声纳图像动态范围扩展与FPGA实现

摘要：本文针对成像声纳扩展图像动态范围和增强图像细节的需求，提出了一种基于开方运算的动态范围扩展方法。基于课题组研制的多波束成像声纳原理样机的研制，分析了数据动态范围压缩导致图像细节丢失的原因及其对成像质量的影响，采用JPL快速平方根近似算法改善了开方运算FPGA实现过程的资源占用和系统延时。最后，对改进设计方案进行了实验验证，通过多波束成像声纳系统的消声水池实验证明了本文动态范围扩展方法的有效性和可行性，系统成像质量改善明显，达到优化设计的预期目标。

引言

　　成像声纳能够提供探测区域的高分辨图像信息，在海洋开发中的应用越来越广泛。高精度的 转换器保证了信号处理过程所需的数据动态范围，为实现系统的高分辨能力提供了可能，高性能成像声纳系统通常都采高位数的 转换器对接收声基阵的输出信号进行采样和量化。为了保证输出的图像数据具有合适的亮度和对比度，同时兼顾到信号处理过程的系统复杂度及显示设备的实际需求，需要将 高精度数据压缩到 数据宽度，信号处理过程中的数据流位宽如图 1所示。数据压缩方法选择不当，将使得原有大动态图像信息得不到保留，即大动态图像压缩可能会造成后续 图像难以复原出原始图像所丢失的细节信息。文献[1]在分析了当前红外图像细节增强领域的主流处理算法的基础上，指出了每种技术在处理效果上所存在的优点和不足，探讨了基于高精度 采样图像数据在细节增强和数据动态范围压缩同步处理技术上的优势。文献^[2]提出一种基于颜色视觉过程的高动态范围图像映射方法，通过模拟人眼颜色视觉处理信息的过程压缩图像的动态范围，解决动态范围压缩导致细节丢失等问题。文献[3]根据监控场景本身数据动态范围较宽但视觉动态范围不足的情况展开了分析研究，提出了基于 映射的解决方案并进行了FPGA硬件实现，提高了监控画面的视觉动态范围。文献^[4]针对红外焦平面对辐射强度较大的目标输出动态范刚不足的问题，提出一种场景自适应的红外焦平面成像动态范围调整方法实现焦平面成像动态范围自适应。本文提出的开方运算处理方法解决了系统画面显示动态范围不足的问题，并通过引入一种快速近似算法提高了算法的实时性。

1 问题分析

　　文献^[2]在展望中指出本文声纳原理样机在试验中存在“数据动态范围控制问题”，问题重述如下：“由于干端显示只能显示 ( 数据)，而多波束形成运算之后的数据是 ，因此，信号显示利用满屏图像数据的最大值进行线性归一化处理，也就是搜索前一帧数据的最大值，并将该帧的波束数据直接除以该值进行归一化。这样做有两个缺点：一是不利于小信号的显示;二是当两帧的波束数据最大值相差很大时，会造成图像忽明忽暗的闪动。水池测试时，明显看出了这两方面的不足。采用的解决方法是改为手动归一化的方法，人眼通过干端PC机上显示的图像效果手动输入归一化数据截取的范围。默认情况下，截取高八位[15：8]显示。当图像较暗的时候，输入数据7，则截取[14:7]进行显示。如果图像依旧较暗，则依次向下取数直至图像显示较清晰为止。”

　　文献^[5]中采用的处理方法不仅增加了用户的操作复杂度，降低了用户的使用体验，而且存在明显的缺点，虽然可以通过手动改变截取位调节图像的亮暗程度，但是在观测微小信号的同时，大信号会出现饱和的现象，产生画面模糊，在波束方向图中表现为双峰现象，如图2所示在进行标准信号源测试^{[3 ]}时，软件画面的主瓣两边由于饱和出现了两条亮线。

　　具体的帧数据方向图仿真结果如图3所示，图3A为截取位过低情况下的帧数据方向图，图3B为截取位过高情况下的帧数据方向图，可以看到由于小信号在截取过程中丢失，方向图中的旁瓣被截断。