成像聲納動(dòng)態(tài)聚焦算法研究與FPGA實(shí)現(xiàn)※*

董琎琎，周建江，夏偉杰，蔣鵬飛，金雪

（南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京210016）

成像聲納動(dòng)態(tài)聚焦算法研究與FPGA實(shí)現(xiàn)※*

董琎琎，周建江，夏偉杰，蔣鵬飛，金雪

（南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京210016）

針對多波束成像聲納實(shí)時(shí)獲取水下目標(biāo)精細(xì)二維聲圖像的要求，提出了一種可動(dòng)態(tài)聚焦的波束形成算法及其FPGA實(shí)現(xiàn)。通過對波束通帶、過渡帶、阻帶范圍的動(dòng)態(tài)調(diào)整，顯控終端利用凸優(yōu)化的方法實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)并通過千兆網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至聲納濕端設(shè)備，在Xilinx公司的VIRTEX-6 VLX550T FPGA上實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)聚焦的波束形成算法，并將波束數(shù)據(jù)上傳至干端PC進(jìn)行成像顯示。本文設(shè)計(jì)的方案在已有目標(biāo)定位的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)成像。

成像聲納；動(dòng)態(tài)聚焦；凸優(yōu)化；FPGA

引言

聲納成像在海洋資源開發(fā)和海洋防衛(wèi)等方面有著重要的意義，具有作用距離遠(yuǎn)、圖像直觀顯示觀測區(qū)域狀況和識(shí)別目標(biāo)等特點(diǎn)。傳統(tǒng)成像聲納多采用固定系數(shù)的波束形成技術(shù)［1-2］，雖然運(yùn)算復(fù)雜度小，但是在水底噪聲環(huán)境比較差的情況下，成像性能會(huì)急劇下降?；诜€(wěn)健性算法［3］的波束形成技術(shù)雖然能夠在一定程度上容忍噪聲的干擾，但是算法的復(fù)雜度往往比較高，而且會(huì)導(dǎo)致波束指向性能的下降。自適應(yīng)波束形成［4］技術(shù)能夠根據(jù)周圍環(huán)境噪聲場的變化，不斷地自動(dòng)調(diào)節(jié)本身的參數(shù)以適應(yīng)周圍環(huán)境，抑制干擾并檢出有用信號(hào)。但是自適應(yīng)算法多利用通道之間的相關(guān)性進(jìn)行迭代運(yùn)算，硬件復(fù)雜度很高且系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很難得到保證，在識(shí)別和分析目標(biāo)的過程中不能對波束指向性函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，難以對目標(biāo)的細(xì)節(jié)進(jìn)行精細(xì)刻畫。

為了滿足在復(fù)雜海洋環(huán)境下對目標(biāo)進(jìn)行有效地定位、識(shí)別和分析，本文設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)聚焦波束形成方法。顯控終端用戶根據(jù)不同水況條件下環(huán)境噪聲場的變化以及目標(biāo)體積形狀的特性，對波束指向性函數(shù)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，在干端主機(jī)上通過凸優(yōu)化［5］的方法求解出適合當(dāng)前應(yīng)用要求的加權(quán)系數(shù)，通過千兆網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至聲納濕端設(shè)備，在Xilinx公司的VIRTEX-6 VLX550T FPGA上完成波束形成，并將波束數(shù)據(jù)上傳至干端PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示［6］。

1 成像聲納系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的聲納系統(tǒng)由發(fā)射接收聲基陣、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、干端顯示控制模塊構(gòu)成。以Xilinx公司的FPGA芯片作為核心器件，根據(jù)干端PC下發(fā)的控制指令實(shí)現(xiàn)對180個(gè)基元的發(fā)射接收電路的控制，完成數(shù)字波束形成，并將波束數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)上傳至干端PC進(jìn)行顯示。

設(shè)計(jì)達(dá)到的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：量程100 m，視角90°×20°，波束數(shù)538，角度分辨率1°，量程分辨率5 cm。

成像聲納工作流程圖如圖1所示，現(xiàn)有系統(tǒng)采用固定系數(shù)的波束形成，在實(shí)際測試過程中設(shè)置的主波束過窄會(huì)出現(xiàn)旁瓣較高、對目標(biāo)搜索困難的情況，而主波束過寬又會(huì)使目標(biāo)圖像被展寬，導(dǎo)致系統(tǒng)的分辨率下降。本文主要研究顯控模塊和信號(hào)處理模塊，顯控模塊主要完成系數(shù)的動(dòng)態(tài)求解和下發(fā)，信號(hào)處理模塊主要完成波束形成運(yùn)算，兩部分共同完成系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)聚焦波束形成的功能，以達(dá)到更佳的精細(xì)成像效果。

