专利名称：基于fpga的三维摄像声纳系统的阈值调整装置及方法
技术领域：
本发明属于FPGA技术及数字波束形成计算领域，具体涉及一种基于FPGA的三维 摄像声纳系统的阈值调整装置及方法。
背景技术：
波束形成计算(Digital beamforming)是信号处理领域的一种常用的信号处理方 式，在声纳信号处理、雷达信号处理、超声波探测等领域具有很广泛的应用。在这些应用中， 如果探测或者扫描的范围很大、实时性要求很高，经过波束形成计算后，得到的与每个空间 位置对应的波束形成结果总数据量将达到极其庞大的规模，远远超过系统后续的数据传输 和分析能力。因此，实际应用中往往需要通过选用合适的阈值对波束形成结果进行筛选， 仅保留强度超过阈值的一部分波束形成结果，从而将后续待处理的数据总量控制在一定范 围。三维摄像声纳作为一种先进的图像声纳，是一种利用相控阵技术，经过实时信号 处理，同时产生上万个实时波束强度信号，得到水下三维场景图像的新型声纳。三维摄像声 纳需要对探测三维空间内各个距离、各个方向进行实时波束形成。依照不同距离回波到达 的先后顺序，探测空间被划分为等间距的多个截面，三维摄像声纳波束形成的计算过程也 以同一探测距离的一个截面为单位，由近及远顺次进行。一方面，信号处理系统必须采用分 布式并行计算技术，以满足系统对实时计算能力的需求，因此任意一个截面多达上万个的 波束形成结果由多个分布式并行处理机共同处理得到，每个并行处理机只进行其中一部分 波束形成结果的计算。另一方面，实时波束形成计算得到的三维空间内各点对应的波束强 度数据量极大，因此采用合适阈值对波束形成结果进行筛选尤为重要。实际应用中，为达到 良好的探测效果，需要考虑系统工作环境、探测空间内场景变化、不同探测距离波束形成结 果强度的不一致性等问题，这就要求阈值调整具有一定的自适应性能。同时，由于实时探测 的需要，阈值调整过程应该具有尽量小的延迟。近些年，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)技术得到 了快速的发展，FPGA开始应用于声纳、雷达等系统的数字波束形成算法，出现了一种新的数 字波束形成器的解决方案。基于FPGA的数字波束形成器的实现方案同时利用了传统软件 和硬件实现方案的优点，不但提供了强大的并行处理能力，而且增加了系统的通用性、灵活 性，因此正得到越来越广泛的应用。同样的，基于FPGA的数字波束形成器也面临着前文提 到的如何选取合适阈值的问题。
发明内容
本发明提供了一种具备优良实时性能的、基于FPGA的三维摄像声纳系统的自动 阈值调整装置及方法。一种阈值调整装置，用于包括有若干个并行处理机的基于FPGA的三维摄像声纳 系统，与结果读取单元和存储器写入控制单元相连，位于三维摄像声纳系统的每个并行处理机内，包括结果暂存缓冲器，用于连续接收当前并行处理机的并行波束形成计算模块输出的 波束形成计算结果，并根据数据输入先后顺序进行暂存；最大值搜索单元，用于在所述结果暂存缓冲器进行数据暂存的同时，连续接收当 前并行处理机的并行波束形成计算模块输出的波束形成计算结果，并搜索每个截面内的波 束形成结果的强度最大值，同一截面根据所述波束形成计算结果中坐标信息来确定；本地阈值计算单元，用于根据最大值搜索单元给出的当前截面的波束形成结果的 强度最大值计算出与当前截面对应的本地阈值；和判断该本地阈值强度是否超过预设的波 束形成强度最小值，如超过，则本地阈值有效，如不超过，取本地阈值为预设的波束形成强 度最小值，以避免噪声被错误保留；阈值发送单元，用于将本地阈值计算单元给出的本地阈值发送到三维摄像声纳系 统的其它并行处理机；阈值接收单元，用于接收来自三维摄像声纳系统的其他并行处理机的外来阈值；阈值仲裁单元，用于比较本地阈值计算单元给出的本地阈值和阈值接收单元接收 到的多个外来阈值，确定当前截面内最终使用的全局阈值。在确定全局阈值后，所述结果读取单元读取暂存在结果暂存缓冲器中的波束结 果，同时与阈值仲裁单元给出的全局阈值进行比较；根据比较的结果，存储器写入控制单元 将大于全局阈值的波束形成结果，连同该波束形成结果对应的空间坐标，写入到波束形成 结果存储器。