聲納圖像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展與FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：本文針對(duì)成像聲納擴(kuò)展圖像動(dòng)態(tài)范圍和增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的需求，提出了一種基于開方運(yùn)算的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法?；谡n題組研制的多波束成像聲納原理樣機(jī)的研制，分析了數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍壓縮導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失的原因及其對(duì)成像質(zhì)量的影響，采用JPL快速平方根近似算法改善了開方運(yùn)算FPGA實(shí)現(xiàn)過程的資源占用和系統(tǒng)延時(shí)。最后，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過多波束成像聲納系統(tǒng)的消聲水池實(shí)驗(yàn)證明了本文動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法的有效性和可行性，系統(tǒng)成像質(zhì)量改善明顯，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

引言

　　成像聲納能夠提供探測(cè)區(qū)域的高分辨圖像信息，在海洋開發(fā)中的應(yīng)用越來越廣泛。高精度的 轉(zhuǎn)換器保證了信號(hào)處理過程所需的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高分辨能力提供了可能，高性能成像聲納系統(tǒng)通常都采高位數(shù)的 轉(zhuǎn)換器對(duì)接收聲基陣的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣和量化。為了保證輸出的圖像數(shù)據(jù)具有合適的亮度和對(duì)比度，同時(shí)兼顧到信號(hào)處理過程的系統(tǒng)復(fù)雜度及顯示設(shè)備的實(shí)際需求，需要將 高精度數(shù)據(jù)壓縮到 數(shù)據(jù)寬度，信號(hào)處理過程中的數(shù)據(jù)流位寬如圖 1所示。數(shù)據(jù)壓縮方法選擇不當(dāng)，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(xù) 圖像難以復(fù)原出原始圖像所丟失的細(xì)節(jié)信息。文獻(xiàn)[1]在分析了當(dāng)前紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)領(lǐng)域的主流處理算法的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)在細(xì)節(jié)增強(qiáng)和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍壓縮同步處理技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)^[2]提出一種基于顏色視覺過程的高動(dòng)態(tài)范圍圖像映射方法，通過模擬人眼顏色視覺處理信息的過程壓縮圖像的動(dòng)態(tài)范圍，解決動(dòng)態(tài)范圍壓縮導(dǎo)致細(xì)節(jié)丟失等問題。文獻(xiàn)[3]根據(jù)監(jiān)控場(chǎng)景本身數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍較寬但視覺動(dòng)態(tài)范圍不足的情況展開了分析研究，提出了基于 映射的解決方案并進(jìn)行了FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，提高了監(jiān)控畫面的視覺動(dòng)態(tài)范圍。文獻(xiàn)^[4]針對(duì)紅外焦平面對(duì)輻射強(qiáng)度較大的目標(biāo)輸出動(dòng)態(tài)范剛不足的問題，提出一種場(chǎng)景自適應(yīng)的紅外焦平面成像動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)焦平面成像動(dòng)態(tài)范圍自適應(yīng)。本文提出的開方運(yùn)算處理方法解決了系統(tǒng)畫面顯示動(dòng)態(tài)范圍不足的問題，并通過引入一種快速近似算法提高了算法的實(shí)時(shí)性。

1 問題分析

　　文獻(xiàn)^[2]在展望中指出本文聲納原理樣機(jī)在試驗(yàn)中存在“數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍控制問題”，問題重述如下：“由于干端顯示只能顯示 ( 數(shù)據(jù))，而多波束形成運(yùn)算之后的數(shù)據(jù)是 ，因此，信號(hào)顯示利用滿屏圖像數(shù)據(jù)的最大值進(jìn)行線性歸一化處理，也就是搜索前一幀數(shù)據(jù)的最大值，并將該幀的波束數(shù)據(jù)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(hào)的顯示;二是當(dāng)兩幀的波束數(shù)據(jù)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(cè)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，人眼通過干端PC機(jī)上顯示的圖像效果手動(dòng)輸入歸一化數(shù)據(jù)截取的范圍。默認(rèn)情況下，截取高八位[15：8]顯示。當(dāng)圖像較暗的時(shí)候，輸入數(shù)據(jù)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(shù)直至圖像顯示較清晰為止?！?/p>

　　文獻(xiàn)^[5]中采用的處理方法不僅增加了用戶的操作復(fù)雜度，降低了用戶的使用體驗(yàn)，而且存在明顯的缺點(diǎn)，雖然可以通過手動(dòng)改變截取位調(diào)節(jié)圖像的亮暗程度，但是在觀測(cè)微小信號(hào)的同時(shí)，大信號(hào)會(huì)出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象，產(chǎn)生畫面模糊，在波束方向圖中表現(xiàn)為雙峰現(xiàn)象，如圖2所示在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源測(cè)試^{[3 ]}時(shí)，軟件畫面的主瓣兩邊由于飽和出現(xiàn)了兩條亮線。

　　具體的幀數(shù)據(jù)方向圖仿真結(jié)果如圖3所示，圖3A為截取位過低情況下的幀數(shù)據(jù)方向圖，圖3B為截取位過高情況下的幀數(shù)據(jù)方向圖，可以看到由于小信號(hào)在截取過程中丟失，方向圖中的旁瓣被截?cái)唷?/p>