基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法，包括：(1)FPGA采集换能器通道的AD数据，并将每个通道的AD数据以108点乒乓缓存的方式存储至RAM；(2)对108点数据计算DFT结果，记录每个DFT结果对应的探测距离，在探测距离为0‑15m、15‑30m、30‑60m、60‑120m或120‑200m时，进行108、216、432、864或1728点数据的DFT计算，获得距离分辨率分别为3cm、6cm、12cm、24cm或48cm；(3)生成波束的相位调整表和时间延时表，计算DFT结果、相位调整表、时间延时表得到每个截面的波束；(4)将有效目标于PC端进行显示。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法及系统
本专利技术涉及FPGA技术及高性能计算
，具体涉及一种基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法及系统。
技术介绍
FPGA是一种电路逻辑器件，同时具有静态可重复编程和在线动态重构特性。这种电路功能表现为硬件但是却可以像软件一样通过编程的方式来修改，从而大大提高了电子系统的通用性和设计灵活性。FPGA的特性使得它在电路系统中广泛使用。在三维声纳系统中，为了能看到更清晰的实时图像，往往会减少DFT(离散傅里叶变换)采样点数以提高距离分辨率，但不可避免地，减少采样点数会导致频带更宽，以300KHz工作频率、2.7MHz采样率、108点采样为例，采样12周期，频带为25KHz，即300KHz±12.5KHz的频率分量都有可能叠加到DFT结果中，而有效信号是300KHz，能量是确定的，频带越宽可能引入的噪声越强，因而频带越宽信噪比越低，频带越窄信噪比越高；把采样点数提高到216点后，分辨率从3cm变为6cm，频带从25KHz变为12.5KHz，可以得到结论，在工作频率和采样率不变的情况下，采样点数越多，分辨率越低，信噪比越高，反之亦然。三维声纳与传统声纳不同，它是一种三维实时成像的声纳系统，为了能看到清晰的图像以分辨目标，需要尽可能地提高分辨率，但声波在水下传播过程中能量会随着距离增加而减少，到了100m时分析采集的原始数据，作FFT频谱分析发现，以3cm分辨率108点采样，有效信号和噪声在同一数量级，图像上看有很多噪点，已经分辨不出目标；以24cm分辨率864点采样，信噪比明显提高，图像上可以分辨目标。此外，三维声纳系统除了距离分辨率(垂直声纳阵列方向，z轴)，在水平方向(平行水平阵列方向，x轴)和垂直方向(平行垂直阵列方向，y轴)还有角度分辨率，每个相邻波束角度分辨率约为0.4°，角度分辨率在不同距离保持不变，因而随距离增加，x轴和y轴分辨率降低，约为距离的0.007倍，可以计算出，在100m时，x轴和y轴分辨率约为70cm，此时再用3cm距离分辨率已经没有意义。综上所述，三维声纳系统需要自适应距离分辨率切换方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于FPGA的三维声纳系统的自适应距离分辨率切换方法及系统。该系统根据探测距离自动切换距离分辨率，这样能够兼顾近距离图像清晰度与远距离探测灵敏度。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种基于FPGA的三维声纳系统的自适应距离分辨率切换方法，包括以下步骤：原始数据采集步骤：收到一帧开始命令后，FPGA采集a*a路换能器通道的AD数据，并将每个通道的AD(模数转换)数据以108点乒乓缓存的方式存储至RAM；切换距离分辨率步骤：依次对RAM中的108点进行DFT计算，获得DFT结果，并记录每个DFT结果对应的探测距离，然后，在探测距离为0-15m、15-30m、30-60m、60-120m或120-200m时，根据DFT结果分别进行108、216、432、864或1728点DFT计算，获得距离分辨率分别为3cm、6cm、12cm、24cm或48cm；波束计算步骤：根据FPGA工作频率、采样频率和不同距离分辨率(采样点数)生成波束的相位调整表和时间延时表，对DFT结果、相位调整表以及时间延时表计算得到每个截面的波束，再根据阈值去除波束中背景数据和噪声数据，得到有效目标数据；图像显示步骤：将有效目标数据于PC端进行显示。本专利技术提供的方法能够根据探测距离自适应的选择距离分辨率，这样既能够保证近距离的探测清晰度，也能够保证远距离的探测灵敏度。进一步地，所述原始数据采集步骤包括：FPGA以2.7MHz采样频率从48*48路换能器采集300KHz数据。进一步地，述切换距离分辨率步骤包括：(a)将108点数据分别与DFT参数exp(-j*2*pi*[0:107]/9)*1024相乘后累加，再用累加和除以108，得到DFT结果；(b)从收到一帧开始命令计时，分别在探测距离到达15m、30m、60m、120m以及200m时，用reg标记成第500、1000、2000、4000、6666个DFT结果；(c)根据探测距离将DFT结果划分成5个距离档：0-15m、15-30m、30-60m、60-120m、120-200m；(d)当探测距离为0-15m时，输出前500个DFT结果，即探测距离为0-15m时，距离分辨率为3cm；(e)当探测距离为15-30m时，将第501-1000个DFT数据依次2个相加：{DFT501+DFT502,DFT503+DFT504,…,DFT999+DFT1000}，获得250个结果，该结果为216点数据的DFT结果，并将每个结果除以2(右移一位)后输出，即探测距离为15-30m时，距离分辨率为6cm；(f)当探测距离为30-60m时，将第1001-2000个DFT数据依次4个相加：{DFT1001+DFT1002+DFT1003+DFT1004,DFT1005+DFT1006+DFT1007+DFT1008,…,DFT1997+DFT1998+DFT1999+DFT2000}获得250个结果，该结果为432点数据的DFT结果，并将每个结果除以4(右移二位)后输出，即探测距离为30-60m时，距离分辨率为