基于Qt 开发框架的多波束测深声呐显控技术研究

王雅君

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

多波束测深系统（Multibeam Bathymetry System，MBS）是一种以声学传感器为主、多种辅助传感器集成使用的精密探测仪器，具有测量精度高、探测效率高、数字化与自动化等特点，适用于海洋地形地貌测绘、港口航道测量以及水中目标精细探测等海上工程[1]。其原理为，利用发射换能器基阵向海底发射宽覆盖区的声波，由接收换能器基阵对海底回波进行窄波束接收，进一步计算后获得水中的目标或海底测深数据[2]。工作原理如图1 所示。

图1 多波束测深系统的工作原理

近年来，随着MBS 硬件平台逐渐向体积小、低功耗、高性能的嵌入式硬件平台转换，其上位机显控软件也应逐步从通用计算机向嵌入式系统适配。现有国内外MBS 显控软件已经比较成熟，如荷兰QINSy 显控软件、美国HYPACK 以及哈尔滨工程大学研发的HT-300S-P 型MBS 显控系统[3]等。但若适配国产化声呐的嵌入式硬件平台，这些软件仍有不可跨平台兼容、开发成本高等缺点。因此，本文针对MBS 的发展需求，设计了一款可多平台使用、功能丰富的显控软件。

1 软件需求分析

传统的MBS 显控软件跨平台兼容性差、开发成本高，基于Qt 开发框架的国产化MBS 显控软件应具备多平台兼容使用、适配国产化MBS 开发的功能。本文设计的显控软件主要用于与MBS 硬件系统配合。测量设备开始工作后，显控软件检查各设备初始状态并根据探测需要设置工作参数，实现整个系统的工作状态查看和控制，并实时、无延迟卡顿地显示各测量参数，供工作人员进行观测，并分类记录整个试验过程中的数据，以便结束试验后进行回放。

本文依托的MBS 使用108 通道的采集板，各通道换能器信号经过波束形成后的波束数量为512个，具有实时处理能力。水下上传数据包括采集到的原始数据、波束数据、结果数据以及辅助信息等。其中，每秒上传原始数据量约为8 MB，波束数据量为13 MB，结果数据及辅助信息数据量约为1 MB，总数据量约为22 MB。

根据项目需求，MBS 显控软件应具备以下几点功能：多源数据实时接收功能，硬件设备状态监控功能，数据存储功能，实时水体数据可视化功能，实时通道数据可视化功能以及实时地貌数据可视化功能。

MBS 显控软件的性能要求如下：人机交互界面友好，网口传输速率不低于22 MB·s-1，实时绘制测深数据，图像不出现卡停现象。

2 软件方案设计

为了实现MBS 显控系统的功能、性能需求，本文提出了如图2 所示的MBS 显控系统软件的总体架构。

图2 MBS 显控软件架构图

软件主要模块包括数据传输与管理系统、数据可视化两大主功能系统。其中，数据传输系统主要实现数据的高速传输、解析与存储，并对各设备状态进行监控；数据可视化系统完成通道波形、水体剖面及地貌的实时绘制。

MBS 显控软件的工作模式分为测深模式和回放模式两种，设计的工作流程如图3 所示。

图3 软件工作流程图

3 软件模块设计实现

软件开发环境和图形界面设计开发框架为Qt5.4.2，编程语言为C++，软件在Windows 和Ubuntu 操作系统中兼容使用。

3.1 数据传输管理系统

显控软件的数据传输管理系统是连接外部和显控软件的桥梁，是保障整个系统实时性的首要部分。数据传输管理系统包括数据传输、存储及硬件状态监控3 部分，主要功能有：设置MBS 的工作参数，接收各设备的多源实时数据，将数据解析后按类别进行文件存储，并且监控系统中其他各设备的状态。

其中，数据传输模块实现显控软件与各设备的数据传输功能。基于软件系统数据传输速率快、数据量大的需求，本文使用千兆网进行网络传输，并设计了一种多源数据的实时采集方式，保证数据高速传输正确性的同时提高数据采集效率。该方法采用Qt 框架中的Qt Network 模块编写基于TCP/IP的网络程序，使用多线程的方法，将在线程中采集到的数据转发至各个可视化窗口模块进行数据处理，并转发至线程中进行绘图；使用互斥量QMutex类实现单线程的同步，保证内存不被多个线程同时操作[4]；使用消息队列实现多线程的同步，把线程非安全队列封装成线程安全队列。