其中，所述的最大值搜索单元、本地阈值计算单元和阈值仲裁单元中所使用的数 值比较器和乘法器，都采用FPGA内部DSP单元实现。本发明装置中，各单元并行处理、并与并行波束形成计算模块同步工作。一种阈值调整方法，用于包括有若干个并行处理机的基于FPGA的三维摄像声纳 系统，是在三维摄像声纳系统的每个并行处理机内进行波束形成结果存储时所参照的阈值 的实时调整方法，包括(1)将当前并行处理机的并行波束形成计算步骤得到的波束形成结果连续输入到 结果暂存缓冲器和最大值搜索单元，按照输入的先后顺序，结果暂存缓冲器将所述的波束 形成结果暂存，同时，最大值搜索单元对输入的波束形成结果的强度进行逐个比较，搜索得 到连续输入的各个截面内波束形成结果的强度最大值，同一截面根据所述波束形成计算结 果中坐标信息来确定；(2)本地阈值计算单元读取最大值搜索单元给出的当前截面的波束形成结果的强 度最大值，计算出与当前截面对应的本地阈值；并判断该本地阈值强度是否超过预设的波 束形成强度最小值，如超过，则本地阈值有效，如不超过，取本地阈值为预设的波束形成强 度最小值，以避免噪声被错误保留；(3)所述的本地阈值由阈值发送单元同时发送至到阈值仲裁单元和三维摄像声纳 系统的其它并行处理机，同时，三维摄像声纳系统的其它并行处理机的多个外来阈值经由 阈值接收单元接收并发送至所述的阈值仲裁单元；(4)所述的阈值仲裁单元将接收到的本地阈值和其它并行处理机的多个外来阈值 进行比较，从中选择最大值作为当前截面内最终使用的全局阈值。
一旦当前截面的全局阈值被确定，结果读取单元读取该全局阈值和结果暂存缓冲 器中暂存的波束形成结果，并将两者进行比较；根据比较的结果，存储器写入控制单元将大 于全局阈值的波束形成结果，连同该波束形成结果对应的空间坐标，写入到波束形成结果 存储器。由于波束形成结果连续输入，并且上述的各步骤均同时进行，整个阈值调整过程和 波束形成结果存储过程流水线操作，完成对三维探测空间内所有截面的阈值调整和波束形 成结果存储；同时整个阈值调整过程和波束形成结果存储过程与并行波束形成计算步骤同 步工作，满足系统实时性需求。相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果本发明中，在FPGA组成的多个并行处理机之间进行阈值的交互和仲裁，保证阈值 的全局有效性。本发明中，判断波束形成结果是否被存入到结果存储器所使用的阈值并非采用固 定值，而是参考当前截面计算出的目标波束强度最大值，因此随着探测距离和被探测物的 反射强度的变化，该阈值具有较高的自适应性。本发明作为基于多FPGA的三维摄像声纳系统的阈值调整的方法，可以取得良好 的应用效果。
图1为本发明的阈值调整装置的结构示意框图；图2为本发明中三维摄像声纳系统对三维探测空间划分示意图；图3为本发明的阈值调整方法的流程示意图；图4为本发明中阈值仲裁单元的有限状态机示意框图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。如图1所示，一种阈值调整装置，用于包括有N个并行处理机的基于FPGA的三维 摄像声纳系统，与结果读取单元170和存储器写入控制单元180相连，位于三维摄像声纳系 统的每个并行处理机内，包括结果暂存缓冲器110，用于连续接收当前并行处理机的并行波束形成计算模块输 出的波束形成计算结果，并根据数据输入先后顺序进行暂存；最大值搜索单元120，用于在结果暂存缓冲器110进行数据暂存的同时，连续接收 当前并行处理机的并行波束形成计算模块输出的波束形成计算结果，并搜索每个截面内的 波束形成结果的强度最大值，同一截面根据波束形成计算结果中坐标信息来确定。本地阈值计算单元130，用于根据最大值搜索单元120给出的当前截面的波束形 成结果的强度最大值，乘以适当的权重系数后，计算出与当前截面对应的本地阈值；和判 断该本地阈值强度是否超过预设的波束形成强度最小值，如超过，则本地阈值有效，如不超 过，取本地阈值为预设的波束形成强度最小值，以避免噪声被错误保留；阈值发送单元140，用于将本地阈值计算单元130给出的本地阈值发送到其它N-I 个并行处理机。由于整个并行计算系统各处理机之间数据交互量极大，因此阈值发送和接 收过程还需要考虑数据交互链路的拥塞、延迟等因素的影响。
