一种基于多核dsp的三维成像声纳并行数据处理方法及应用该方法的数据处理系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及DSP技术、声纳技术领域，特别设及一种基于多核DSP的Ξ维成像声纳 并行数据处理方法及应用该方法的数据处理系统。
【背景技术】
[0002] 随着海洋探测技术不断发展，为了满足水下地貌侦查、水下障碍物及目标探测、水 下作战、工程勘察及民用领域物体打拱等要求，高分辨的Ξ维成像声纳起到了至关重要的 作用。但是，由于Ξ维成像声纳在进行波束形成时需要处理的数据量很大，实时性就显得尤 为重要。为了解决实时性问题，需对Ξ维成像声纳数据进行并行处理。
[0003] 目前，数据处理忍片处理速度飞速发展，其中WTI (德州仪器）公司生产的8核 TMS320C6678最为典型。该多核DSP处理忍片主频为1.25GHz，而且每个核的定点处理速度甚 至达到40GMAC，浮点运算速度为20GFL0P，能够实现数据的并行处理。另外，该款DSP处理忍 片还包含多个高速通讯接口及Debug接口，如孤R3、Rapid I/CKUART等。
[0004] 另外，当前国外Ξ维成像声纳WEchoScope系列及Eclipse多波束声纳最为典型， 两款产品主要是通过FPGA实现的，但是使用多核DSP对Ξ维声纳成像进行数据实时处理的 方法尚未发现。另外，国内在Ξ维成像声纳方面的研究起步较晚，多数还是基于线列阵或针 对阵元数较少的面阵进行研究，但能够同时满足针对远场及近场目标的大量数据进行基于 多核DSP并行波束形成数据处理并没有一个较好的实用的处理方案。
【发明内容】
[0005] 鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多核DSP的Ξ维成像 声纳并行数据处理方法及应用该方法的系统，该方法及其系统的技术方案能够解决Ξ维成 像声纳波束形成计算过程中运算量大、实时性差的难点，从而能够提高大规模并行波束形 成运算效率，提高实时性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于多核DSP的Ξ维成像声纳并行数据处 理方法，该方法应用于Ξ维成像声纳阵元均匀分布的平面接收阵中，其中，假设均匀分布的 平面接收阵阵元数为M*N，M和N为大于0的整数，每个距离向的Ξ维成像声纳数据经过波束 形成计算最终获得的波束数为P*Q，其特征在于:所述方法包括W下步骤： 1) 获取M*N维阵列回波数据； 2) 将上述步骤1)中的回波数据做快速傅里叶变换，输出M*N维阵元域信号，判断变换结 果是否满足近场条件Distance含L2A，其中，L表示所述接收平面阵的边长，λ为Ξ维成像声 纳系统发射信号的波长，若是，需对近场进行距离补偿，距离补偿公式为e邱(-j*3i*ffpDs(m2+ n2)dV(r*c))，其中，ffpDs为回波信号中屯、频率，d为阵元间隔，r为距离，C为水中声速，然后 进行下一步步骤3)的操作;否则，直接进入下一步步骤3)的操作； 3) 将上述步骤2)中的傅里叶变换输出结果分成N2*N1个一级子阵，1个二级子阵，然后 对每个一级子阵中的数据作一级波束形成运算，其中，每个一级子阵中包含N3*N4个阵元， 其中M=N2*N3，N=N1*N4，N1、N2、N3及M均为整数且可W根据实际要求的一级子阵的大小进 行设定，N2和N1分别为一级子阵的行向子阵个数和列向子阵个数，N3和N4分别为每个一级 子阵包含的阵元的行向个数和列向个数； 4) 对上述步骤3)中的一级波束形成计算后的输出结果进行抽取并重新组包，将每个一 级子阵中输出的波束域信号作为二级子阵中的一个阵元，运样上述步骤3)中的输出结果共 能组成N2*N1个虚拟阵元，然后对该每个虚拟阵元作二级波束形成； 5) 对上述步骤4)中的二级波束形成的输出结果进行取模处理； 6) 为了避免上述步骤4)中插值处理过程中出现虚假目标，对上述步骤5)中的取模处理 后的输出结果作峰值滤波，得到最终的波束形成结果。
[0007] 上述技术方案中，对所述步骤2)中所述的近场距离进行距离补偿时，可W采用生 成相移因子表进行补偿。
[0008] 上述技术方案中，为了减少运算量，所述步骤3)和4)中采用两级并行波束形成运 算方法，运样可W提高多核DSP处理大量Ξ维成像声纳数据的能力及实时性。
