电磁波在水下衰减速率快，抗干扰能力差，而声纳信号传播性好，穿透性强，通过声纳系统来进行场景成像已成为水下探测的最有效手段［1］。利用三维声纳成像技术可以探测静止或运动目标的细节特征，并提供多视角观察，在多个领域都具备广泛的应用前景［2］。目前，三维实时成像声纳装置主要被安装在船体上，如英国CodaOctopus公司的EchoscopeMarkⅡ型声纳系统［3］，或者将换能器安装在能够旋转方位的水下机器人上，如美国ＲESON公司开发的数字声纳设备Sea-Bat8128［4］。而此类声纳系统的阵元规模都比较大，设备笨重，在浅港、内河等水域难以胜任精确探测复杂水下环境和水下灵活作业的任务。本文设计并实现了便携式三维声纳实时成像系统，以相互垂直的发射接收阵元，通过不同频率的声脉冲信号透射观察体积，经过实时图像处理和显示模块得到三维声纳图像［5］，使得蛙人能够在水下实时获得目标的声学图像，可用于浅水水域的精确探测。
1系统原理和结构
如图1所示，假设在二维空间的远场有一个单频声波信号源Bcosωt，频率为f，波长λ，传播速度为c，距离为D，接收阵元等间距排列，距离为d。当信号源满足远场条件时(D≥d2/λ)，回波信号可以被看为一个平面，信号的入射角为α，则相邻阵元的波程差l=d·sinα，由此可得出相邻阵元间的接收时延τ=d·sinα/c，相位差θ=2πfd·sinα/c，相应第p个阵元接收到的回波信号为xp(t)=Bcos(ωt+pθ)，(1)将所有阵元的回波信号进行叠加，并经过几何级数求和后可得y(t)=Bcos(ωt+(p－1)θ/2)·sinnθ2sinθ2．(2)由表达式(2)可以看出叠加信号的大小取决于各信号的相位差θ，当θ为0时，即回波信号垂直于线阵入射时，接收到的能量达到最大值。波束形成的基本原理是为了得到与直线阵元成某一角度α方向上的波束信号，对n个阵元接收到的回波信号进行不同的延时补偿和相位补偿，使这一方向上的信号在x＇轴上同相叠加，而其他方向的回波信号则相互抵消衰减，从而达到基于方向的空间滤波效果［6］。便携式三维声纳系统的结构如图2所示，设备可与船体通过线缆相连或者离线工作。液晶显示屏安装在基板下方，与信号处理板连接，实时显示水下三维图像和多项系统参数。电源板可在线缆提供的外部电源和电池电源之间切换，为各板提供数字电和模拟电，基板负责板间互连和结构固定。声纳发射阵和接收阵被安装在前面板上，探测水平方向120°，垂直方向75°范围内的物体。利用波束形成原理，垂直发射线阵的阵元通过不同的相位差向探测空间的各个方向发射多路声纳脉冲信号，每个方向采用一种频率，用于定位垂直方向，如图3所示，发射阵元材料选用PZT—4型压电陶瓷，具有较高的机电耦合系数。水平接收阵材料选用PZT—5压电陶瓷，具有良好的响应特性，获取的回波信号经过带通滤波后同样利用波束形成原理添加相位和延时补偿，将各路阵元结果叠加后得到所需水平方向上的最强信号。经过多轮的发射和接收循环最终在显示屏上刷新出成像结果，实现水下三维探测。
2系统实现
2．1硬件系统设计
如图4所示，系统硬件主要由信号处理板、接收板和发射板组成。信号处理板完成75路发射信号的产生和二级波束信号处理，实现与液晶屏之间的命令和数据通信，并将采集到的数据上传到上位机。接收板连接水平接收阵的120路换能器，完成信号调理和一级波束形成。发射板用于驱动垂直发射线阵工作。接收板首先对从换能器接收到的微弱电信号进行调理，将信号通过一个放大电路和300～600kHz的带通滤波器，有效信号的衰减小于3dB，使信号满足A/D转换要求。然后模拟前端对声纳信号进行增益控制和同步采样，增益范围20～60dB。采用Xilinx公司的Spartan—6系列FPGA完成第一级的波束形成，其内部集成大量的数字信号处理器(DSP)，可高效完成波束形成运算。两片FPGA各负责60路信号，通过I2C获取当前量程等参数，到处理板的数据传输通过LVDS接口完成。AFE5851是TI公司推出的面向高密度低功耗设备的新型集成模拟前端，集成了16个可变增益放大器和8个12位64MSPSA/D转换器，系统的采样速率为3MSPS，每通道功耗小于20mW。信号处理板的FPGA扩展1GB内存，从DDＲ中获取正弦波数字信号，采用查找表的方式生成75路发射信号，最后经过D/A转换器生成模拟信号，同时FPGA接收经过预处理的波束信号，实现二级波束形成，通过PCIe总线将结果传输到处理器，用于实时成像。DM8127是基于低功耗的数字媒体处理器，拥有强大的图形处理能力和丰富的外围接口，平均功耗小于3W，可保证系统在电池供电时保持较长的续航时间。
2．2FPGA系统设计