数据存储模块主要完成数据缓存池中各类型声呐数据的解析与保存。由于MBS 的测量数据具有多源性、复杂性并且数据量庞大，本文设计将数据分为两种，采用不同的方式进行存储。其中，实时接收到的大数据量的通道波形数据与水体数据以二进制格式直接实时地存入本地，来自辅助设备如GPS、姿态仪等的较小量数据按类别形成不同的数据库表，存入MySQL 数据库中。此方法分类管理数据，既节约系统存储时间，又可以将同周期内来自不同辅助设备的数据按相关性保存，实验结束后也能够独立处理其中某个表中的数据。

软件的硬件设备监控模块主要完成各设备状态的监控功能。该模块设计了MBS 工作参数设置协议，能够通过网口实现对各设备的控制与状态监视。界面中设置了设备参数设置窗口和设备状态、参数显示窗口，以供操作人员更好地掌握各设备状态，及时反馈调节。

3.2 数据可视化系统

数据可视化模块接收实时转发的数据后，按照数据类型将数据分发至各窗口模块，对数据进行解析和优化后完成可视化显示。软件主要包含单通道波形、水体剖面、地貌显示窗口，基于Qt 基础绘图库和QWT 插件，针对各窗口数据特点选择不同的绘图方式。其中，单通道波形的绘制继承了QWT 插件库中的QwtPlotCurve 类绘制，水体窗口使用Qt 基础绘图库QPainter 进行绘制，地貌窗口继承QwtPlotSpectrogram 类绘制。本文采用多线程和双缓冲绘图技术提高绘图效率。

地貌数据可视化模块以伪彩图的形式显示地貌图像，并结合横摇纵摇、艏向、入射角度及反向散射强度等测量信息绘制地貌伪彩图。模块进行地貌数据解算后，使用QWT 绘图插件按照条带更新方法绘制伪彩图，最后在窗口中实时刷新显示。

水体数据可视化模块显示当前周期内测量的海底信息，结合辅助仪器上传参数对水体数据的修正，将波束点强度映射到颜色深度上，直观地显示当前海洋剖面地形。本文使用的MBS 波束数共有512 个，根据当前等距或等角模式，按各个波束的开角角度实时绘制水体图像。根据原始水体数据进行波束位置解算的原理如图4 所示。

图4 波束位置解算示意图

首先计算原始数据中每个采样点的斜矩：

式中：c为声速，Tr为混响延迟点数，fs为信号采样频率，n为采样点数。根据计算出的斜矩及该点所在波束的角度，计算采样点坐标（x，y）：

式中：x0和y0为基阵O的横纵坐标。

经位置解算后，获得采样点的x轴和y轴坐标，确定了点的位置。波束点强度由接收到的波束数据确定。然而，有时根据原始波束数据中各点强度绘图，会有目标不明显或噪点过多现象。本文针对这一问题，在接收到波束数据后进行动态明度调整处理，以增强目标轮廓，减弱噪点。动态明度调整算法通过优化波束数据映射到0～255 之间的参数，达到优化目标与背景对比度的效果[5]。映射函数关系如式（3）所示，设最小强度值为L，为避免产生孤立单峰，取最大亮度值的0.1 倍作为最大值H。

式中：γ为映射参数，zm为回波强度，zout为动态明度调整后的强度值。实验显示，当γ=1 时，产生一个线性拉伸；当γ＜1 时，图像亮度得到增强；当γ＞1 时，图像亮度减弱。γ值增加，会提升目标和背景的对比效果，γ过大时背景噪声随之变强。因此，经多次实验对比，取γ=2 时，优化效果最佳。

3.3 软件测试

为了验证软件的功能、性能及稳定性，配合整套MBS 系统在信道水池中进行了软件测试。测试选用的MBS 工作频率为300 kHz，波束数量512 个，波束宽度为1°×1°，脉冲宽度为35 μs。测试中正在运行的软件画面如图5 所示。由截图画面可见，多波束声呐开机后，MBS 显控软件对应的“SONAR”状态灯亮，正常显示声呐的工作参数，各通道信号波形、水体数据正常显示，且在水体剖面窗口可清楚地观测到水池的池壁轮廓。试验证明，该显控软件能够满足MBS 测深观测要求，可靠性与稳定性良好。

图5 水池实验实时模式下的软件界面截图

4 结语

本文针对当前MBS 配套上位机显控软件跨平台兼容性差、开发成本高的问题，从提升通信和存储效率、提升绘图效率、优化人机交互流程等方面，基于Qt 开发框架设计了一套可多平台使用、功能丰富的MBS 显控软件。通过开展试验，验证了该软件的性能和稳定性。试验结果表明，本文设计的显控软件满足设计需求。