（中國人民解放軍91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

隨著水下工程的不斷發(fā)展，水下目標(biāo)的跟蹤與測(cè)量應(yīng)用需求越來越大，重視程度也越來越高［1］，尤其是水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量，對(duì)研究目標(biāo)在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及姿態(tài)穩(wěn)定控制方法具有重要意義。

對(duì)于水下目標(biāo)的軌跡測(cè)量，通常采用外測(cè)和內(nèi)測(cè)兩種方式，其中外測(cè)通常采用水下高速攝像機(jī)進(jìn)行軌跡測(cè)量，但攝像機(jī)成像效果受海水透明度和照度影響很大，若特定海域的海水渾濁度或照度變差時(shí)，圖像的清晰度也相應(yīng)變差，導(dǎo)致目標(biāo)軌跡測(cè)量誤差較大，影響測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性［2］。而內(nèi)測(cè)方式需要將測(cè)試設(shè)備加裝進(jìn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)體上，在通常情況下不具備安裝條件，無法采用內(nèi)測(cè)的測(cè)量手段；而利用高分辨的聲納成像，將其以特定的方式固定在水下平臺(tái)上，無需改變被測(cè)目標(biāo)體的狀態(tài)，不影響目標(biāo)體的可靠性。本文提出采用兩部高分辨二維成像聲納對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行成像，將獲得的兩幅圖像信息進(jìn)行交匯解算得出三維軌跡的方法，并設(shè)計(jì)驗(yàn)證硬件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體組成

高分辨二維成像聲納測(cè)量系統(tǒng)對(duì)水下目標(biāo)成像測(cè)量方式示意圖如圖1所示。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)主要包括兩部接收聲納和一部發(fā)射聲納、兩臺(tái)聲納顯控計(jì)算機(jī)、事后處理單元五部分構(gòu)成，如圖2所示，其中每個(gè)接收基陣由160個(gè)基元組成。

圖1 聲納系統(tǒng)測(cè)量原理示意圖

圖2 系統(tǒng)組成框圖

聲納的電子倉主要完成聲學(xué)信號(hào)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、目標(biāo)圖像形成等功能。為了減小體積，方便安裝，將接收基陣和電子艙通過水密金屬外殼集成在一起。發(fā)射聲納主要完成聲波發(fā)射。計(jì)算機(jī)主要完成獲取的目標(biāo)回波原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理與圖像顯示、目標(biāo)位置和姿態(tài)解算等功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 接收聲納電子艙

聲納電子倉由聲信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)和數(shù)字信號(hào)處理組成，如圖3所示。目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)和基元的原始數(shù)據(jù)可以上傳至計(jì)算機(jī)完成圖像顯示與解算。

圖3 聲納電子艙

3.1.1 信號(hào)預(yù)處理電路

信號(hào)預(yù)處理主要完成目標(biāo)回波放大與濾波功能［3］。電路由低噪聲前置放大器、中間級(jí)放大、VCA（Voltage Controlled Amplifier）放大器、帶通濾波器等組成。前置放大器采用低噪聲的AD8429儀表放大器；VCA采用AD8336運(yùn)算放大器，該放大器可以利用電壓控制增益，具有增益動(dòng)態(tài)范圍大，增益控制簡單等優(yōu)勢(shì)［4］；帶通濾波器采用雙二次型電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該電路結(jié)構(gòu)具有元件靈敏度低、調(diào)試簡單、電路穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)［5～6］。

圖4 模擬信號(hào)調(diào)理通道組成

3.1.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)單元主要完成聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，方案如圖5所示，數(shù)據(jù)通過分組，分別存儲(chǔ)到不同的TF卡中。進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳時(shí)，需從TF中將數(shù)據(jù)讀出，然后上傳，整個(gè)過程通過FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集［7～8］。

圖5 數(shù)字采集存儲(chǔ)控制單元框圖

3.1.3 數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理單元有FPGA和DSP共同完成［9］。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理FPGA主要完成對(duì)數(shù)字濾波、正交混頻、取包絡(luò)等預(yù)處理。數(shù)字信號(hào)處理FPGA主要完成實(shí)時(shí)波束形成、聚焦、圖像合成等功能，DSP主要完成網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)與計(jì)算機(jī)通信、千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、以及與FPGA之間建立數(shù)據(jù)鏈路，下發(fā)各種控制命令及參數(shù)。兩片F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)傳輸采用LVDS方式，它具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射的優(yōu)勢(shì)［10］。如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理單元組成

