专利名称：一种基于集群处理机的sas频域信号处理的方法
技术领域：
本系统涉及声纳信号处理领域。特别涉及到一种基于集群处理机的SAS频域信号 处理的方法。
背景技术：
合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar :SAS)是一种先进的高分辨率水声成 像声纳，其基本原理是利用小孔径基阵在方位向的移动形成虚拟大孔径，通过对不同位置 的声纳回波进行相干处理，从而获得方位向的高分辨率。 合成孔径声纳成像算法分为时域算法和频域算法两大类。时域算法主要通过插 值、索引和复数叠加实现，其优点是使用灵活、内存占用小，易于实现。其缺点是计算效率 低，对采样率要求较高。频域算法主要通过傅立叶变换和复乘运算来实现。其优点是计算 效率高。其缺点是内存占用大，不能直接应用于非直线航迹和方位向非均匀采样。
在频域算法中， 一种典型的算法是"k算法(Omega-K Algorithm : " k算法)。"k 算法最早起源于地震波信号处理中，它的两个关键步骤为脉冲压縮和Stolt变换。Stolt变 换通过插值实现，因此相比其它频域算法其运算效率稍低。但"k算法可以适用于宽波束 合成孔径声纳，其通用性较好。综合来看，"k算法的计算效率较高，而且可以使用于宽波 束合成孔径声纳成像，是经常采用的一种合成孔径声纳图像重建算法。但是由于多子阵的 合成孔径声纳为非均匀成像，直接应用单子阵的"k算法是不可行的。因此，必须对单子阵 "k算法做出改进。 在实际应用中，传统方式是在专用信号处理机上运行成像算法。专用的数字信号 处理机利用多块信号处理板协同工作，而每块处理板上集成了多个高性能的专用实时微处 理器，例如SHARC、PowerPC等，因此专用的信号处理机运算效率高，运算速度快。但是，专用 数字信号处理机内存容量小，价格昂贵，而且软件开发周期长，特别是其扩展性较差。随着 成像精度和实时率的要求愈来愈高，特别是测绘带宽的不断增加，便于开发、易于扩展、价 格便宜的合成孔径声纳实时信号处理方法已经成为迫切需要。 随着微机和服务器性能的大幅度提高以及网络技术的飞速发展，促进了集群处理 机的发展。集群处理机通过多个处理机的协同工作，可以提供大内存容量，提供较高的运算 速度和运算效率。高速发展的工艺技术使得集群处理机的性价比大大提高，通用性也有很 大提高。然而，在SAS实时处理系统中，对运算时间有较严格的要求。在集群处理机上进行 o k算法的直接移植，通常不能满足实时系统对时间的要求。 处理器技术的发展，促进了并行技术的进步。其中0penMP是由 OpenMPArchitecture Review Board牵头提出的，并已被广泛接受的，用于共享内存并行系 统的多线程程序设计的一种技术。0penMP技术支持多种编程语言，并适用于多种主流编译 器。并行技术的发展，促进了运算效率和运算速度的提高。 快速傅立叶变换(FFT)在数字信号处理中有着举足轻重的作用。为了进一步加快 运算速度，人们采用多种手段来加快FFT运算。其中西方快速傅立叶变换(FFTW)是当前被广泛应用的一种。FFTW软件包是一种广泛应用的，用于计算离散傅立叶变换(DFT)的免费 软件包。该软件包由Massachusetts Institute of Technology的MatteoFrigo禾口 Steven G. Johnson在1997年成功开发，经过多次优化和升级，当前最新版本为FFTW3. 2. 2。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有在SAS实时处理系统中，在集群处理机上进行"k 算法的直接移植，通常不能满足实时系统对时间的要求，从而提出一种基于集群处理机的 SAS频域信号处理的方法。 为了解决上述问题，本发明旨在提供一种基于集群处理机的SAS频域信号处理的 方法，并将该方法的相应步骤应用在集群处理机上。由于集群处理机内存容量大，弥补了信 号处理机内存不足的缺点。 本发明提出的一种基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，该方法用并行技 术、多线程技术和FFTW算法，使得"k算法能够移植到SAS系统中，能在集群处理机上进行 "k算法，所述的方法包括以下步骤
1)设定SAR系统的参数表；
2)距离向脉冲压縮； 3)方位向非均匀离散快速傅立叶变换NSFFT ;
4)距离向和方位向相位补偿及ST0LT变换；
5) 二维傅立叶逆变换； 作为本发明的一个改进，步骤(3)中所述的NSFFT变换方法用于多子阵合成孔径 声纳方位向采样不均匀的情况，该变换方法具体步骤如下 设声纳基阵个数为N。，等效相位中心为间距为dp。，前进速度为v，脉冲重复周期为 prt，帧数为P方位向数据点数为M = N。