圖1 成像聲納工作流程圖

2 基于凸優(yōu)化的動(dòng)態(tài)聚焦

2.1 圓弧陣波束形成［7］

本文采用如圖2所示的均勻半圓陣作為成像聲納系統(tǒng)的接收聲基陣。其由180個(gè)相同的陣元1#、2#、...、180#構(gòu)成，相鄰兩個(gè)陣元之間的角度間隔為Q=180°/179=1.0056°，波束間距為90°/537=0.167 6°?？梢园l(fā)現(xiàn)，相鄰陣元之間的圓心角剛好是波束間距的6倍，采用基于圓弧陣的旋轉(zhuǎn)多波束形成方法，通過陣元等效弦的轉(zhuǎn)動(dòng)，只需要6組加權(quán)系數(shù)矢量即可產(chǎn)生540個(gè)波束：1～91#陣元分別采用6組加權(quán)系數(shù)矢量產(chǎn)生1～6#波束，2～92#陣元采用相同的6組加權(quán)系數(shù)矢量產(chǎn)生7～12#波束，依此類推，最后90～180#陣元也采用相同的6組加權(quán)系數(shù)矢量產(chǎn)生535～540#波束（其中539#和540#波束在成像的90°范圍之外，舍棄不用）。

為了不失一般性，這里僅對遠(yuǎn)場情形下的波束形成過程進(jìn)行討論，近場情況下只需根據(jù)實(shí)際的近場時(shí)延做出相應(yīng)的修改。

圓弧陣列對應(yīng)于波束預(yù)成方向θ的導(dǎo)向矢量可寫成：

其中，R為圓弧半徑，v為聲速，w0是輸入信號(hào)的角頻率，φk為第k個(gè)陣元與波束預(yù)成方向的夾角。

得到該波束的空間指向性函數(shù)為：

H（θ）=wTg（θ）

其中，w為91維的實(shí)值加權(quán)系數(shù)矢量。

2.2 凸優(yōu)化問題模型

凸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［8］的主要思想是計(jì)算出滿足設(shè)計(jì)條件的權(quán)值矢量w，使設(shè)計(jì)的波束響應(yīng)H（θ）與期望響應(yīng)D（θ）的差值最小，即滿足期望的設(shè)計(jì)要求。

考慮|H（θ）-D（θ）|在各角度分量點(diǎn)上的和最小，設(shè)計(jì)其代價(jià)函數(shù)為：

J=‖wTg（θ）-D（θ）‖2

其中，權(quán)值矢量w定義在全體實(shí)數(shù)域上，求解代價(jià)函數(shù)J的最小值為典型的范數(shù)近似問題，在所定義的實(shí)數(shù)域凸集上一定有解。

為了實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)優(yōu)化的波束形成，可將指向空間分為通帶、過渡帶和阻帶，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整各空間帶的范圍來求解適合應(yīng)用需求的波束形狀。具體流程如圖3所示。

圖2 均勻半圓陣波束形成模型

圖3 動(dòng)態(tài)聚焦流程圖

動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程主要是對圖中虛線框中的通帶、過渡帶和阻帶角度范圍進(jìn)行高度靈活設(shè)置，以滿足期望響應(yīng)的要求，對各部分的設(shè)置要求如下：

①通帶塑形，對指定通帶角度范圍內(nèi)的波束，通過求解代價(jià)函數(shù)的最小值，使主瓣形狀與期望響應(yīng)誤差最??；

②過渡帶變量松弛，設(shè)置合適的過渡帶范圍，防止在凸優(yōu)化求解過程中出現(xiàn)過約束現(xiàn)象；

③阻帶低旁瓣約束，設(shè)置期望的主旁瓣比值，作為凸優(yōu)化的不等式約束。

2.3 仿真結(jié)果與分析

分辨率對于成像聲納系統(tǒng)至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)波束空間響應(yīng)的過程中，總是希望可以在得到更窄主瓣的同時(shí)旁瓣也可以非常低。但是在聲納孔徑和陣元數(shù)受限的情況下，這兩者是矛盾的，所以只能夠根據(jù)不同應(yīng)用條件來選擇最適合的主旁瓣特性。

根據(jù)之前聲納項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累，采用余弦加權(quán)的方法，對余弦加權(quán)的期望響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了凸優(yōu)化。結(jié)果顯示，在不明顯增加主瓣寬度的情況下，旁瓣得到了抑制，可以很好地解決小目標(biāo)在成像過程中被展寬的問題，仿真結(jié)果略——編者注。

