成像聲納動態聚焦算法研究與FPGA實現※*

董琎琎，周建江，夏偉杰，蔣鵬飛，金雪

（南京航空航天大學電子信息工程學院，南京210016）

成像聲納動態聚焦算法研究與FPGA實現※*

董琎琎，周建江，夏偉杰，蔣鵬飛，金雪

（南京航空航天大學電子信息工程學院，南京210016）

針對多波束成像聲納實時獲取水下目標精細二維聲圖像的要求，提出了一種可動態聚焦的波束形成算法及其FPGA實現。通過對波束通帶、過渡帶、阻帶范圍的動態調整，顯控終端利用凸優化的方法實時計算出最優的加權系數并通過千兆網絡下發至聲納濕端設備，在Xilinx公司的VIRTEX-6 VLX550T FPGA上實現可動態聚焦的波束形成算法，并將波束數據上傳至干端PC進行成像顯示。本文設計的方案在已有目標定位的基礎上，實現了精細成像。

成像聲納；動態聚焦；凸優化；FPGA

引言

聲納成像在海洋資源開發和海洋防衛等方面有著重要的意義，具有作用距離遠、圖像直觀顯示觀測區域狀況和識別目標等特點。傳統成像聲納多采用固定系數的波束形成技術［1-2］，雖然運算復雜度小，但是在水底噪聲環境比較差的情況下，成像性能會急劇下降。基于穩健性算法［3］的波束形成技術雖然能夠在一定程度上容忍噪聲的干擾，但是算法的復雜度往往比較高，而且會導致波束指向性能的下降。自適應波束形成［4］技術能夠根據周圍環境噪聲場的變化，不斷地自動調節本身的參數以適應周圍環境，抑制干擾并檢出有用信號。但是自適應算法多利用通道之間的相關性進行迭代運算，硬件復雜度很高且系統的實時性很難得到保證，在識別和分析目標的過程中不能對波束指向性函數進行動態調整，難以對目標的細節進行精細刻畫。

為了滿足在復雜海洋環境下對目標進行有效地定位、識別和分析，本文設計了動態聚焦波束形成方法。顯控終端用戶根據不同水況條件下環境噪聲場的變化以及目標體積形狀的特性，對波束指向性函數各參數進行實時調整，在干端主機上通過凸優化［5］的方法求解出適合當前應用要求的加權系數，通過千兆網絡下發至聲納濕端設備，在Xilinx公司的VIRTEX-6 VLX550T FPGA上完成波束形成，并將波束數據上傳至干端PC機進行實時顯示［6］。

1 成像聲納系統總體設計

本文所設計的聲納系統由發射接收聲基陣、信號調理模塊、信號處理模塊、數據傳輸模塊、干端顯示控制模塊構成。以Xilinx公司的FPGA芯片作為核心器件，根據干端PC下發的控制指令實現對180個基元的發射接收電路的控制，完成數字波束形成，并將波束數據通過千兆網上傳至干端PC進行顯示。

設計達到的相關技術指標為：量程100 m，視角90°×20°，波束數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，現有系統采用固定系數的波束形成，在實際測試過程中設置的主波束過窄會出現旁瓣較高、對目標搜索困難的情況，而主波束過寬又會使目標圖像被展寬，導致系統的分辨率下降。本文主要研究顯控模塊和信號處理模塊，顯控模塊主要完成系數的動態求解和下發，信號處理模塊主要完成波束形成運算，兩部分共同完成系統可動態聚焦波束形成的功能，以達到更佳的精細成像效果。

圖1 成像聲納工作流程圖

2 基于凸優化的動態聚焦

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的接收聲基陣。其由180個相同的陣元1#、2#、...、180#構成，相鄰兩個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°。可以發現，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多波束形成方法，通過陣元等效弦的轉動，只需要6組加權系數矢量即可產生540個波束：1～91#陣元分別采用6組加權系數矢量產生1～6#波束，2～92#陣元采用相同的6組加權系數矢量產生7～12#波束，依此類推，最后90～180#陣元也采用相同的6組加權系數矢量產生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，這里僅對遠場情形下的波束形成過程進行討論，近場情況下只需根據實際的近場時延做出相應的修改。

圓弧陣列對應于波束預成方向θ的導向矢量可寫成：

其中，R為圓弧半徑，v為聲速，w0是輸入信號的角頻率，φk為第k個陣元與波束預成方向的夾角。

得到該波束的空間指向性函數為：

H（θ）=wTg（θ）

其中，w為91維的實值加權系數矢量。

2.2 凸優化問題模型

凸優化設計方法［8］的主要思想是計算出滿足設計條件的權值矢量w，使設計的波束響應H（θ）與期望響應D（θ）的差值最小，即滿足期望的設計要求。

考慮|H（θ）-D（θ）|在各角度分量點上的和最小，設計其代價函數為：

J=‖wTg（θ）-D（θ）‖2

其中，權值矢量w定義在全體實數域上，求解代價函數J的最小值為典型的范數近似問題，在所定義的實數域凸集上一定有解。

為了實現可動態優化的波束形成，可將指向空間分為通帶、過渡帶和阻帶，通過動態調整各空間帶的范圍來求解適合應用需求的波束形狀。具體流程如圖3所示。

圖2 均勻半圓陣波束形成模型

圖3 動態聚焦流程圖

動態調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行高度靈活設置，以滿足期望響應的要求，對各部分的設置要求如下：