P，则有方位向傅立叶变换的离散表示式为 五 (A:, 、 ) = J] ￡eA, w) exp(—y' q ) (6)
假设等效相位中心做匀速直线运动，则上式可分解为 = J] ^(a^,M)exp(力."^w》
S 〃 = Z Z五、袭",,exP(力i w,) (7)
其中 "pXNc+m = mX "pc+pX "prt
贝U五e",(fc,OZ五、由,exp(力'j份"洲)
z>_i 2兀化= Zexp(-y j (附 + )) (8) =exp(—yi附 )x2^、一 exp(" jp J
5
令五、(;7 ,)=￡ ^
贝U (A, 、 ) = exp(-j' 7 m c) x J] (/ c;声)exp(—_/ ; )
严o iV = exp(-/ j ^pc) x (9)
贝U ￡eAc(A;，D = 2￡eA (A:,、) (10)。
7=0 上述技术方案，步骤(1)中所述的合成孔径声纳系统的参数表包括中心频率、 信号带宽、脉冲宽度、脉冲重复周期、采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数、采样点 数、最小距离、声速或拖体速度。
步骤(2)所述的距离向脉冲压縮还包含以下子步骤 2-1)去载频； 2-2)距离向傅立叶变换； 2-3)脉冲压縮。 步骤2-3)所述的脉冲压縮公式如下 将Eeb("，u)乘以Sb(")的共轭即可完成脉冲压縮，脉压后的信号为Eeb。("，u)， 公式如下五&0，w) = |&0)|2 exp"'2;r(/0 + />。} x J" J7(x,力exp(力'2(A: + A:。)"血办 脉冲压縮用于补偿包括距离向频率调制、距离徙动、距离方位耦合和方位向频率 调制在内的各种相位。 步骤(4)所述的Stolt变换通过插值运算进行距离徙动的校正。所述的插值算法 公式如下 ^4(A: + yto)2 - 、2x + A:,, y
令 夂=^4(> + 。2 -《
ky = ku。 作为本发明的又一改进，所述的并行技术采用0penMP技术，所述的多线程技术采 用MPI技术，使得"k算法能够移植到SAS系统中。 本系统通过采用"背景技术"中所提及的0penMP并行技术、西方快速傅立叶变换 (FFTW)方法等，提高了频域算法的运算速度和运算效率，从而使实时处理成为可能。
上述技术方案所述的步骤(3)中，由于多子阵合成孔径声纳方位向采样是不均匀 的，在采用FFTW技术计算傅立叶变换的基础上，我们采用了非均匀离散傅立叶变换方法 (Non-uniform S印arate FFT :NSFFT)，有效解决了方位向采样不均匀的问题。
上述技术方案所述的步骤(5)中，我们仍然使用了 FFTW软件包来提高运算速度。
此外，在步骤(2) 、 (3) 、 (4)中，我们广泛应用了 0penMP并行技术。该技术的优点 是，它可以自行检测中央处理器个数，将并行处理最优化。该技术操作简单，并行效率高。
本发明的技术优点在于 1)本发明基于集群处理机，性价比高、稳定可靠； 2)本发明利用0penMP技术实现并行化，运算速度快，运算效率高； 3)本发明利用FFTW技术实现快速傅立叶变换，运算速度快，运算效率高。
图1是本发明改进的"k算法的基本流程图； 图2是本发明应用OpenMP并行技术后系统的具体实现流程图； 图3是本发明的SAS频域处理系统的系统框架图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明基于集群处理机的SAS频域信号处理的系统和方法进行 详细的说明。 如图2所示，本系统由初始化、脉冲压縮、方位向非均匀离散傅立叶变换、ST0LT插 值、二维傅立叶逆变换、图像数据存储和转发等子任务组成。本发明的具体实施步骤如下
1)设置SAS实时信号处理系统的中心频率、信号带宽、脉冲宽度、脉冲重复周期、 采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数、采样点数等运行参数。
设置完毕后，从网络接收原始回波数据。 设发射信号为Pm(t) = e邓(j (2 f。t+KJi t2))，照射区域目标强度为f (x，y)，则回 波信号为
U/"力&(卜^Vx办 (11)
eei
其中
雖)=V +0_")2 (12)
实际成像时，距离向采样的起始时间为t。，空间距离向坐标的起始位置为X。，令
t = t丄+t。， x = x丄+x。 (13)