阈值接收单元150，用于接收来自三维摄像声纳系统的其他N-I个并行处理机的 外来阈值。各信号处理机同步并行工作的情况下，阈值发送和接收过程基本同时进行。阈值仲裁单元160，用于比较本地阈值计算单元130给出的本地阈值和阈值接收 单元150接收到的多个外来阈值，确定当前截面内最终使用的全局阈值。在确定全局阈值后，结果读取单元170读取暂存在结果暂存缓冲器110中的波束 结果，同时与阈值仲裁单元160给出的全局阈值进行比较；根据比较的结果，存储器写入控 制单元180将大于全局阈值的波束形成结果，连同该波束形成结果对应的空间坐标，写入 到波束形成结果存储器。三维摄像声纳系统对三维探测空间划分示意图如图2所示。整个三维探测空间依 照距离的远近，被划分为众多截面。三维摄像声纳系统中的并行波束形成计算过程以截面 为单位依次进行。上述的阈值调整装置与波束形成计算模块同步，针对每个截面进行自动 的阈值实时调整。阈值仲裁单元160有限状态机示意框图如图4所示。复位结束后，阈值仲裁单元 160处于空闲状态。当检测到本地阈值计算单元130给出本地阈值有效标志后，阈值仲裁单 元160开始等待接收来自其它N-I个并行处理机的外来阈值。为保证接收到的外来阈值对 应于同一个截面，并行处理机在对外发送阈值的同时还将当前阈值对应的截面序号发送到 其它N-I个并行处理机。当接收到有效的外来阈值之后，阈值仲裁单元160判断接收的外来 阈值和本地阈值所处的截面序号是否一致，如果是出于同一截面，阈值仲裁单元160通过 搜索各个阈值的最大值，作为针对当前截面最终所使用的全局阈值；如果并非出于同一截 面，表明并行处理机之间的同步性出现异常，阈值仲裁单元160在搜索阈值最大值的同时， 还发送报警信息到系统监控模块以供诊断。当最终所使用的全局阈值确定并输出后，阈值 仲裁单元160内各变量被复位，同时恢复到空闲状态，准备进行下一截面操作。采用上述的阈值调整装置进行阈值调整的方法，其流程如图3所示一种阈值调整方法，用于包括有N个并行处理机的基于FPGA的三维摄像声纳系 统，是在三维摄像声纳系统的每个并行处理机内进行波束形成结果存储时所参照的阈值的 实时调整方法，包括(1)将当前并行处理机的并行波束形成计算步骤得到的波束形成结果连续输入到 结果暂存缓冲器110和最大值搜索单元120，按照输入的先后顺序，结果暂存缓冲器将110 所述的波束形成结果暂存，同时，最大值搜索单元120对输入的波束形成结果的强度进行 逐个比较，搜索得到连续输入的各个截面内波束形成结果的强度最大值，同一截面根据所 述波束形成计算结果中坐标信息来确定；(2)本地阈值计算单元130读取最大值搜索单元120给出的当前截面的波束形成 结果的强度最大值，计算出与当前截面对应的本地阈值；并判断该本地阈值强度是否超过 预设的波束形成强度最小值，如超过，则本地阈值有效，如不超过，取本地阈值为预设的波 束形成强度最小值，以避免噪声被错误保留；(3)所述的本地阈值由阈值发送单元140同时发送至到阈值仲裁单元160和三维 摄像声纳系统的其它并行处理机，同时，三维摄像声纳系统的其它N-I个并行处理机的多 个外来阈值经由阈值接收单元150接收并发送至所述的阈值仲裁单元160 ；(4)所述的阈值仲裁单元160将接收到的本地阈值和其它N-I个并行处理机的多个外来阈值进行比较，从中选择最大值作为当前截面内最终使用的全局阈值。一旦当前截面的全局阈值被确定，结果读取单元170读取该全局阈值和结果暂存 缓冲器110中暂存的波束形成结果，并将两者进行比较；根据比较的结果，存储器写入控制 单元180将大于全局阈值的波束形成结果，连同该波束形成结果对应的空间坐标，写入到 波束形成结果存储器。由于波束形成结果连续输入，并且上述的各步骤均同时进行，整个阈 值调整过程和波束形成结果存储过程流水线操作，完成对三维探测空间内所有截面的阈值 调整和波束形成结果存储；同时整个阈值调整过程和波束形成结果存储过程与并行波束形 成计算步骤同步工作，满足系统实时性需求。对同一个截面的波束形成结果而言，上述的阈值调整过程包括的各个步骤由对应 操作单元独立完成，但是各个操作单元必须依照如图3所示的顺序从上到下依次进行；另 一方面，对每个操作单元而言，本单元执行的阈值调整步骤以一个截面为单位，依照固定的 节拍完成，而在各操作单元之间，运作过程则完全并行。因此，整个阈值调整功能采用流水 线方式实现。
