一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统的制作方法

本发明属于干涉合成孔径声纳信号处理技术领域，更具体地，涉及一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统及方法。

背景技术：

合成孔径声纳(sas)是一种水下二维成像技术，能够获得与距离向无关的高方位向分辨率。干涉合成孔径声纳(insas)是在合成孔径声纳(sas)基础上在垂直航迹方向增加一副(或多副)接收基阵，通过比相测高的方法得到场景的高度信息，从而得到场景的三维图像。干涉合成孔径声纳(insas)作为一种三维高分辨率成像声纳，它兼备了合成孔径声纳分辨率与成像距离和工作频率无关的优点，以及干涉测深精度高的优点，可用于海底地形测量、水下考古、海底石油勘探和搜寻水下失落物体等，在水下小目标识别方面(例如水雷)具有重要作用。

刀片服务器是指在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的服务器单元，是一种实现hahd(highavailabilityhighdensity，高可用高密度)的低成本服务器平台，为特殊应用行业和高密度计算环境专门设计。刀片服务器就像“刀片”一样，每一块“刀片”实际上就是一块系统主板。

随着insas技术的不断发展，系统分辨率不断提升，测绘带宽度不断加大，需要处理的数据量迅速增加，必须提高对信号的处理效率才能满足实时insas系统信号处理需求；实时insas信号处理在硬件上有两种选择：专用信号处理机和通用信号处理机。专用信号处理机的优点是运算速度快、效率高，缺点是开发周期长、价格贵、内存小和拓展性差。通用信号处理机的优点是编程灵活、开发周期短、内存容量大和拓展性强，通用信号处理机中的集群计算机已在合成孔径声纳信号处理中得到应用，但是该集群计算机的运算速度和信号处理效率无法满足干涉合成孔径声纳(insas)信号处理过程中的高强度计算需求。

技术实现要素：

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统，其目的在于解决现有的信号处理机存在的信号处理效率低、体积大、通用性差的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统，包括刀片中心，该刀片中心包括数据接收与处理单元、成像单元和至少两个高程重建单元；成像单元的数量为高程重建单元的两倍；

数据接收与存储单元用于对接收的原始回波数据在方位向上进行分块处理与存储，得到多个数据块并分别分配给各个成像单元；由运行于不同成像单元的处理线程以并行方式对所述数据块中的原始回波数据进行合成孔径成像，得到合成孔径声纳图像；每个高程重建单元用于接受两个所述处理线程生成的同一侧的主、辅合成孔径声纳图像，根据两幅合成孔径声纳图像计算成像区域的高程信息；

所述数据接收与存储单元、成像单元和高程重建单元基于刀片服务器实现，各单元之间采用高速网络连接进行数据传输，形成双流水线式结构以实现对干涉合成孔径声纳双侧信号的多线程并行处理。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其数据接收与处理单元包括数据接收模块、预处理模块和导航解算模块；

所述数据接收模块用于根据外部控制设备发送的运行参数计算单个数据块所需的存储空间，接收原始回波数据并对其进行解包处理，将解包后的回波数据进行分块处理并存储在对应的存储空间内；所述原始回波数据包括原始声纳数据和传感器数据；

所述预处理模块用于将所述原始声纳数据从short数据类型转换为flaot类型；

所述导航解算模块用于根据各数据块中的传感器数据进行导航解算，生成导航解算结果。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其成像单元包括运动补偿模块、合成孔径成像模块和自聚焦模块；

所述运动补偿模块用于根据所述导航解算结果对拼接后的声纳数据进行运动补偿；

所述合成孔径成像模块用于根据所述运行参数对运动补偿后的声纳数据进行合成孔径成像，得到合成孔径声纳图像；合成孔径成像模块根据脉冲重复间隔pri、平台速度v和子阵长度d确定有效子阵个数nc＝2·pri·v/d，然后根据所述有效子阵个数从数据块中截取有效子阵数据，依次对所述有效子阵数据进行多子阵信号向单子阵信号转换、单阵合成孔径成像，得到合成孔径声纳图像；然后将所述合成孔径声纳图像在距离向上最远距离处截取半个合成孔径长度，方位向上两侧分别截取半个合成孔径长度，以消除不完整回波数据在远距离和数据块边缘的成像结果；

所述自聚焦模块用于对所述合成孔径声纳图像进行自聚焦处理以消除成像图像中的相位误差。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其高程重建单元包括配准与相位滤波模块、相位解缠模块和数字高程重建模块；

所述配准与相位滤波模块用于对每侧主、辅合成孔径声纳图像进行复图像配准并对配准结果进行相位滤波，得到干涉相位图，并根据所述干涉相位图和配准后的相关系数提取掩膜信息，得到掩膜图像和缠绕相位；

