，既節(jié)約系統(tǒng)存儲(chǔ)時(shí)間，又可以將同周期內(nèi)來(lái)自不同輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)按相關(guān)性保存，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后也能夠獨(dú)立處理其中某個(gè)表中的數(shù)據(jù)。

軟件的硬件設(shè)備監(jiān)控模塊主要完成各設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控功能。該模塊設(shè)計(jì)了MBS 工作參數(shù)設(shè)置協(xié)議，能夠通過(guò)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的控制與狀態(tài)監(jiān)視。界面中設(shè)置了設(shè)備參數(shù)設(shè)置窗口和設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)顯示窗口，以供操作人員更好地掌握各設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)反饋調(diào)節(jié)。

3.2 數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)

數(shù)據(jù)可視化模塊接收實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，按照數(shù)據(jù)類型將數(shù)據(jù)分發(fā)至各窗口模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和優(yōu)化后完成可視化顯示。軟件主要包含單通道波形、水體剖面、地貌顯示窗口，基于Qt 基礎(chǔ)繪圖庫(kù)和QWT 插件，針對(duì)各窗口數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇不同的繪圖方式。其中，單通道波形的繪制繼承了QWT 插件庫(kù)中的QwtPlotCurve 類繪制，水體窗口使用Qt 基礎(chǔ)繪圖庫(kù)QPainter 進(jìn)行繪制，地貌窗口繼承QwtPlotSpectrogram 類繪制。本文采用多線程和雙緩沖繪圖技術(shù)提高繪圖效率。

地貌數(shù)據(jù)可視化模塊以偽彩圖的形式顯示地貌圖像，并結(jié)合橫搖縱搖、艏向、入射角度及反向散射強(qiáng)度等測(cè)量信息繪制地貌偽彩圖。模塊進(jìn)行地貌數(shù)據(jù)解算后，使用QWT 繪圖插件按照條帶更新方法繪制偽彩圖，最后在窗口中實(shí)時(shí)刷新顯示。

水體數(shù)據(jù)可視化模塊顯示當(dāng)前周期內(nèi)測(cè)量的海底信息，結(jié)合輔助儀器上傳參數(shù)對(duì)水體數(shù)據(jù)的修正，將波束點(diǎn)強(qiáng)度映射到顏色深度上，直觀地顯示當(dāng)前海洋剖面地形。本文使用的MBS 波束數(shù)共有512 個(gè)，根據(jù)當(dāng)前等距或等角模式，按各個(gè)波束的開(kāi)角角度實(shí)時(shí)繪制水體圖像。根據(jù)原始水體數(shù)據(jù)進(jìn)行波束位置解算的原理如圖4 所示。

圖4 波束位置解算示意圖

首先計(jì)算原始數(shù)據(jù)中每個(gè)采樣點(diǎn)的斜矩：

式中：c為聲速，Tr為混響延遲點(diǎn)數(shù)，fs為信號(hào)采樣頻率，n為采樣點(diǎn)數(shù)。根據(jù)計(jì)算出的斜矩及該點(diǎn)所在波束的角度，計(jì)算采樣點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）：

式中：x0和y0為基陣O的橫縱坐標(biāo)。

經(jīng)位置解算后，獲得采樣點(diǎn)的x軸和y軸坐標(biāo)，確定了點(diǎn)的位置。波束點(diǎn)強(qiáng)度由接收到的波束數(shù)據(jù)確定。然而，有時(shí)根據(jù)原始波束數(shù)據(jù)中各點(diǎn)強(qiáng)度繪圖，會(huì)有目標(biāo)不明顯或噪點(diǎn)過(guò)多現(xiàn)象。本文針對(duì)這一問(wèn)題，在接收到波束數(shù)據(jù)后進(jìn)行動(dòng)態(tài)明度調(diào)整處理，以增強(qiáng)目標(biāo)輪廓，減弱噪點(diǎn)。動(dòng)態(tài)明度調(diào)整算法通過(guò)優(yōu)化波束數(shù)據(jù)映射到0～255 之間的參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)與背景對(duì)比度的效果[5]。映射函數(shù)關(guān)系如式（3）所示，設(shè)最小強(qiáng)度值為L(zhǎng)，為避免產(chǎn)生孤立單峰，取最大亮度值的0.1 倍作為最大值H。

式中：γ為映射參數(shù)，zm為回波強(qiáng)度，zout為動(dòng)態(tài)明度調(diào)整后的強(qiáng)度值。實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)γ=1 時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)線性拉伸；當(dāng)γ＜1 時(shí)，圖像亮度得到增強(qiáng)；當(dāng)γ＞1 時(shí)，圖像亮度減弱。γ值增加，會(huì)提升目標(biāo)和背景的對(duì)比效果，γ過(guò)大時(shí)背景噪聲隨之變強(qiáng)。因此，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，取γ=2 時(shí)，優(yōu)化效果最佳。

3.3 軟件測(cè)試

為了驗(yàn)證軟件的功能、性能及穩(wěn)定性，配合整套MBS 系統(tǒng)在信道水池中進(jìn)行了軟件測(cè)試。測(cè)試選用的MBS 工作頻率為300 kHz，波束數(shù)量512 個(gè)，波束寬度為1°×1°，脈沖寬度為35 μs。測(cè)試中正在運(yùn)行的軟件畫面如圖5 所示。由截圖畫面可見(jiàn)，多波束聲吶開(kāi)機(jī)后，MBS 顯控軟件對(duì)應(yīng)的“SONAR”狀態(tài)燈亮，正常顯示聲吶的工作參數(shù)，各通道信號(hào)波形、水體數(shù)據(jù)正常顯示，且在水體剖面窗口可清楚地觀測(cè)到水池的池壁輪廓。試驗(yàn)證明，該顯控軟件能夠滿足MBS 測(cè)深觀測(cè)要求，可靠性與穩(wěn)定性良好。

圖5 水池實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)模式下的軟件界面截圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前MBS 配套上位機(jī)顯控軟件跨平臺(tái)兼容性差、開(kāi)發(fā)成本高的問(wèn)題，從提升通信和存儲(chǔ)效率、提升繪圖效率、優(yōu)化人機(jī)交互流程等方面，基于Qt 開(kāi)發(fā)框架設(shè)計(jì)了一套可多平臺(tái)使用、功能豐富的MBS 顯控軟件。通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)，驗(yàn)證了該軟件的性能和穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的顯控軟件滿足設(shè)計(jì)需求。