水下便携式三维声纳实时成像系统设计.pdf

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1、2015年第34卷第2期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)99DOI：10．13873／J．1000--9787(2015)02--0099--04水下便携式三维声纳实时成像系统设计陈加洋，陈耀武(浙江大学数字技术及仪器研究所。浙江杭州310027)摘要：针对传统三维声纳装置体积庞大、设备沉重，在水下难以灵活作业的问题，设计了水下便携式三维声纳实时成像系统。通过现场可编程门阵列(FPGA)控制多路信号同步采样，优化波束形成算法大幅提高声纳信号处理速度，同时采用基于低功耗的数字媒体处

2、理器以并行处理方式实时完成三维建模和图像显示。实验结果表明：系统续航时间可达4h，水下零重量，可在40m范围内实现角度分辨率1．2。的三维成像，图像刷新率可达25帧／s。关键词：便携式三维声纳系统；换能器；现场可编程门阵列；分级波束形成；三维建模中图分类号：TP752．1文献标识码：A文章编号：1000-9787(2015)02-0099--04Designofportable3Dunderwatersonarreal-timeimagingsystemCHENJia-yang，CHENYao-WU(InstituteofDigital

3、TechnologyandInstrument，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China)Abstract：Aimingatproblemoflargesize，heavyweightandcan’tworkflexiblyunderwateroftraditional3Dsonardevice，adesignofportable3Dunderwatersonarreal—timeimagingsystemisproposed．Controlmultiplepathsignalforsynchron

4、izationsamplingbyFPGA，beamformingalgorithmisoptimizedtoimproveprocessingspeedofsonarsignal，digitalmediaprocessorbasedonlowpowerconsumptionisusedtoachieve3Dmodelingandimagedisplaybythewayofparallelprocessing．Experimentalresultshowsthatthesystemcanworkfor4hofline，anditswei

5、ghtunderwateriszero，andisabletoform3Dimagingwitharesolutionof1．2。withintherangeof40m，andtheimagerefreshratecanreachupto25frames／s．Keywords：portable3Dsonarsystem；transducer；FPGA；multistagebeamforming；3Dmodeling0引言相互垂直的发射接收阵元，通过不同频率的声脉冲信号透电磁波在水下衰减速率快，抗干扰能力差，而声纳信号射观察体积，经过实时

6、图像处理和显示模块得到三维声纳传播性好，穿透性强，通过声纳系统来进行场景成像已成为图像J，使得蛙人能够在水下实时获得目标的声学图像，水下探测的最有效手段J。利用三维声纳成像技术可以可用于浅水水域的精确探测。探测静止或运动目标的细节特征，并提供多视角观察，在多1系统原理和结构个领域都具备广泛的应用前景j。如图1所示，假设在二维空间的远场有一个单频声波目前，三维实时成像声纳装置主要被安装在船体上，如信号源BCOStot，频率为l厂，波长A，传播速度为c，距离为D，英国CodaOctopus公司的EchoscopeMarkII型声纳系接收阵元

7、等间距排列，距离为d。当信号源满足远场条件统J，或者将换能器安装在能够旋转方位的水下机器人时(D≥d／A)，回波信号可以被看为一个平面，信号的入射上，如美国RESON公司开发的数字声纳设备Sea—角为Ot，则相邻阵元的波程差l=d·sin，由此可得出相邻Bat8128_4J。而此类声纳系统的阵元规模都比较大，设备笨阵元间的接收时延=d·sina／c，相位差0=2~fd·sin／重，在浅港、内河等水域难以胜任精确探测复杂水下环境和c，相应第P个阵元接收到的回波信号为水下灵活作业的任务。()=COS(cot+pO)，(1)本文设计并实现了便

8、携式三维声纳实时成像系统，以将所有阵元的回波信号进行叠加，并经过几何级数求收稿日期：2014-06—15基金项目：国家自然科学基金资助项目(40927001)100传感器与微系统第34卷和后可得像结果，实现