所述相位解缠模块用于根据所述缠绕相位对所述干涉相位图进行相位解缠处理，获取解缠相位；并将干涉相位图、掩膜图像和所述解缠相位发送至数字高程重建模块；

所述数字高程重建模块用于根据配准过程中的控制点信息和解缠相位确定相位差初值，并根据所述相位差初值和解缠相位获取绝对相位差，根据所述绝对相位差和成像时的几何关系得到成像区域的高程信息。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其数据接收模块还用于将每个数据块对应的当前数据块参数信息存放至与所述数据块对应的结构体中；所述当前数据块参数信息以流水线方式随数据块在各模块之间流动，中间模块将生成的参数信息更新至对应的结构体中并发送至下一模块。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其刀片中心还包括参数接收与控制单元，所述参数接收与控制单元用于接收显控平台发送的运行参数和控制命令，并根据所述控制命令对刀片中心进行初始化。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其刀片中心还包括处理结果发送单元，用于将高程重建单元生成的二维图像和三维高程数据发送给显控平台。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其运行参数包括在线/离线工作模式、左舷/右舷/双侧工作模式、发射信号参数、阵参数、数据采集参数、信号处理参数，数据存储参数；其中，所述发射信号参数包括中心频率、信号带宽、信号脉宽和脉冲重复周期；所述阵参数包括接收阵尺寸、发射阵尺寸和基线长度；所述数据采集参数包括采样频率、最近采样距离、最远采样距离；所述信号处理参数包括合成孔径成像参数、图像配准与滤波参数、相位解缠参数和数字高程重建参数；所述数据存储参数包括原始数据存储路径和计算结果存储路径。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，还包括显控平台、数据存储设备和数据交换设备；

所述显控平台用于设定运行参数、控制系统运行，并对刀片中心生成的二维图像和三维高程数据进行图形化显示；

所述数据存储设备用于存储刀片中心接收到的原始回波数据，以及刀片中心处理得到的二维图像和三维高程数据；

所述数据交换设备用于实现刀片中心内部各模块之间、刀片中心与数据存储设备之间的高速数据交换，以及刀片中心与显控平台之间的图像数据和参数信息的传输。

优选的，上述干涉合成孔径声纳信号处理系统，其刀片中心与显控系统之间的数据传输采用tcp/ip协议，刀片中心内部各模块之间采用infiniband协议进行数据传输。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统，以刀片服务器为计算平台，利用刀片内部多核进行共享内存环境下的多线程并行信号处理，刀片之间采用高速网络连接进行数据传输，形成双流水线式的信号处理结构，协同完成干涉合成孔径声纳双侧信号实时处理任务；该系统工作稳定可靠，满足干涉合成孔径声纳实时信号处理需求；系统处理能力强，集成度高、体积小，满足载船对insas实时信号处理系统的要求；

(2)本发明提供的一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统，设备可拓展能力强，刀片之间的数据交换速度高，当计算能力不满足实时需求时，只需在刀片中心中增加刀片节点即可，无需重新开发系统和程序，通用性强；

(3)本发明提供的一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统，系统基于windows平台研发，程序移植性好，可显著缩短信号处理系统的研发周期；

(4)本发明提供的一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统，计算节点内部采用共享内存方式并行进行信号处理，节点之间的数据交换采用消息传递机制，分别可采用成熟标准openmp和mpi来实现，在确保程序正确性的同时简化了程序研发过程。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的insas双流水线信号处理结构示意图；

图3是本发明实施例提供的当前数据块参数信息的生成与传输示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示是本发明所提供的一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理系统的结构框图，如图1所示，该干涉合成孔径声纳信号处理系统包括刀片中心、数据交换设备、数据存储设备和显控平台；

刀片中心用于接收声纳湿端电子设备所采集的原始声纳数据，并完成干涉合成孔径声纳信号处理过程中的原始回波数据的预处理、运动补偿、合成孔径成像、图像配准及滤波、相位解缠和数字高程重建任务，实现实时信号处理；刀片中心由若干个刀片节点组成，各刀片节点内部采用共享内存方式实现多核并行计算，刀片节点之间采用消息传递接口(message-passing-interface，mpi)实现不同节点之间的数据交换，形成双流水线式的信号处理结构。