在不同Gp、Gs、Pd范圍以及旁瓣約束條件下，可以對波束指向性函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，寬主瓣、超低旁瓣的波束響應(yīng)可以應(yīng)用在大范圍搜尋目標(biāo)的階段，而窄主瓣的情況可以用在對已知目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)成像的階段，動(dòng)態(tài)聚焦的過程就是對目標(biāo)進(jìn)行定位、識(shí)別和分析的漸進(jìn)過程。動(dòng)態(tài)聚焦的仿真結(jié)果略——編者注。

仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的方法可以很好地滿足多個(gè)階段對波束指向函數(shù)特性的不同需求。

3 FPGA實(shí)現(xiàn)［9］

本文采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)的數(shù)字多波束形成技術(shù)在水下視野范圍內(nèi)產(chǎn)生密集多波束。數(shù)字多波束成像系統(tǒng)分為180路ADC同步采集模塊、信號(hào)處理模塊和控制模塊。信號(hào)處理模塊完成對180路數(shù)字回波信號(hào)的正交解調(diào)、FIR濾波抽取及多波束形成。

3.1 原理設(shè)計(jì)和FPGA選擇

多波束成像系統(tǒng)的信號(hào)處理流程如圖4所示。首先對回波聲信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，其次通過數(shù)字解調(diào)器獲得采樣數(shù)據(jù)的同相分量I和正交分量Q，接著通過降采樣濾波器降低I、Q信號(hào)的數(shù)據(jù)率，以減小數(shù)字系統(tǒng)的工作頻率（數(shù)據(jù)吞吐量）及存儲(chǔ)資源需求，最后通過多波束形成運(yùn)算輸出波束數(shù)據(jù)用于聲納成像。因?yàn)樾枰贔PGA中存儲(chǔ)大量的波束加權(quán)數(shù)據(jù)，并對180個(gè)通道的LVDS信號(hào)進(jìn)行并行接收處理，所以芯片內(nèi)部Block RAM和差分I/O的數(shù)量是選擇芯片的一個(gè)重要因素。對工作速度和芯片本身的各種資源、成本等方面進(jìn)行權(quán)衡，選擇了Xilinx公司的VIRTEX-6 VLX550T FPGA來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)［10］。

圖4 多波束成像系統(tǒng)的信號(hào)處理流程

系統(tǒng)工作時(shí)，在顯控終端上利用滾動(dòng)條控件動(dòng)態(tài)調(diào)整Gp、Gs、Pd的范圍以及旁瓣約束，可以動(dòng)態(tài)生成期望波束響應(yīng)所需的權(quán)值矢量，通過以太網(wǎng)發(fā)送至信號(hào)處理模塊，進(jìn)行波束形成運(yùn)算?？刂颇K產(chǎn)生波束形成過程中所需的讀寫地址信號(hào)和控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)部分主要產(chǎn)生運(yùn)算部分和存儲(chǔ)部分的運(yùn)行使能，通過Moore狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，保證了數(shù)據(jù)的同步性，同時(shí)Gray編碼的使用有效解決了亞穩(wěn)態(tài)［11］現(xiàn)象。

3.2 權(quán)系數(shù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)

顯控終端處理后的權(quán)系數(shù)矢量采用乒乓操作實(shí)現(xiàn)系數(shù)的輸入和輸出，實(shí)部數(shù)據(jù)和虛部數(shù)據(jù)使用獨(dú)立的雙端口RAM存儲(chǔ)。

波束形成過程中，6個(gè)多波束形成模塊使用各自的系數(shù)RAM。由于濾波抽取后單通道信號(hào)速率為30 kHz，實(shí)時(shí)形成540波束的速率也為30 kHz。多波束形成模塊采用90個(gè)波束、91個(gè)系數(shù)復(fù)用一個(gè)乘法器，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理，RAM讀時(shí)鐘需達(dá)到245.7 MHz（0.03×91×90），而系統(tǒng)的有源晶振為25 MHz，通過時(shí)鐘管理模塊（DCM）不易產(chǎn)生245.7 MHz的時(shí)鐘，因此采用270 MHz作為多波束形成模塊的處理時(shí)鐘，將91個(gè)加權(quán)系數(shù)補(bǔ)0增加至100個(gè)加權(quán)系數(shù)。

由于采用時(shí)分復(fù)用乘法器的結(jié)構(gòu)，9個(gè)全0數(shù)據(jù)的增加，除了會(huì)增加部分存儲(chǔ)空間外，并不會(huì)增加對乘法器等其他資源的使用量，相反卻簡化了時(shí)鐘控制。