接收板的FPGA主要完成模拟前端的控制、数据的采集、120路信号的DFT运算、一级波束形成与上传数据等功能。由于随着阵元数量的增长，波束形成算法对硬件系统的性能要求也显著提高，在有限的成本下难以实时完成波束形成运算。为此，采用分级波束形成算法，以30个阵元为一组子阵并行完成－60°～60°范围内31个方向的一级波束形成，再将4个子阵作为4个阵元完成全阵120个方向的二级波束形成，相比直接获取波束结果可减少90%的运算量［7］。接收板的一级波束形成过程如图5所示，首先对各个阵元的150个离散采样点x1［n］做DFT处理，并根据当前所处的频带k提取频域信号X1(k)，再参照各阵元的相移参数θ进行相位补偿［8］，最后将所有结果求和则可得到一级波束信号Ｒα。图5一级波束形成流程Fig5Processoflevel-1beamforming在信号处理板，信号发射模块通过DDＲ控制器获取当前方向的75路数据，将发射信号发送到D/A转换器。FP-GA进行二级波束形成时，将每个子阵作为一个阵元，阵元的位置是子阵的中心点。在－60°～60°的范围内均分120个方向，形成某个方向的波束时，从各个子阵元选取方向最接近的一级波束信号，经过角度差调整后与一级波束形成类似，进行相位补偿求和，最终获得以接收基阵中心为原点的120个方向波束信息。
2．3软件系统设计
系统的软件功能主要由4个部分组成，如图6所示。通信部分完成处理器与上位机、FPGA和显示屏的数据传输。数据管理部分实现一些重要图像和数据的本地存储和回放。参数控制需要配置发射脉宽、探测距离档位、TVG控制等参数，同时传递人机交互的信息。系统软件的主体是三维建模，处理器从FPGA接收到的波束信号无法直接用于三维成像，需要先将声纳信息解析为三维坐标平面的点阵信息［9］。处理器接收到的声纳信息包括:波束信号在水平方向的角度α，信号频率k，目标图6便携式三维声纳系统软件功能Fig6Softwarefunctionofportable3Dsonarsystem点到阵元的距离D，信号强度B。数据解析过程需要将这些信息转换到以水平接收阵为x轴，垂直阵为y轴，垂直于换能器平面的方向为z轴的三维坐标系(x，y，z)中。转换公式如下［10］x=D×tgβ1+tg2α+tg2槡β，(3)y=D×tgα1+tg2α+tg2槡β，(4)z=D1+tg2α+tg2槡β．(5)其中，β是目标在垂直方向上的角度，发射扇面的每个方向波束采用不同的频率，通过信号频带k可以得到目标在垂直方向的角度β。由于发射波束和接收波束的方向是固定的，为提高转换效率，避免冗余的耗时运算，处理器预先计算出所有方向的正切值存入数组中，进行坐标转换时可利用查找到的正切值直接完成转换。采用三角网格构建将分散的数据点结合成可显示的图像片段。网格构建的方式选用欧氏距离最近邻原则，首先设定一个阈值，若两点间的距离小于此阈值，则可认为这两点间有相邻关系［11］。声纳系统的探测量程是可调的，使用固定的阈值会导致不同量程下出现大量的连接错误，成像效果不理想。为此，采用动态阈值，每当量程改变时，阈值将根据该量程的最大距离进行调整［12］。
3测试结果
为验证分级波束形成算法的可行性，利用Matlab软件对两种算法进行仿真，设定在线阵中心0°方向有一个声波信号源且满足远场条件。仿真得到的各方向波束结果如图7和图8所示，采用分级算法的主瓣宽度在1°左右，具有和直接算法同样高的分辨率，其旁瓣峰值的增量也小于0．5dB，由此证明:分级波束形成算法既能够取得与直接波束形成算法相同的效果，又可以大幅度减少系统资源占用，提高运行效率。为实际测试系统的水下成像效果，在千岛湖实验基地进行试验。图9为10～40m量程下探测到的湖底地形，通过颜色和纹理的变化可以清楚地看出湖底地形状况。图10为放置了圆筒障碍物后探测到的湖底地形。英国CodaOctopus公司开发的EchoscopeMark系列三维声纳采用大规模的平面阵换能器进行波束信号的发射和接收，与本系统样机的技术指标对比如表1所示。本系统样机与MarkII相比，大幅度减少了接收阵的阵元数量，仅仅牺牲了小部分的系统性能，而离线续航时间可达3h以上，更是将水下重量减轻到了0kgf，总体上仍然能够满足水下精确探测和灵活作业的需求。
4结束语
本文系统设计并实现了一种水下便携式三维声纳实时成像系统。系统基于低功耗设计，采用优化后的分级波束形成算法高效完成声纳信号处理，通过自适应阈值的网格构建算法实现三维建模。测试结果表明:系统的水下三维实时成像效果良好，并且功耗低，重量轻，能够适应多种复杂的水下工作环境，在港口探测、堤坝巡查、小型湖泊地形绘制、河道工程等方面具有广泛的应用前景。
作者:陈加洋 陈耀武 单位:浙江大学数字技术及仪器研究所