显控平台用于设定系统运行参数、控制整个信号处理系统的运行，并实时显示刀片中心进行干涉信号处理后所得到的二维和三维图像数据，以及各种传感器数据。

数据存储设备用于存储刀片中心接收到的原始声纳数据以及各种传感器数据，并存储刀片中心进行干涉信号处理后的二维图像和三维高程数据。

数据交换设备用于实现刀片中心内部的各刀片节点之间、刀片中心与数据存储设备之间的高速数据交换，以及刀片中心与显控平台之间的图像数据和参数信息的传输。如图1所示，该数据交换设备包括高速交换机和以太网交换机，其中高速交换机用于实现刀片中心与数据存储设备之间的高速数据交换，以太网交换机用于实现刀片中心与显控平台之间的图像数据和参数信息的传输。刀片中心与声纳湿端电子设备之间、刀片中心与显控系统之间的数据传输采用tcp/ip协议，刀片中心内部的刀片节点之间采用infiniband协议进行数据传输。

图2是本实施例提供的insas双流水线信号处理结构示意图。为了通过刀片中心实现对双侧干涉合成孔径声纳信号的实时处理，在刀片中心上运行的功能单元包括：参数接收与控制单元、数据接收与处理单元、四个成像单元、两个高程重建单元和处理结果发送单元；其中，数据接收与处理单元、两个成像单元和一个高程重建单元用于实现左侧声纳信号的双线程实时处理；数据接收与处理单元、另外的两个成像单元和一个高程重建单元共同实现右侧声纳信号的双线程实时处理；数据接收与处理单元、四个成像单元和两个高程重建单元构成左右两侧的双流水线式的处理结构，协同完成干涉合成孔径声纳双侧信号实时处理任务，通过提高信号的处理效率来满足干涉合成孔径声纳实时信号处理的需求。

其中，参数接收与控制单元用于接收显控平台发送的系统运行参数和控制命令，并根据控制命令对刀片中心进行初始化操作；该系统运行参数包括系统运行模式、左舷/右舷/双侧工作模式、发射信号参数、阵参数、数据采集参数、信号处理参数，数据存储参数等；其中，发射信号参数包括中心频率、信号带宽、信号脉宽和脉冲重复周期；阵参数包括接收阵尺寸、发射阵尺寸和基线长度；数据采集参数包括采样频率、最近采样距离、最远采样距离；信号处理参数包括合成孔径成像参数、图像配准与滤波参数、相位解缠参数和数字高程重建参数；数据存储参数包括原始数据存储路径和计算结果存储路径。系统运行模式包括在线运行模式和离线运行模式，每种运行模式下又分为左舷/右舷/双侧三种工作方式。

数据接收与处理单元包括数据接收模块、预处理模块和导航解算模块；

数据接收模块用于根据显控平台发送的系统运行参数计算单个数据块所需的存储空间，接收原始回波数据并对其进行解包处理，将解包后的回波数据进行分块处理并存储在对应的存储空间内；原始回波数据包括原始声纳数据和传感器数据，原始声纳数据由声纳湿端电子设备采集并发送给数据接收模块；具体的，数据接收模块根据波长λ、阵元长度d和成像距离r计算出成像距离上的合成孔径长度并按照4倍的合成孔径长度和接收子阵个数n来确定方位向上原始声纳数据的脉冲个数npluse和单个数据块的方位向上数据点数sas_na，根据最近采样距离rmin、最远采样距离rmax和采样频率fs来确定距离向上数据点数sas_nr。然后根据方位向上数据点数sas_na和距离向上数据点数sas_nr开辟存储空间，接收原始回波数据并对其进行解包和分块处理后存储在对应的存储空间内；分块处理得到的声纳数据块与处于不同空间位置(左上、左下、右上和右下)的接收阵相对应。另外，数据接收模块还将每个数据块对应的当前数据块参数信息存放至与数据块对应的结构体中，当前数据块参数信息包括数据块行数、列数、脉冲个数、接收子阵个数、载频、带宽、脉宽等。

预处理模块用于对各数据块中的原始声纳数据从short数据类型转换为flaot类型；预处理完成后，将传感器数据和当前数据块参数信息发送至导航解算模块，将拼接得到的声纳数据和当前数据块参数信息分别发送给四个成像单元。

导航解算模块用于根据数据块中的传感器数据进行导航解算，生成理想航迹、每个脉冲时刻对应的航向、横滚和纵摇、以及每个脉冲时刻声纳载体位置与理想航迹的位置偏差等导航解算结果，并将该导航解算结果分别发送至四个成像单元，并等待接收下一块传感器数据进行导航解算。

每个成像单元包括运动补偿模块、合成孔径成像模块和自聚焦模块；

运动补偿模块用于接收当前数据块参数信息、数据块和导航解算结果，根据导航解算结果对数据块中拼接后的声纳数据进行运动补偿，并将补偿后的声纳数据发送至对应的合成孔径成像模块，并等待接收下一数据块进行运动补偿计算；

