聲納圖像動態範圍擴展與FPGA實現

編者按：本文針對成像聲納擴展圖像動態範圍和增強圖像細節的需求，提出了一種基於開方運算的動態範圍擴展方法。基於課題組研製的多波束成像聲納原理樣機的研製，分析了數據動態範圍壓縮導致圖像細節丟失的原因及其對成像質量的影響，採用JPL快速平方根近似算法改善了開方運算FPGA實現過程的資源佔用和系統延時。最後，對改進設計方案進行了實驗驗證，通過多波束成像聲納系統的消聲水池實驗證明了本文動態範圍擴展方法的有效性和可行性，系統成像質量改善明顯，達到優化設計的預期目標。

摘要：本文針對成像聲納擴展圖像動態範圍和增強圖像細節的需求，提出了一種基於開方運算的動態範圍擴展方法。基於課題組研製的多波束成像聲納原理樣機的研製，分析了數據動態範圍壓縮導致圖像細節丟失的原因及其對成像質量的影響，採用JPL快速平方根近似算法改善了開方運算FPGA實現過程的資源佔用和系統延時。最後，對改進設計方案進行了實驗驗證，通過多波束成像聲納系統的消聲水池實驗證明了本文動態範圍擴展方法的有效性和可行性，系統成像質量改善明顯，達到優化設計的預期目標。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/273268.htm

引言

　　成像聲納能夠提供探測區域的高分辨圖像信息，在海洋開發中的應用越來越廣泛。高精度的 轉換器保證了信號處理過程所需的數據動態範圍，為實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採高位數的 轉換器對接收聲基陣的輸出信號進行採樣和量化。為了保證輸出的圖像數據具有合適的亮度和對比度，同時兼顧到信號處理過程的系統複雜度及顯示設備的實際需求，需要將 高精度數據壓縮到 數據寬度，信號處理過程中的數據流位寬如圖 1所示。數據壓縮方法選擇不當，將使得原有大動態圖像信息得不到保留，即大動態圖像壓縮可能會造成後續 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域的主流處理算法的基礎上，指出了每種技術在處理效果上所存在的優點和不足，探討了基於高精度 採樣圖像數據在細節增強和數據動態範圍壓縮同步處理技術上的優勢。文獻^[2]提出一種基於顏色視覺過程的高動態範圍圖像映射方法，通過模擬人眼顏色視覺處理信息的過程壓縮圖像的動態範圍，解決動態範圍壓縮導致細節丟失等問題。文獻[3]根據監控場景本身數據動態範圍較寬但視覺動態範圍不足的情況展開了分析研究，提出了基於 映射的解決方案並進行了FPGA硬體實現，提高了監控畫面的視覺動態範圍。文獻^[4]針對紅外焦平面對輻射強度較大的目標輸出動態範剛不足的問題，提出一種場景自適應的紅外焦平面成像動態範圍調整方法實現焦平面成像動態範圍自適應。本文提出的開方運算處理方法解決了系統畫面顯示動態範圍不足的問題，並通過引入一種快速近似算法提高了算法的實時性。

1 問題分析

　　文獻^[2]在展望中指出本文聲納原理樣機在試驗中存在「數據動態範圍控制問題」，問題重述如下：「由於幹端顯示只能顯示 ( 數據)，而多波束形成運算之後的數據是 ，因此，信號顯示利用滿屏圖像數據的最大值進行線性歸一化處理，也就是搜索前一幀數據的最大值，並將該幀的波束數據直接除以該值進行歸一化。這樣做有兩個缺點：一是不利於小信號的顯示;二是當兩幀的波束數據最大值相差很大時，會造成圖像忽明忽暗的閃動。水池測試時，明顯看出了這兩方面的不足。採用的解決方法是改為手動歸一化的方法，人眼通過幹端PC機上顯示的圖像效果手動輸入歸一化數據截取的範圍。默認情況下，截取高八位[15：8]顯示。當圖像較暗的時候，輸入數據7，則截取[14:7]進行顯示。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。」

　　文獻^[5]中採用的處理方法不僅增加了用戶的操作複雜度，降低了用戶的使用體驗，而且存在明顯的缺點，雖然可以通過手動改變截取位調節圖像的亮暗程度，但是在觀測微小信號的同時，大信號會出現飽和的現象，產生畫面模糊，在波束方向圖中表現為雙峰現象，如圖2所示在進行標準信號源測試^{[3 ]}時，軟體畫面的主瓣兩邊由於飽和出現了兩條亮線。

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

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