[0009] 上述技术方案中，为了进一步减少运算量，所述步骤3)和4)中均采用了快速傅里 叶变换(FFT变换），其中，能够使用FFT变换的前提是将Ξ维声纳的方位角和俯仰角映射到 二维傅里叶变换中与之对应位置处的频率。
[0010] 本发明的方法可W在多核DSP上实现并行处理，因此本发明同时提供了一种应用 上述数据处理方法的基于多核DSP的Ξ维成像声纳并行数据处理系统，所述系统包括:FPGA 采集控制单元、多核DSP处理器、电源模块、网络交换机W及链接器接口，其中： FPGA采集控制单元，主要用于完成Ξ维成像声纳距离向的原始数据采集及传输，接收 多核DSP处理器的控制命令参数，控制所述处理系统中每个模块的电源上电顺序； 多核DSP处理器，用于向FPGA采集控制单元发送所述的控制命令参数，接收所述FPGA 采集控制单元输出的所述原始数据并进行并行波束形成运算处理，通过网络交换机接收PC 机的命令参数并将成像数据上传至PC机，通过定时器获取当前成像数据上传至PC机的时 间，通过加载FLASH实现程序的读写； 电源模块，为整个系统提供所需的电源； 网络交换机，用于实现PC机与多核DSP处理器之间的命令参数及成像数据的交互； 链接器接口，用于在系统具有两个及两个W上多核DSP处理器时，实现两个或多个多核 DSP处理器之间的数据交互。
[0011] 本发明提供的基于多核DSP的Ξ维成像声纳并行数据处理系统的特征还在于:所 述系统还包括姿态传感器及溫度传感器，其中： 所述姿态传感器:接收DSP多核处理器的控制命令参数，然后获取所述系统的当前水下 姿态信息并输送至所述的DSP多核处理器； 所述溫度传感器:接收DSP多核处理器的控制命令参数，用于获取所述系统的当前溫度 参数并输送至所述的DSP多核处理器； 多核DSP处理器:向FPGA采集控制单元、姿态传感器及溫度传感器发送控制命令参数， 获取所述FPGA采集控制单元的原始数据、姿态传感器W及溫度传感器数据等，然后对所述 FPGA采集控制单元获取的原始数据进行并行波束形成运算处理，通过网络交换机接收PC 机的命令参数，并将成像数据上传至PC机，通过定时器获取当前成像数据上传至PC机的时 间。
[0012] 上述多核DSP处理器设有调试接口，用W实现软件的调试。
[0013] 上述多核DSP处理器代码的固化及启动通过加载FLASH实现。
[0014] 上述多核DSP处理器并行波束形成运算过程中数据的存储通过外部存储器完成。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明采用的多核DSP并行处理Ξ维成像声纳数据方法的算法流程图； 图2是本发明采用的对应图1中的一级子阵波束形成运算流程图； 图3是本发明采用的对应图1中的二级子阵波束形成运算流程图； 图4是本发明采用的多核DSP并行处理Ξ维成像声纳数据方法的硬件系统框图； 图5是本发明采用的多核DSP并行处理Ξ维成像声纳数据方法的硬件系统对应的工作 过程示意图； 图6是波束形成二维图； 图7是方位角侧视图； 图8是俯仰角侧视图； 图9是波束形成Ξ维图； 图10是在上位机软件中读取水下桥墳目标经过多核DSP处理并行之后的数据形成的Ξ 维成像效果图； 图11是通过MATLAB读取经多核DSP并行处理后的水池试验中罐体目标的二维图。
[0016]
【具体实施方式】
[0017] 为使公众进一步了解本发明所采用之技术、手段及其有益效果，特举实施例并配 合附图详细说明如下，相信当可由之得W深入而具体的了解。
[0018] 首先，本发明针对的Ξ维成像声纳的接收阵为均匀分布的平面阵，且假设平面阵 包含的阵元数为M*N，M和N为大于0的整数，每个距离向的Ξ维成像声纳数据经过波束形成 计算最终获得的波束数为P*Q。^维成像声纳平面阵的远场常规频域波束形成表达式为：
其中，为权重系数，α为方位角，β为俯仰角，C为水中声音传播速度， 话禪W了为回波信号中必频率经过NFFT点FF惦算之后获得谱线号，蝴平 面阵相邻两个阵元之间的间隔，为回波信号中屯、频率。
[0019] 远场和近场判断条件：当Ξ维成像声纳系统的工作距离Distance满足公式 Distance含L2A，则认为Ξ维声纳探测范围处于近场，否则，则判为远场。其中，L为接收平 面阵边长，λ为Ξ维成像声纳系统发射信号的波长。所W，近场常规频域波束形成需对(1)式 进行距离补偿处理，距离补偿公式为e邱（-j*帖ffp〇s(