①通帶塑形，對指定通帶角度范圍內的波束，通過求解代價函數的最小值，使主瓣形狀與期望響應誤差最小；

②過渡帶變量松弛，設置合適的過渡帶范圍，防止在凸優化求解過程中出現過約束現象；

③阻帶低旁瓣約束，設置期望的主旁瓣比值，作為凸優化的不等式約束。

2.3 仿真結果與分析

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

根據之前聲納項目的經驗積累，采用余弦加權的方法，對余弦加權的期望響應函數進行了凸優化。結果顯示，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在成像過程中被展寬的問題，仿真結果略——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進行動態調整，寬主瓣、超低旁瓣的波束響應可以應用在大范圍搜尋目標的階段，而窄主瓣的情況可以用在對已知目標進行精細成像的階段，動態聚焦的過程就是對目標進行定位、識別和分析的漸進過程。動態聚焦的仿真結果略——編者注。

仿真結果顯示，本文設計的方法可以很好地滿足多個階段對波束指向函數特性的不同需求。

3 FPGA實現［9］

本文采用全數字化設計的數字多波束形成技術在水下視野范圍內產生密集多波束。數字多波束成像系統分為180路ADC同步采集模塊、信號處理模塊和控制模塊。信號處理模塊完成對180路數字回波信號的正交解調、FIR濾波抽取及多波束形成。

3.1 原理設計和FPGA選擇

多波束成像系統的信號處理流程如圖4所示。首先對回波聲信號進行A/D轉換得到數字信號，其次通過數字解調器獲得采樣數據的同相分量I和正交分量Q，接著通過降采樣濾波器降低I、Q信號的數據率，以減小數字系統的工作頻率（數據吞吐量）及存儲資源需求，最后通過多波束形成運算輸出波束數據用于聲納成像。因為需要在FPGA中存儲大量的波束加權數據，并對180個通道的LVDS信號進行并行接收處理，所以芯片內部Block RAM和差分I/O的數量是選擇芯片的一個重要因素。對工作速度和芯片本身的各種資源、成本等方面進行權衡，選擇了Xilinx公司的VIRTEX-6 VLX550T FPGA來實現本系統［10］。

圖4 多波束成像系統的信號處理流程

系統工作時，在顯控終端上利用滾動條控件動態調整Gp、Gs、Pd的范圍以及旁瓣約束，可以動態生成期望波束響應所需的權值矢量，通過以太網發送至信號處理模塊，進行波束形成運算。控制模塊產生波束形成過程中所需的讀寫地址信號和控制信號。控制信號部分主要產生運算部分和存儲部分的運行使能，通過Moore狀態機來實現，保證了數據的同步性，同時Gray編碼的使用有效解決了亞穩態［11］現象。

3.2 權系數動態存儲

顯控終端處理后的權系數矢量采用乒乓操作實現系數的輸入和輸出，實部數據和虛部數據使用獨立的雙端口RAM存儲。

波束形成過程中，6個多波束形成模塊使用各自的系數RAM。由于濾波抽取后單通道信號速率為30 kHz，實時形成540波束的速率也為30 kHz。多波束形成模塊采用90個波束、91個系數復用一個乘法器，為了實現實時信號處理，RAM讀時鐘需達到245.7 MHz（0.03×91×90），而系統的有源晶振為25 MHz，通過時鐘管理模塊（DCM）不易產生245.7 MHz的時鐘，因此采用270 MHz作為多波束形成模塊的處理時鐘，將91個加權系數補0增加至100個加權系數。

由于采用時分復用乘法器的結構，9個全0數據的增加，除了會增加部分存儲空間外，并不會增加對乘法器等其他資源的使用量，相反卻簡化了時鐘控制。

波束加權系數wncos（Tn）與wnsin（Tn）分別存儲在不同的系數RAM中，形成1個波束在4種不同聲速情況下的實/虛部加權值，乒乓RAM的容量應為所需要緩沖數據的2倍，因此每個RAM深度為800。同時為了實現近場聚焦，需要存儲8個聚焦面（包括近場的7個聚焦面和遠場）的加權系數矢量，分別存儲在不同的RAM中。

每個波束形成模塊存儲波束加權系數矢量實際所需存儲空間總共為2×8×800×16 b=25 KB，整個系統所需存儲空間為150 KB。

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

4 測試與總結

為了測試方法的有效性，在消聲水池對聲納進行了測試，為了更好檢測系統對于小目標的成像能力，選擇了一個直徑60 cm、厚度只有1 cm的圓環作為目標。基于此方法的消聲水池測試結果略——編者注。

選擇不同的空間指向響應，畫面成像效果會產生動態變化，動態聚集前由于波束主瓣過寬，圓環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更窄主瓣的波束指向權系數給FPGA之后，圓環的畫面精細程度明顯提高，系統對該圓環目標的識別和分析能力明顯增強，符合本文動態聚焦方法設計的初衷。

在學校泳池，對水下的潛水員進行了實時成像掃描，得到了清晰的潛水員運動畫面。方法的實用性得到了進一步驗證，測試結果略——編者注。

結語

本文給出了一種成像聲納動態聚焦功能的設計方法，基于凸優化理論實現了在波束形成過程中對波束空間指向函數特性的動態調整，并且基于Xilinx公司的Virtex-6 VLX550T FPGA完成了對該方法的工程實現。

實際的消聲水池測試結果表明，該方法在對水下目標的探測、識別和分析過程中達到了很好的效果，但是在實際操作中還需要軟件操作人員的工程經驗和專業知識的支撐，在后續的工作中需要對系統動態聚焦功能的智能化做出進一步的探索。

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

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周建江（教授）、夏偉杰（副教授），研究方向為雷達信號處理；董琎琎、蔣鵬飛、金雪（碩士研究生），研究方向為信息獲取與處理。

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-江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（蘇政辦發（2012））；2014年江蘇省產學研聯合創新資金資助BY2014003-14；2014年度“江蘇省研究生教育創新工程”項目資助。