小型ROV高分辨率二维图像声纳设计与实现_南京航空航天大学

获得奖项:第十一届竞赛决赛团队一等奖

相对于普通的探测声纳,成像声纳能够以实时、直观的图像画面来呈现探测区域的目标信息。国内对声纳成像技术的研究起步较晚,技术相对落后,目前还没有一款真正意义上的商用成像声纳问世。本作品旨在开发一款民用的小型二维成像声纳产品,提供高分辨率的水下声学图像,用于复杂水况下的ROV前视避障、水下导航、搜救打捞和环境监测等。

从技术创新层面上看,首先,相对于传统的单波束机械扫描的成像方式,本作品采用了多波束电子扫描的成像方案。通过半圆形阵列子孔径旋转的方法,在90°的视野范围内形成540个密集窄波束,保证了波束之间的均匀性和一致性,并利用二阶锥规划的方法优化设计波束,使得系统具有分辨率高、实时性好等优点。

其次,将单脉冲测角引入到成像过程,改善了水下特征目标(强散射点)的分辨效果,可以显著提高声纳对探测区域的成像清晰度,实现了声纳图像方位向的超分辨。数字滤波、幅相校正、图像的动态范围扩展和扇形视图转换等处理进一步提高了声纳图像的视觉效果和用户体验。

第三,阵列稀疏设计方法能够在保证成像质量的前提下,将满阵情况下均匀排布的180阵元稀疏到120阵元,稀疏率达到33%。硬件实现时,采用层叠结构设计,系统仅用四块调理采集板即可完成所有通道回波的采集,在节省组装空间的同时,大大降低了整机功耗,使得系统架构紧凑、集成度高,实现了系统的小型低功耗设计。

系统工作时,首先通过上位机下发控制指令,实现对发射接收电路的控制,其次回波信号经过调理采集后,送到信号处理模块完成数字波束形成,并将波束数据通过千兆网上传至上位机,最后在显控软件上进行图像的实时显示。测试结果表明,系统能够清晰地对复杂的水底地形进行实时成像,具有15帧/秒的图像刷新率。


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