在^和Xl的相对坐标系中，ee (t ， u)重新表述为eei ， u)，实际采样的数据即为 u)，如式(14)示: % 0, ， w) = f f/(x,,+ /0 —
2^/0, +X0)2 —
(14)
而原始发射信号则重新描述为
A (6) = exp "'2;r/A} exp {^仍")}
其中
^ (《)=2《(/0——)+ ;r叫+ ,0——):
令
Sb(t》=exp{j Ji Kt/}
(15)
(16)
(17)
则 脉冲压縮补偿了包括距离向频率调制、距离徙动、距离方位耦合和方位向频率调
制在内的各种相位。不考虑运动误差，经过脉冲压縮后，参考距离处的目标得到了完全聚 焦，非参考距离处的目标得到部分聚焦。 在本步骤中，我们使用了 FFTW软件包来提高运算速度。
5)方位向NSFFT 对于单子阵"k算法，信号Eeb。("，u)的方位向傅立叶变换为
8行非均匀的傅立叶变换策略'
prt，帧数为P方位向数据点数为M = N。
P，则有方位向傅立叶变换的离散表示式为
:0105:
:oio6: :oio7: :oio8:
:o簡:
'0110'
.o川
:0112 :o"3 :o"4
:o"5
:o"6 :o"7 :om
:o"9 :0120 :0121
:0122 :0123
:0124
:0125
:0126
:0127
:0128 ■0129
+00
—00
=exp{)2;r(/0 +/X}」J/(x,jOS1("，、)^y (28)
少
射
-CO
=exp(,/4) {力^/， + &0)2-《(x, + x。) - A少)
由于本系统为多子阵"k算法，方位向直接傅立叶变换是不可行的。因此必须进
(29)
设声纳基阵个数为N。，等效相位中心为间距为dp。，前进速度为v，脉冲重复周期为
^ O， O = S ^ O, ，w) exp(-y' %)
假设等效相位中心做匀速直线运动，则上式可分解为
￡&& ) = ￡4 (,") exp(—)
(30)
射
)(31)
p X Nc+m
=mX
c+pX
则
/7=0
exp(—y (画pc + ))
(32)附".
n=0 乂V
令％ ,(拜^)=￡、麵 则、
2d 尸-1 2;rA: &附&w) = exp(—y 7 m) x Z ￡、 <>6^,) exp(—/ j ;7 ")
p=0
二exp(-/"^麵)x￡ee(" (33)
则
(34)
m=0
l)Stolt变换
从式(19)可以看出，积分因子中包含项
V4("、)2-^x + ^ (35) 令 、 "4(/b + /t0)2 - 、2 (36) ky = ku (37) 另外，考虑到坐标变换x = x,x。，则上式变为 "， 、) = exp "2;r(/。 + />。} J" J/(x"力exp {—_/、+ x。) - j、y^x,办
少、=，{河/0 + />0}.，(-_/")-,^(0》 (38)
=exp{-
其中 ^ =~^ c《=V4(/t + yt0)2-《x0 = 、x。 ， 9 2 = -2 (k。+k) x0e = e 一 e 2 将上述信号Eeb。(k， ku)的相位e邓(-j 9 }消除后即得到f (Xl， y)的傅立叶变换 FF丄(kx，ky)。
令EEbc (k， ku) = Eebc (k， ku) exp {j e } (39)
贝U : FFjkx， ky) = EEbc(k， ku) (40)
在本步骤中，我们使用了 FFTW软件包来提高运算速度。 由于坐标kx和ky与k和ku的不同，式(40)中EEbc(k， ku)转换为(kx， ky)需要 经过插值，其中插值公式即式(36)和(37)，最终求F巳(、，ky)的傅立叶逆变换即可求得最 终成像结果。 2)图像数据存储和转发。该步骤将图像数据转发到显控平台，并在本机上将图像 数据存储下来。 在上述2) 6)步骤中，我们广泛使用了 0penMP技术来提高运算速度。
至此，本发明具体实施方式
陈述完毕。如图2所示，在线程1中，主要实现了单乒 回波数据的距离向处理，在线程2中，主要实现若干乒数据的方位向处理，在线程3中，主要 实现了数据的转发和存储。本方法广应用OpenMP技术实现并行化。 如图3所示，SAS实时回波的频域处理系统主要有原始回波数据接收、原始数据存 储、"k成像、图像的实时显示和图像数据的存储等几个模块。本发明主要述及了其中的 "k成像模块的原理及改进。 