數(shù)據(jù)預(yù)處理部分采用并處理模式，如圖7所示，共計(jì)160路數(shù)據(jù)。

圖7 并行處理

數(shù)字波束形成采用512點(diǎn)的FFT方式，如圖8所示。FFT由9級(jí)的基2運(yùn)算模塊組成，每個(gè)模塊由蝶形運(yùn)算、旋轉(zhuǎn)系數(shù)產(chǎn)生器、RAM、ROM組成。為了提高蝶形運(yùn)算速度，乘法運(yùn)算采用直接調(diào)用硬件資源方式實(shí)現(xiàn)［11］。

圖8 FFT模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.2 發(fā)射聲納

發(fā)射聲納由發(fā)射基陣換能器、發(fā)射機(jī)、水密箱等組成，其內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。為了減小系統(tǒng)體積，發(fā)射聲納的發(fā)射機(jī)類型選擇高效率的D類功放［12］。工作時(shí)，發(fā)射機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、供電、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等由接收聲納I完成。

圖9 發(fā)射框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證成像聲納系統(tǒng)的硬件和軟件的性能，在實(shí)驗(yàn)水池分別進(jìn)行了分辨力和成像性能實(shí)驗(yàn)。

4.1 分辨力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

測(cè)量系統(tǒng)要求接收聲納的角度分辨力不大于0.5o。角度分辨力驗(yàn)證的成像目標(biāo)選定為直徑3mm，間距為5cm的鋼叉，如圖10所示。接收聲納放置在水深3m處；鋼叉放置在與接收聲納同一深度，水平距離為5.8m，發(fā)射聲納放置在接收聲納上，發(fā)射方向面對(duì)鋼叉。從接收聲納處觀測(cè)鋼叉，所形成的角度理論計(jì)算值應(yīng)為0.5o。

圖10 聲納方位分辨力測(cè)試方法

成像聲納對(duì)鋼叉的成像結(jié)果如圖11所示，其圖像中圓圈內(nèi)的兩個(gè)亮點(diǎn)是鋼叉在水中圖像，圖12是兩個(gè)亮點(diǎn)的局部放大圖，可以看出鋼叉圖像非常清晰，界限可辨。圖像中的左右兩側(cè)亮線為實(shí)驗(yàn)水池的池壁反射，上方雜亂部分為發(fā)射方向?qū)γ娉乇诘亩啻畏瓷洹?/p>

圖11 成像聲納的方位分辨力結(jié)果

圖12 局部放大

為分析角度分辨力參數(shù)，利用圖像數(shù)據(jù)獲得了鋼叉圖像距離剖面，如圖13所示。將所關(guān)心的部分進(jìn)行局部放大，由圖14可以看出，鋼叉所形成的角度小于0.5o，因此滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

圖13 目標(biāo)距離門剖面

圖14 局部放大

4.2 成像驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

成像驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中所采用的目標(biāo)為普通的乒乓球，如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)用乒乓球目標(biāo)

將7只乒乓球利用細(xì)鋼絲拼接成倒“L”形，并利用重物將其懸浮水中，將發(fā)射聲納對(duì)準(zhǔn)乒乓球進(jìn)行發(fā)射聲波，形成的圖像如圖16所示，其中圖中“L”形最下方的亮點(diǎn)為重物圖像，其他7個(gè)亮點(diǎn)為乒乓球圖像，由于乒乓球目標(biāo)回波強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鋼絲回波，并在圖像顯示中進(jìn)行了增強(qiáng)處理，因此每個(gè)乒乓球圖像非常清晰，所有乒乓球也能呈現(xiàn)拼接圖形，因此成像驗(yàn)證結(jié)果滿足要求。其中圖像左右兩側(cè)亮線為池壁反射。

圖16 乒乓球成像結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一型用于水下目標(biāo)成像的聲納系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有分辨率高、成像效果好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并完成了系統(tǒng)硬件制作與調(diào)試，最后進(jìn)行了水池測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)聲納的成像分辨能力和成像效果等性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，并已多次應(yīng)用于水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像測(cè)量，同時(shí)已擴(kuò)展至其他動(dòng)目標(biāo)和靜目標(biāo)的水下成像等測(cè)量應(yīng)用中，效果顯著。