权利要求
1.一种阈值调整装置，用于包括有若干个并行处理机的基于FPGA的三维摄像声纳系 统，与结果读取单元和存储器写入控制单元相连，位于三维摄像声纳系统的每个并行处理 机内，其特征在于，包括结果暂存缓冲器，用于连续接收当前并行处理机的并行波束形成计算模块输出的波束 形成计算结果，并根据数据输入先后顺序进行暂存；最大值搜索单元，用于在所述结果暂存缓冲器进行数据暂存的同时，连续接收当前并 行处理机的并行波束形成计算模块输出的波束形成计算结果，并搜索每个截面内的波束形 成结果的强度最大值，同一截面根据所述波束形成计算结果中坐标信息来确定；本地阈值计算单元，用于根据最大值搜索单元给出的当前截面的波束形成结果的强度 最大值计算出与当前截面对应的本地阈值；和判断该本地阈值强度是否超过预设的波束形 成强度最小值，如超过，则本地阈值有效，如不超过，取本地阈值为预设的波束形成强度最 小值；阈值发送单元，用于将本地阈值计算单元给出的本地阈值发送到三维摄像声纳系统的 其它并行处理机；阈值接收单元，用于接收来自三维摄像声纳系统的其他并行处理机的外来阈值；阈值仲裁单元，用于比较本地阈值计算单元给出的本地阈值和阈值接收单元接收到的 多个外来阈值，确定当前截面内最终使用的全局阈值。
2.如权利要求1所述的阈值调整装置，其特征在于，所述的最大值搜索单元、本地阈值 计算单元和阈值仲裁单元中所使用的数值比较器和乘法器，都采用FPGA内部DSP单元实 现。
3.如权利要求1所述的阈值调整装置，其特征在于，所述的结果暂存缓冲器、最大值搜 索单元、本地阈值计算单元、阈值发送单元、阈值接收单元、阈值仲裁单元并行，并与并行波 束形成计算模块同步。
4.一种阈值调整方法，用于包括有若干个并行处理机的基于FPGA的三维摄像声纳系 统，是在三维摄像声纳系统的每个并行处理机内进行波束形成结果存储时所参照的阈值的 实时调整方法，其特征在于，包括(1)将当前并行处理机的并行波束形成计算步骤得到的波束形成结果连续输入到结果 暂存缓冲器和最大值搜索单元，按照输入的先后顺序，结果暂存缓冲器将所述的波束形成 结果暂存，同时，最大值搜索单元对输入的波束形成结果的强度进行逐个比较，搜索得到连 续输入的各个截面内波束形成结果的强度最大值，同一截面根据所述波束形成计算结果中 坐标信息来确定；(2)本地阈值计算单元读取最大值搜索单元给出的当前截面的波束形成结果的强度最 大值，计算出与当前截面对应的本地阈值；并判断该本地阈值强度是否超过预设的波束形 成强度最小值，如超过，则本地阈值有效，如不超过，取本地阈值为预设的波束形成强度最 小值；(3)所述的本地阈值由阈值发送单元同时发送至到阈值仲裁单元和三维摄像声纳系统 的其它并行处理机，同时，三维摄像声纳系统的其它并行处理机的多个外来阈值经由阈值 接收单元接收并发送至所述的阈值仲裁单元；(4)所述的阈值仲裁单元将接收到的本地阈值和其它并行处理机的多个外来阈值进行比较，从中选择最大值作为当前截面内最终使用的全局阈值。
全文摘要
本发明公开了一种基于FPGA的三维摄像声纳系统的阈值调整装置及方法。该阈值调整装置与结果读取单元和存储器写入控制单元相连，位于三维摄像声纳系统的每个并行处理机内，包括结果暂存缓冲器、最大值搜索单元、本地阈值计算单元、阈值发送单元、阈值接收单元和阈值仲裁单元。该阈值调整方法根据探测场景的变化和不同探测距离处目标回波强度的变化，动态的调整空间不同位置处所使用的阈值。本发明采用多单元块并行处理和流水线操作方法，可与前端的数字波束形成器同步工作，保证了优异的实时性能。
文档编号G01S7/52GK102121987SQ20101059506
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者周凡, 李志华, 陈耀武 申请人:浙江大学