波束加權(quán)系數(shù)wncos（Tn）與wnsin（Tn）分別存儲(chǔ)在不同的系數(shù)RAM中，形成1個(gè)波束在4種不同聲速情況下的實(shí)/虛部加權(quán)值，乒乓RAM的容量應(yīng)為所需要緩沖數(shù)據(jù)的2倍，因此每個(gè)RAM深度為800。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)近場聚焦，需要存儲(chǔ)8個(gè)聚焦面（包括近場的7個(gè)聚焦面和遠(yuǎn)場）的加權(quán)系數(shù)矢量，分別存儲(chǔ)在不同的RAM中。

每個(gè)波束形成模塊存儲(chǔ)波束加權(quán)系數(shù)矢量實(shí)際所需存儲(chǔ)空間總共為2×8×800×16 b=25 KB，整個(gè)系統(tǒng)所需存儲(chǔ)空間為150 KB。

乒乓RAM的寫地址和讀地址都以400為周期計(jì)數(shù)，即權(quán)系數(shù)w［1，1］，w［1，2］，…，w［399，1］寫入乒乓RAM的地址0～399；權(quán)系數(shù)w［1，2］，w［2，2］，…，w［399，2］寫入乒乓RAM的地址400～799（原來地址基礎(chǔ)上+400）；再接下來權(quán)系數(shù)w［1，3］，w［2，3］，…，w［399，3］寫入乒乓RAM的地址0～399，覆蓋之前的權(quán)系數(shù)，以此類推。其中w［m，t］（1 ≤m≤399，t≤1）表示時(shí)間軸上第t組權(quán)系數(shù)。

4 測試與總結(jié)

為了測試方法的有效性，在消聲水池對聲納進(jìn)行了測試，為了更好檢測系統(tǒng)對于小目標(biāo)的成像能力，選擇了一個(gè)直徑60 cm、厚度只有1 cm的圓環(huán)作為目標(biāo)?；诖朔椒ǖ南曀販y試結(jié)果略——編者注。

選擇不同的空間指向響應(yīng)，畫面成像效果會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，動(dòng)態(tài)聚集前由于波束主瓣過寬，圓環(huán)圖像的分辨率比較低，成像的顆粒感比較明顯，在通過顯控干端下發(fā)更窄主瓣的波束指向權(quán)系數(shù)給FPGA之后，圓環(huán)的畫面精細(xì)程度明顯提高，系統(tǒng)對該圓環(huán)目標(biāo)的識(shí)別和分析能力明顯增強(qiáng)，符合本文動(dòng)態(tài)聚焦方法設(shè)計(jì)的初衷。

在學(xué)校泳池，對水下的潛水員進(jìn)行了實(shí)時(shí)成像掃描，得到了清晰的潛水員運(yùn)動(dòng)畫面。方法的實(shí)用性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，測試結(jié)果略——編者注。

結(jié)語

本文給出了一種成像聲納動(dòng)態(tài)聚焦功能的設(shè)計(jì)方法，基于凸優(yōu)化理論實(shí)現(xiàn)了在波束形成過程中對波束空間指向函數(shù)特性的動(dòng)態(tài)調(diào)整，并且基于Xilinx公司的Virtex-6 VLX550T FPGA完成了對該方法的工程實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際的消聲水池測試結(jié)果表明，該方法在對水下目標(biāo)的探測、識(shí)別和分析過程中達(dá)到了很好的效果，但是在實(shí)際操作中還需要軟件操作人員的工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)的支撐，在后續(xù)的工作中需要對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)聚焦功能的智能化做出進(jìn)一步的探索。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www. mesnet.com.cn。

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周建江（教授）、夏偉杰（副教授），研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理；董琎琎、蔣鵬飛、金雪（碩士研究生），研究方向?yàn)樾畔@取與處理。

Imaging Sonar Dynamic Focusing Algorithm and FPGA Realization※

Dong Jinjin，Zhou Jianjiang，Xia Weijie，Jiang Pengfei，Jin Xue

（College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

According to the requirement of meticulous real-time 2D sound images of underwater target in the imaging sonar，a method of dynamic focusing beam-forming algorithm and its FPGA realization are proposed in this article.Through the dynamic adjustment of pass band，transition zone and stop band range，the display and control terminal can calculate the optimal weighted coefficient used convex optimization method in real-time and distribute to the wet end via gigabit network.We accomplish dynamically focusing beam-forming algorithm in Xilinx company's VIRTEX-6 VLX550T FPGA and upload the beam data to the dry end PC to display.In this paper，the design realizes further detailed imaging based on target locating.

imaging sonar；dynamic focusing；convex optimization；FPGA

TP391

A

薛士然

2014-10-29）

省部級(jí)-江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（蘇政辦發(fā)（2012））；2014年江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金資助BY2014003-14；2014年度“江蘇省研究生教育創(chuàng)新工程”項(xiàng)目資助。