三维成像声纳波束形成方法及在多核处理器上的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及声纳领域，特别涉及一种三维探测声纳波束形成方法及在多核处理器 上的实现方法。
【背景技术】
[0002] 近岸、港口的安全防御与攻击、渗透是蛙人战斗部队的一个重要的使命，此外，蛙 人的工作还包括侦察水下地形、测量水深、探查和排除水下障碍、水下作战等任务。三维探 测声纳是辅助蛙人进行高效率水下探测的声纳设备，该设备利用声波进行近场及远场目标 成像的方式来扩大蛙人的视野及工作范围。三维探测声纳是由阵元稀疏布置的面阵声纳系 统，该系统能够对水下目标进行三维高分辨成像。手持式三维探测声纳可进行水下特种侦 察作战、水下地形地貌、蛙人及小目标的探测、避碰和工程勘测等军民两用水下成像和探测 的要求
[0003] 三维手持式探测声纳水下应用系统可以完成水下目标探测、识别、地形绘制、目标 成像等任务。目前三维成像声纳分为两大类：一类是利用声透镜进行聚焦成像；一类是利 用阵列波束形成方法成像。第二类三维成像声纳具有代表性的产品包括EchoScopeieOO、 FarSounder声纳以及Eclipse多波束声纳。在第二类三维成像声纳中，阵列波束形成的实 现效率关系到三维成像的实时性，现有技术中的三维成像声纳在做阵列波束形成时，需要 做大量的计算，耗时长，不利于提高实时性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的三维成像声纳在做阵列波束形成时所存在 的计算量大、耗时长、实时性低的缺陷，从而提供一种计算量小的、实时性高的波束形成方 法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种波束形成方法，应用于三维探测声纳中均 匀分布的平面阵，该方法包括：
[0006] 步骤1)、接收并采集时域回波信号；
[0007] 步骤2)、对步骤1)所采集的时域回波信号做时域傅立叶变换，然后判断时域傅 立叶变换所得到的结果是否满足远场条件，若为近场波束形成，对近场波束形成表达式中 的时延计算式的距离影响项进行补偿，然后执行下一步，若为远场波束形成，直接执行下一 I K 少；
[0008] 步骤3)、对步骤2)所得到的信号的平面阵行向量做空域傅立叶变换；
[0009] 步骤4)、对步骤2)所得到的信号的平面阵列向量做空域傅立叶变换；
[0010] 步骤5)、对步骤3)和步骤4)所得到的空域二维傅立叶变换结果取模，得到最终的 二维波束形成结果。
[0011] 上述技术方案中，在所述的步骤2)中，对近场波束形成表达式中的时延计算式的 距离影响项进行补偿采用相位补偿或通过调整窗函数系数进行补偿的方式。
[0012] 上述技术方案中，在所述的步骤3)和步骤4)中，利用时域二维傅立叶变换结果中 的方位角、俯仰角与空域二维傅立叶变换后所得到的频域信号的频率Π 、f2之间确定的对 应关系，实现空域二维傅立叶变换。
[0013] 本发明还提供了所述的波束形成方法在多核处理器上的实现方法，所述多核处理 器包括多个核以及至少一个能够为所有核所访问的共享存储器；该方法包括：
[0014] 在所述多核处理器的一个核中，对外部经过降采样处理所采集的数据进行补偿， 得到满阵数据，然后将补偿后的数据平均分配给所述多核处理器中的多个计算核；所述多 个计算核同时进行二维傅立叶变换聚焦波束形成处理，即对补偿后的信号首先做时域傅立 叶变换，然后进行行向、列向的空域二维傅立叶变换，根据所述共享存储器中所保存的方位 角、俯仰角和频率与f 2的对应关系得到二维波束形成结果，最后将处理后的波束域数据 按距离由近及远排列；所述多核处理器中的另一个核对波束域数据做数据打包及发送。
[0015] 上述技术方案中，所述多核处理器为TI公司的TMS320C6678芯片，该芯片有8个 内核，所述多个计算核为其中的6个内核。
[0016] 本发明的优点在于：
[0017] 本发明计算量小、实时性高，易于在计算机芯片上实现。
【附图说明】
[0018] 图1是本申请的采用二维FFT所实现的三维探测声纳波束形成方法的流程图；
