高分辨率相控阵三维声纳图像实时获取方法研究

The phased array three-dimensional (3-D)sonar imaging,which has broad application prospects in offshore engineering, harbor walls checks, submarine pipeline inspection and divers detection,is an emerging technology in the field of marine. Critical issues in the development of phased array 3-D sonar images real-time acquisition method are the complex front-end channels and high data communication bandwidth, at the same time due to the complex front-end processing channel, the system power consumption is large and computation load is huge. The project make study of phased array sparse array optimization and 3-D sonar image lossless compression algorithm, in order to optimize the complex front-end processing channels, reduce system power consumption, reduce the 3-D sonar image data transmission bandwidth. Finally, the loseless image compression algorithm will be implemented on FPGA, which would lay the foundations for the practical applications of the algorithm in the phased array 3-D imaging sonar system. The project is expected to achieve some important academic results in the sparse array and the loseless image compression algorithm for phased array 3-D imaging sonar systems, and it will also raise our country's research level in the field of 3-D imaging sonar system.

高分辨率相控阵三维成像声纳是海洋领域的一个新兴技术，该技术在海上工程实施、海港墙壁检查、海底管道检查和蛙人探测等方面具有广泛的应用前景。目前高分辨率相控阵三维声纳图像实时获取方法面临复杂的前端处理通道及高数据通信带宽这两个难题，同时由于复杂前端处理通道导致系统功耗偏大及成像算法计算量巨大问题。本项目对相控阵接收换能器平面阵的稀疏优化及三维声纳图像无损压缩算法进行研究，以优化复杂的前端处理通道，减少系统功耗，降低三维声纳图像数据传输带宽。最后，将三维声纳图像压缩算法移植到FPGA上，为该算法在相控阵三维成像声纳系统中的实际应用奠定基础。本项目有望在相控阵接收换能器平面阵的稀疏优化和三维声纳图像无损压缩算法方面获得重要的学术成果，对提升我国在三维成像声纳系统领域的研究水平有积极的作用。

我国目前水下声学实时成像技术完全空白，沿海核电站、大型油库、海上钻井平台等重大海洋工程和军事工程的水下安防手段严重缺失，对蛙人等水下目标的入侵和破坏无法有效防范。相控阵三维声学摄像声纳利用相控阵技术形成上万个接收波束，经过实时信号处理和图像构建，实现水下三维场景的高分辨率成像，具有实时性好、图像清晰、可实现动目标检测等优点。相控阵三维声学摄像声纳存在换能器阵元数量巨大和图像构建算法计算量庞大的重大技术难题，其技术被发达国家所垄断。. 本项目研究并掌握了基于稀疏换能器阵列的三维成像规律，提出了适用于近场和远场条件下的换能器阵列稀疏方法，解决了换能器阵元数量巨大所导致的高系统复杂度难题。将光学视频图像处理的研究成果JPEG-LS算法应用于声纳图像的后置处理研究中，提出了一种基于JPEG-LS帧间扩展的三维声纳图像序列无损压缩算法。在该算法中，将整个三维场景声纳图像划分为由上万帧二维声纳图像组成的立体图像，同时又选择了前一帧数据作为参考帧，在算法运行过程中只需保留几帧数据，这样解决了在算法实现中需要对每秒上万帧的声纳图像数据进行存储与处理的难点问题。. 本项目的核心研究成果联合联合浙江大学、中国船舶重工集团第七一五研究所获得2015年浙江省技术发明奖一等奖。本项目共发表论文10篇，获得9项授权发明专利。通过与浙江大学、中国船舶重工集团第七一五研究所合作，实现了相关技术在沉船探测作业中得到应用，现场探测图像表明，研究成果极大地提高了沉船探测的效率。综上所述，本项目的研究内容是声纳图像处理的基础性研究工作，具有重要的学术研究意义和实际应用价值。