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，该方法用并行技术、多线程技术和FFTW算法，使得ωk算法能够移植到SAS系统中，能在集群处理机上进行ωk算法，所述的方法包括以下步骤1)设定SAR系统的参数表；2)距离向脉冲压缩；3)方位向非均匀离散快速傅立叶变换NSFFT；4)距离向和方位向相位补偿及STOLT变换；5)二维傅立叶逆变换；其中，步骤(3)中所述的NSFFT变换方法能够用于多子阵的合成孔径声纳非均匀成像的情况，该变换方法具体步骤如下设声纳基阵个数为Nc，等效相位中心为间距为dpc，前进速度为v，脉冲重复周期为prt，帧数为P方位向数据点数为M＝Nc·P，则有方位向傅立叶变换的离散表示式为 <mrow><msub> <mi>Ee</mi> <mi>bc</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <msub><mi>k</mi><mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>Ee</mi> <mi>b</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>πk</mi></mrow><mi>N</mi> </mfrac> <msub><mi>ω</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>假设等效相位中心做匀速直线运动，则上式可分解为 <mrow><msub> 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2. 根据权利要求1所述的基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，其特征在于，所 述的并行技术采用OpenMP技术，所述的多线程技术采用MPI技术，使得wk算法能够移植到SAS系统中。
3. 根据权利要求1所述的基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，其特征在于，步 骤(1)中所述的合成孔径声纳系统的参数表包括中心频率、信号带宽、脉冲宽度、脉冲重 复周期、采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数、采样点数、最小距离、声速或拖体速度。
4. 根据权利要求1所述的基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，其特征在于，步 骤(2)所述的距离向脉冲压縮还包含以下子步骤2-1)去载频；2-2)距离向傅立叶变换；2-3)脉冲压縮。
5. 根据权利要求4所述的基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，其特征在于，步 骤2-3)所述的脉冲压縮公式如下将Eeb("，u)乘以Sb(")的共轭即可完成脉冲压縮，脉压后的信号为Eeb。("，u)，公式 如下五&.O,w) = |&exp".2tt(/。 + />。} x J"J/(jc,力exp{—j'2(A: + yt。脉冲压縮用于补偿包括距离向频率调制、距离徙动、距离方位耦合和方位向频率调制 在内的各种相位。
6. 根据权利要求1所述的基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，其特征在于，步 骤(4)所述的Stolt变换通过插值运算进行距离徙动的校正。
7. 根据权利要求6所述的基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，其特征在于，所 述的插值算法公式如下^4(A: + A;0)2 — A 2 jc + 、少令夂=V4("。2 -《
全文摘要
本发明提供一种基于集群处理机的SAS频域信号处理的方法，该方法用并行技术、多线程技术和FFTW算法，使得ωk算法能够移植到SAS系统中，能在集群处理机上进行ωk算法，所述的方法包括以下步骤1)设定SAR系统的参数表；2)距离向脉冲压缩；3)方位向非均匀离散快速傅立叶变换NSFFT；4)距离向和方位向相位补偿及STOLT变换；5)二维傅立叶逆变换；其中，步骤(3)中所述的NSFFT变换方法的离散表示式为本发明基于集群处理机，性价比高、稳定可靠；利用OpenMP技术实现并行化，运算速度快，运算效率高；利用FFTW技术实现快速傅立叶变换，运算速度快，运算效率高。
文档编号G01S7/52GK101793957SQ20101014454
公开日2010年8月4日 申请日期2010年4月9日 优先权日2009年12月8日
发明者刘纪元, 刘维, 张春华, 江泽林 申请人:中国科学院声学研究所