聲納圖像動(dòng)態(tài)范圍擴展與FPGA實(shí)現

摘要：本文針對成像聲納擴展圖像動(dòng)態(tài)范圍和增強圖像細節的需求，提出了一種基于開(kāi)方運算的動(dòng)態(tài)范圍擴展方法?；谡n題組研制的多波束成像聲納原理樣機的研制，分析了數據動(dòng)態(tài)范圍壓縮導致圖像細節丟失的原因及其對成像質(zhì)量的影響，采用JPL快速平方根近似算法改善了開(kāi)方運算FPGA實(shí)現過(guò)程的資源占用和系統延時(shí)。最后，對改進(jìn)設計方案進(jìn)行了實(shí)驗驗證，通過(guò)多波束成像聲納系統的消聲水池實(shí)驗證明了本文動(dòng)態(tài)范圍擴展方法的有效性和可行性，系統成像質(zhì)量改善明顯，達到優(yōu)化設計的預期目標。

引言

　　成像聲納能夠提供探測區域的高分辨圖像信息，在海洋開(kāi)發(fā)中的應用越來(lái)越廣泛。高精度的 轉換器保證了信號處理過(guò)程所需的數據動(dòng)態(tài)范圍，為實(shí)現系統的高分辨能力提供了可能，高性能成像聲納系統通常都采高位數的 轉換器對接收聲基陣的輸出信號進(jìn)行采樣和量化。為了保證輸出的圖像數據具有合適的亮度和對比度，同時(shí)兼顧到信號處理過(guò)程的系統復雜度及顯示設備的實(shí)際需求，需要將 高精度數據壓縮到 數據寬度，信號處理過(guò)程中的數據流位寬如圖 1所示。數據壓縮方法選擇不當，將使得原有大動(dòng)態(tài)圖像信息得不到保留，即大動(dòng)態(tài)圖像壓縮可能會(huì )造成后續 圖像難以復原出原始圖像所丟失的細節信息。文獻[1]在分析了當前紅外圖像細節增強領(lǐng)域的主流處理算法的基礎上，指出了每種技術(shù)在處理效果上所存在的優(yōu)點(diǎn)和不足，探討了基于高精度 采樣圖像數據在細節增強和數據動(dòng)態(tài)范圍壓縮同步處理技術(shù)上的優(yōu)勢。文獻^[2]提出一種基于顏色視覺(jué)過(guò)程的高動(dòng)態(tài)范圍圖像映射方法，通過(guò)模擬人眼顏色視覺(jué)處理信息的過(guò)程壓縮圖像的動(dòng)態(tài)范圍，解決動(dòng)態(tài)范圍壓縮導致細節丟失等問(wèn)題。文獻[3]根據監控場(chǎng)景本身數據動(dòng)態(tài)范圍較寬但視覺(jué)動(dòng)態(tài)范圍不足的情況展開(kāi)了分析研究，提出了基于 映射的解決方案并進(jìn)行了FPGA硬件實(shí)現，提高了監控畫(huà)面的視覺(jué)動(dòng)態(tài)范圍。文獻^[4]針對紅外焦平面對輻射強度較大的目標輸出動(dòng)態(tài)范剛不足的問(wèn)題，提出一種場(chǎng)景自適應的紅外焦平面成像動(dòng)態(tài)范圍調整方法實(shí)現焦平面成像動(dòng)態(tài)范圍自適應。本文提出的開(kāi)方運算處理方法解決了系統畫(huà)面顯示動(dòng)態(tài)范圍不足的問(wèn)題，并通過(guò)引入一種快速近似算法提高了算法的實(shí)時(shí)性。

1 問(wèn)題分析

　　文獻^[2]在展望中指出本文聲納原理樣機在試驗中存在“數據動(dòng)態(tài)范圍控制問(wèn)題”，問(wèn)題重述如下：“由于干端顯示只能顯示 ( 數據)，而多波束形成運算之后的數據是 ，因此，信號顯示利用滿(mǎn)屏圖像數據的最大值進(jìn)行線(xiàn)性歸一化處理，也就是搜索前一幀數據的最大值，并將該幀的波束數據直接除以該值進(jìn)行歸一化。這樣做有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是不利于小信號的顯示;二是當兩幀的波束數據最大值相差很大時(shí)，會(huì )造成圖像忽明忽暗的閃動(dòng)。水池測試時(shí)，明顯看出了這兩方面的不足。采用的解決方法是改為手動(dòng)歸一化的方法，人眼通過(guò)干端PC機上顯示的圖像效果手動(dòng)輸入歸一化數據截取的范圍。默認情況下，截取高八位[15：8]顯示。當圖像較暗的時(shí)候，輸入數據7，則截取[14:7]進(jìn)行顯示。如果圖像依舊較暗，則依次向下取數直至圖像顯示較清晰為止?！?/p>

　　文獻^[5]中采用的處理方法不僅增加了用戶(hù)的操作復雜度，降低了用戶(hù)的使用體驗，而且存在明顯的缺點(diǎn)，雖然可以通過(guò)手動(dòng)改變截取位調節圖像的亮暗程度，但是在觀(guān)測微小信號的同時(shí)，大信號會(huì )出現飽和的現象，產(chǎn)生畫(huà)面模糊，在波束方向圖中表現為雙峰現象，如圖2所示在進(jìn)行標準信號源測試^{[3 ]}時(shí)，軟件畫(huà)面的主瓣兩邊由于飽和出現了兩條亮線(xiàn)。

　　具體的幀數據方向圖仿真結果如圖3所示，圖3A為截取位過(guò)低情況下的幀數據方向圖，圖3B為截取位過(guò)高情況下的幀數據方向圖，可以看到由于小信號在截取過(guò)程中丟失，方向圖中的旁瓣被截斷。