合成孔径成像模块用于接收当前数据块参数信息和运动补偿后的数据块，根据系统运行参数对数据块中的声纳数据进行合成孔径成像，得到合成孔径声纳图像；具体的，合成孔径成像模块根据脉冲重复间隔pri、平台速度v和子阵长度d确定有效子阵个数nc＝2·pri·v/d，然后根据有效子阵个数从数据块中截取有效子阵数据，依次对该有效子阵数据进行多子阵信号向单子阵信号转换、单阵合成孔径成像，然后将成像结果在距离向上最远距离处截取半个合成孔径长度，方位向上两侧分别截取半个合成孔径长度，以消除不完整回波数据在远距离和数据块边缘的成像结果。合成孔径成像模块将截取后的数据块参数信息填充至当前数据块对应的结构体中，对当前数据块参数信息进行更新；同时将修改后的当前数据块参数信息和成像结果发送至自聚焦模块。

自聚焦模块用于对合成孔径成像模块得到的合成孔径声纳图像进行自聚焦处理，消除成像结果中的相位误差，得到高质量图像；然后将自聚焦处理后得到的数据块和当前数据块参数信息发送至高程重建单元。

两个高程重建单元分别位于左、右侧流水线上，每个高程重建单元包括配准与相位滤波模块、相位解缠模块和数字高程重建模块；

左侧流水线上的配准与相位滤波模块用于接收左侧的两个自聚焦模块发送的当前数据块参数信息、左上阵成像结果(合成孔径声纳图像)和左下阵成像结果，同样，右侧流水线上的配准与相位滤波模块用于接收右侧的两个自聚焦模块发送的当前数据块参数信息、右上阵成像结果和右下阵成像结果；接收完毕后，配准与相位滤波模块使用的控制点信息对每侧主、辅合成孔径声纳图像进行复图像配准，对配准结果进行相位滤波，提高干涉相位质量，得到干涉相位图；滤波完成后，根据干涉相位图和配准后的相关系数提取掩膜信息，得到掩膜图像和缠绕相位。配准完毕后，将使用的控制点信息上传至当前数据块对应的结构体中，将更新后的当前数据块参数信息、干涉相位图、掩膜图像和缠绕相位下传至相位解缠模块。

相位解缠模块用于从滤波后的干涉相位图中提取无卷绕的相位差，其接收当前数据块参数信息、干涉相位图、掩膜图像和缠绕相位后，根据缠绕相位对干涉相位图进行相位解缠处理，获取解缠相位，并将干涉相位图、掩膜图像和解缠相位发送至数字高程重建模块；

数字高程重建模块用于完成初始相位差确定、绝对相位差计算，并实现数字高程模型的建立；数字高程重建模块接收当前数据块参数信息、干涉相位图、掩膜图像和解缠相位后，根据配准过程中的控制点信息和解缠相位确定相位差初值，将该相位差初值与解缠相位相加得到绝对相位差，然后根据绝对相位差和成像时的几何关系得到成像区域的三维高程信息，建立数字高程模型。

处理结果发送单元用于将两个数字高程重建模块生成的二维图像和三维高程信息发送至显控平台，以供其图形化显示。

图3所示是insas信号处理过程中的当前数据块参数信息的生成与传输示意图；如图3所示，在系统运行过程中，当前数据块参数信息以流水线方式随数据块在各信号处理模块(刀片节点)之间流动，中间信号处理模块将新生成的参数信息更新至对应的结构体中并发送至后续信号处理模块。

本实施例还提供了一种基于刀片服务器的干涉合成孔径声纳信号处理方法，包括以下步骤：

s1：启动刀片中心上的干涉合成孔径声纳信号处理程序和显控平台系统程序；

s2：通过显控系统设置系统运行参数，并将系统运行参数发送至刀片中心和水下声纳湿端电子设备；声纳湿端电子设备采集原始声纳数据并发送给刀片中心；

s3：刀片中心中的数据接收与处理单元获取原始声纳数据和各种传感器数据，进行原始声纳数据和传感器数据的解包、分块以及预处理；

s4：导航解算模块根据传感器数据进行导航解算，得到导航解算结果；

s5：运动补偿模块根据导航解算结果对声纳数据块进行运动补偿；合成孔径成像模块对运动补偿后的声纳数据块进行合成孔径成像处理；

s6：配准与相位滤波模块分别对每侧主、副两幅合成孔径声纳图像进行复图像配准，并对配准结果进行相位滤波；

s7：相位解缠模块对相位滤波结果进行相位解缠，获取相位差初值。

s8：数字高程重建模块根据配准结果和解缠后的相位差初值计算绝对相位差，并根据成像时的几何位置关系和绝对相位差，推算成像区域的三维高程信息。

s9：将处理得到的二维图像和三维高程信息发送至显控平台，由显控平台实时对处理结果进行图形化显示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。