[发明专利]多波束图像声纳中扇形变换的快速实现方法

说明书

技术领域

本发明属于图像声纳领域，主要涉及图像声纳中扇形变换的实现方法。

背景技术

多波束图像声纳往往采用主动方式工作，利用发射换能器辐射出声信号，通过接收换能器接收目标回波，回波数据经过波束形成处理获得目标场景图像，图像是以极坐标形式输出的，扇形变换模块则用于将极坐标声图像转化为直角坐标声图像，以便于计算机显示器显示，适合于用户视觉习惯。

波束形成模块输出的极坐标图像是以目标到接收换能器的斜距r为横坐标，以目标相对于接收换能器的方位角度θ为纵坐标的。扇形变换可将极坐标(r，θ)下的图像像素值f(r，θ)与直角坐标(x，y)下的图像像素值g(x，y)之间形成映射，最后获得直角坐标声图像。直角坐标声图像一般显示在显示器上，以供声纳员进行目标信息判读。如图(1)，坐标间的变换关系为

扇形变换可以有两种变换方式。一种是极坐标(r，θ)向直角坐标(x，y)变换，也就是说极坐标(r₀，θ₀)的像素幅值f(r₀，θ₀)等于直角坐标的像素幅值下的像素幅值f(r₀，θ₀)，则需要计算arctan三角函数值。由于直角坐标声图像显示在显示器上，其横坐标x利用显示器水平分辨率，纵坐标y利用显示器垂直分辨率。由于极坐标声图像r方向(即斜距方向)上的采样点数比显示器垂直分辨率高很多，如果采用极坐标向直角坐标变换的方法，极坐标下的每一点都要做一次直角坐标转换的映射，会出现极坐标的多点都映射到直角坐标的同一点的现象，而且计算量会很大，所以往往采用直角坐标变换到极坐标相应位置去取值的方法。

图像声纳的接收机利用FPGA进行实时扇形变换时，最耗时最占硬件资源的就是三角函数运算，三角函数值的计算有两种处理方式，一种是将事先计算好的三角函数值存储在硬件存g(x₀，y₀)，此时需要计算sin和cos的三角函数值；另一种是将直角坐标(x，y)变换到极坐标(r，θ)位置上去取值，也就是说直角坐标(x₀，y₀)下的像素幅值g(x₀，y₀)等于极坐标储器中，需要时直接调用，但这样需消耗很大的硬件资源。陈靖宇【陈靖宇，高分辨率雷达显示坐标变换及相关设计，舰船电子对抗，2001】利用三角函数的周期性和对称性，将第一象限的进位值存入EPROM，以此方法来减少存储器的容量要求。但仍需消耗硬件资源进行存储，有的系统配置无法满足需求；另一种方式是利用迭代逼近算法(CORDIC算法)计算三角函数值，例如杨长根在硕士学位论文【杨长根，基于FPGA的声成像算法研究与实现，哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文(CNKI)，2006】利用CORDIC算法对图像声纳的扇形变换进行了实现，但为了获得高精度的三角函数值，往往所需迭代次数很大。例如谈宜育等人【谈宜育，卞文兵，一种基于CORDIC算法的坐标变换电路，数据采集与处理，2001】同样利用CORDIC算法对B超图像的扇形变换进行了实现，但运算精度需要高的数据量化位数来保证。而且CORDIC算法的实现需要进行基于流水线的程序设计，对开发人员有一定的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够很大程度提高扇形变换的实时性的多波束图像声纳中扇形变换的快速实现方法。该方法使得基于波束形成的图像声纳在实现扇形变换时，FPGA等硬件无需繁琐的三角或反三角函数运算，能够很大程度提高扇形变换的实时性。

本发明的目的是这样实现的：(1)确定用来显示直角坐标声图像的显示器分辨率；(2)根据图像声纳实际水平和垂直距离范围，计算直角坐标图像水平和垂直距离分辨率；(3)根据某点的直角坐标横纵坐标值，计算该点对应的极坐标横纵坐标值；(4)根据波束形成原理获得极坐标横纵坐标索引值；(5)极坐标图像存储在存储器中，按照极坐标的横纵坐标索引值读取相应像素幅值，并赋值给直角坐标对应位置；(6)完成直角坐标系下每一点与极坐标的映射，获得直角坐标声图像。