12cm；(g)当探测距离为60-120m时，将第2001-4000个DFT数据依次8个相加：{DFT2001+DFT2002+DFT2003+DFT2004+DFT2005+DFT2006+DFT2007+DFT2008,DFT2009+DFT2010+DFT2011+DFT2012+DFT2013+DFT2014+DFT2015+DFT2016,…,DFT3993+DFT3994+DFT3995+DFT3996+DFT3997+DFT3998+DFT3999+DFT4000}获得250个结果，该结果为864点数据的DFT结果，并将每个结果除以8(右移三位)后输出，即探测距离为60-120m时，距离分辨率为24cm；(h)当探测距离为120-200m时，将第4001-6656个DFT数据依次16个相加，获得166个结果，该结果为1728点数据的DFT结果，并将每个结果除以16(右移四位)后输出，即探测距离为120-200m时，距离分辨率为48cm。进一步地，所述图像显示步骤包括：每个有效目标数据上传至PC机显控软件前标记截面号z_cnt，每个z_cnt代表3cm距离，每个波束方向上前15m的500个有效目标数据的z_cnt为[1:1:500]；15m-30m的250个有效目标数据的z_cnt为[501:2:999]；30m-60m的250个波束的z_cnt为[1001:4:1997]；60m-120m的250个有效目标数据的z_cnt为[2001:8:3993]；120m-200m的166个有效目标数据的z_cnt为[4001:16:6641]，显控软件根据接收数据显示动态三维图像。进一步地，DFT计算和波束计算分别利用FPGA内部加法器与乘法器实现。一种基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像系统，包括：原始数据采集模块：收到一帧开始命令后，FPGA采集换能器通道的AD数据，并将每个通道的AD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法，包括以下步骤：原始数据采集步骤：收到一帧开始命令后，FPGA采集换能器通道的AD数据，并将每个通道的AD数据以108点乒乓缓存的方式存储至RAM；切换距离分辨率步骤：依次对RAM中的108点数据进行DFT计算，获得DFT结果，并记录每个DFT结果对应的探测距离，然后，在探测距离为0‑15m、15‑30m、30‑60m、60‑120m或120‑200m时，根据DFT结果分别进行108、216、432、864或1728点数据的DFT计算，获得距离分辨率分别为3cm、6cm、12cm、24cm或48cm；波束计算步骤：根据FPGA工作频率、采样频率和不同距离分辨率生成波束的相位调整表和时间延时表，对DFT结果、相位调整表以及时间延时表计算得到每个截面的波束，再根据阈值去除波束中背景数据和噪声数据，得到有效目标数据；图像显示步骤：将有效目标数据于PC端进行显示。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法，包括以下步骤：原始数据采集步骤：收到一帧开始命令后，FPGA采集换能器通道的AD数据，并将每个通道的AD数据以108点乒乓缓存的方式存储至RAM；切换距离分辨率步骤：依次对RAM中的108点数据进行DFT计算，获得DFT结果，并记录每个DFT结果对应的探测距离，然后，在探测距离为0-15m、15-30m、30-60m、60-120m或120-200m时，根据DFT结果分别进行108、216、432、864或1728点数据的DFT计算，获得距离分辨率分别为3cm、6cm、12cm、24cm或48cm；波束计算步骤：根据FPGA工作频率、采样频率和不同距离分辨率生成波束的相位调整表和时间延时表，对DFT结果、相位调整表以及时间延时表计算得到每个截面的波束，再根据阈值去除波束中背景数据和噪声数据，得到有效目标数据；图像显示步骤：将有效目标数据于PC端进行显示。2.如权利要求1所述的基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法，其特征在于，所述原始数据采集步骤包括：FPGA以2.7MHz采样频率从48*48路换能器采集300KHz数据。3.如权利要求1所述的基于自适应距离分辨率的三维声纳数据成像方法，其特征在于，所述切换距离分辨率步骤包括：(a)将108点数据分别与DFT参数exp(-j*2*pi*[0:107]/9)*1024相乘后累加，再用累加和除以108，得到DFT结果；(b)从收到一帧开始命令计时，分别在探测距离到达15m、30m、60m、120m以及200m时，用reg标记成第500、1000、2000、4000、6666个DFT结果；(c)根据探测距离将DFT结果划分成5个距离档：0-15m、15-30m、30-60m、60-120m、120-200m；(d)当探测距离为0-15m时，输出前500个DFT结果，即探测距离为0-15m时，距离分辨率为3cm；(e)当探测距离为15-30m时，将第501-1000个DFT数据依次2个相加：{DFT501+DFT502,DFT503+DFT504,…,DFT999+DFT1000}，获得250个结果，该结果为216点数据的DFT结果，并将每个结果除以2后输出，即探测距离为15-30m时，距离分辨率为6cm；(f)当探测距离为30-60m时，将第1001-2000个DFT数据依次4个相加：{DFT1001+DFT1002+DFT1003+DFT1004,DFT1005+DFT1006+DFT1007+DFT1008,…,DFT1997+DFT1998+DFT1999+DFT2000}获得250个结果，该结果为432点数据的DFT结果，并将每个结果除以4后输出，即探测距离为30-60m时，距离分辨率为12cm；(g)当探测距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪松，周凡，陈耀武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33