[0019] 图2是本申请的三维探测声纳波束形成方法在多核处理器上实现的示意图；
[0020] 图3 (a)是波束数P = Q = 48时现有技术与本申请方法的计算量估计结果对比 情况不意图；
[0021] 图3 (b)是波束数P = Q = 256时现有技术与本申请方法的计算量估计结果对比 情况示意图；
[0022] 图4 (a)为波束形成二维图；
[0023] 图4 (b)为波束形成三维图；
[0024] 图4 (C)为俯仰角波束形成结果。
【具体实施方式】
[0025] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0026] 在对本发明做详细说明之前，首先对本申请中所涉及的相关概念加以说明。
[0027] 三维成像声纳平面阵：该平面阵为均匀分布平面阵，包含MXN个阵元。
[0028] 三维成像声纳平面阵波束形成表达式
[0029] 三维成像声纳平面阵波束形成的一般表达式为：
【主权项】
1. 一种三维探测声纳波束形成方法，应用于三维探测声纳中均匀分布的平面阵，该方 法包括： 步骤1)、接收并采集时域回波信号； 步骤2)、对步骤1)所采集的时域回波信号做时域傅立叶变换，然后判断时域傅立叶变 换所得到的结果是否满足远场条件，若为近场波束形成，对近场波束形成表达式中的时延 计算式的距离影响项进行补偿，然后执行下一步，若为远场波束形成，直接执行下一步； 步骤3)、对步骤2)所得到的信号的平面阵行向量做空域傅立叶变换； 步骤4)、对步骤2)所得到的信号的平面阵列向量做空域傅立叶变换； 步骤5)、对步骤3)和步骤4)所得到的空域二维傅立叶变换结果取模，得到最终的二维 波束形成结果。
2. 根据权利要求1所述的三维探测声纳波束形成方法，其特征在于，在所述的步骤2) 中，对近场波束形成表达式中的时延计算式的距离影响项进行补偿采用相位补偿或通过调 整窗函数系数进行补偿的方式。
3. 根据权利要求1所述的三维探测声纳波束形成方法，其特征在于，在所述的步骤3) 和步骤4)中，利用时域二维傅立叶变换结果中的方位角、俯仰角与空域二维傅立叶变换后 所得到的频域信号的频率f\、f 2之间确定的对应关系，实现空域二维傅立叶变换。
4. 权利要求1-3之一所述的三维探测声纳波束形成方法在多核处理器上的实现方法， 所述多核处理器包括多个核以及至少一个能够为所有核所访问的共享存储器；该方法包 括： 在所述多核处理器的一个核中，对外部经过降采样处理所采集的数据进行补偿，得到 满阵数据，然后将补偿后的数据平均分配给所述多核处理器中的多个计算核；所述多个计 算核同时进行二维傅立叶变换聚焦波束形成处理，即对补偿后的信号首先做时域傅立叶变 换，然后进行行向、列向的空域二维傅立叶变换，根据所述共享存储器中所保存的方位角、 俯仰角和频率与f 2的对应关系得到二维波束形成结果，最后将处理后的波束域数据按距 离由近及远排列；所述多核处理器中的另一个核对波束域数据做数据打包及发送。
5. 根据权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述多核处理器为TI公司的 TMS320C6678芯片，该芯片有8个内核，所述多个计算核为其中的6个内核。
【专利摘要】本发明涉及一种三维探测声纳波束形成方法，应用于三维探测声纳中均匀分布的平面阵，该方法包括：接收并采集时域回波信号；对时域回波信号做时域傅立叶变换，然后判断时域傅立叶变换所得到的结果是否满足远场条件，若为近场波束形成，对近场波束形成表达式中的时延计算式的距离影响项进行补偿，然后执行下一步，若为远场波束形成，直接执行下一步；对信号的平面阵行向量做空域傅立叶变换；对信号的平面阵列向量做空域傅立叶变换；对所得到的空域二维傅立叶变换结果取模，得到最终的二维波束形成结果。
【IPC分类】G01S7-52
【公开号】CN104656073
【申请号】CN201310594504
【发明人】王朋, 黄勇, 黄海宁, 刘纪元
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年11月21日