CN105629247A

CN105629247A - 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

Info

Publication number: CN105629247A
Application number: CN201511016075.XA
Authority: CN
Inventors: 陈飞虎; 黄勇; 陈苏广; 赵兴奋; 黄海宁
Original assignee: SUZHOU SOUNDTECH OCEANIC INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: SUZHOU SOUNDTECH OCEANIC INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2016-06-01

Abstract

本发明公开了一种基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理方法及其数据处理系统，所述方法包括以下步骤：1）获取M*N维阵列回波数据；2）将回波数据做快速傅里叶变换，输出M*N维阵元域信号；3）将傅里叶变换输出结果作一级波束形成运算；4）对一级波束形成计算后的输出结果进行抽取并重新组包，并作二级波束形成；5）对二级波束形成的输出结果进行取模处理；6）对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。所述系统包括原始数据采集及传输、接收多核DSP处理器的控制命令参数的FPGA采集控制单元，用于发送控制命令参数、接收原始数据并进行并行波束形成运算处理的多核DSP处理器，实现命令参数及成像数据交互的网络交换机，实现多核DSP处理器之间数据交互的链接器接口以及电源模块。

Description

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

技术领域

本发明涉及DSP技术、声纳技术领域，特别涉及一种基于多核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。

背景技术

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捞等要求，高分辨的三维成像声纳起到了至关重要的作用。但是，由于三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，需对三维成像声纳数据进行并行处理。

目前，数据处理芯片处理速度飞速发展，其中以TI（德州仪器）公司生产的8核TMS320c6678最为典型。该多核DSP处理芯片主频为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20GFLOP，能够实现数据的并行处理。另外，该款DSP处理芯片还包含多个高速通讯接口及Debug接口，如DDR3、RapidI/O、UART等。

另外，当前国外三维成像声纳以EchoScope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对三维声纳成像进行数据实时处理的方法尚未发现。另外，国内在三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

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的三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三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。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理方法，该方法应用于三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，每个距离向的三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：所述方法包括以下步骤：

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≤L²/λ，其中，L表示所述接收平面阵的边长，λ为三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exp(-j*π*f_fpos(m²+n²)d²/(r*c))，其中，f_fpos为回波信号中心频率，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N4均为整数且可以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，这样上述步骤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。

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，可以采用生成相移因子表进行补偿。

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，这样可以提高多核DSP处理大量三维成像声纳数据的能力及实时性。

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变换的前提是将三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。

本发明的方法可以在多核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的三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、网络交换机以及链接器接口，其中：

FPGA采集控制单元，主要用于完成三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以上多核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。

本发明提供的基于多核DSP的三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温度传感器，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；

所述温度传感器：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温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、姿态传感器及温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、姿态传感器以及温度传感器数据等，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。

上述多核DSP处理器设有调试接口，用以实现软件的调试。

上述多核DSP处理器代码的固化及启动通过加载FLASH实现。

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

图1是本发明采用的多核DSP并行处理三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并行处理三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并行处理三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是波束形成三维图；

图10是在上位机软件中读取水下桥墩目标经过多核DSP处理并行之后的数据形成的三维成像效果图；

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。

具体实施方式

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，相信当可由之得以深入而具体的了解。

首先，本发明针对的三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，每个距离向的三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。三维成像声纳平面阵的远场常规频域波束形成表达式为：

（1）

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，为回波信号中心频率经过NFFT点FFT运算之后获得谱线号，d为平面阵相邻两个阵元之间的间隔，为回波信号中心频率。

远场和近场判断条件：当三维成像声纳系统的工作距离Distance满足公式Distance≤L²/λ，则认为三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为三维成像声纳系统发射信号的波长。所以，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exp(-j*π*f_fpos(m²+n²)d²/(r*c))，其中，f_fpos为回波信号中心频率，d为阵元间隔，r为距离，c为水中声速，用代替。其中，的表达式为：

（2）

本发明在对三维声纳回波数据进行并行处理时发现，三维声纳的方位角和俯仰角是相互独立的，而且常规频域波束形成表达式与二维快速傅里叶变换具有相同的样式，所以对权重系数为的频域信号作二维快速傅里叶变换表达式为：

（3）

通过对比表达式（1）和表达式（3）可以获得，k频率与α，β之间的对应关系。另外，考虑到α和β是相互独立的，即方位角和俯仰角可以共用同一个频率因子补偿表，所以只需计算其中一组对应关系即可，计算α和l之间的对应关系表达式为：

（4）

通过观察（4）式可知，在进行波束形成之前，可以事先将三维声纳方位角和俯仰角对应的频率存储为频率因子表，进而减少运算量。

对阵元数为M*N的三维成像声纳数据进行分级波束形成处理时，为了避免在波束开角范围内进行波束形成过程中出现栅瓣，此时，接收平面阵布阵间隔需满足：

（5）

（6）

其中，和分别为方位角的最大开角和俯仰角的最大开角。

本实施例使用多核DSP对三维成像声纳数据进行并行波束形成处理时采用的是正方形平面阵（但不局限于正方形平面阵），假设该平面阵阵元数为N*N（即令M=N）。将该平面阵分成N2*N1个一级子阵，每个一级子阵中包含的阵元数为N3*N4，其中N1=N2，N3=N4；一个二级子阵中包含的虚拟阵元数为N2*N1，其中N1=N2。对三维成像声纳数据进行本发明采用的波束形成运算处理最终生成的波束个数为P*Q，其中P=Q。设定本实施例并行波束形成运算方法中一级波束形成中的方位角与俯仰角满足的方向矢量：

（7）

其中，1≤p1≤P1，1≤q1≤Q1且P1=Q1，每个一级子阵进行波束形成之后的波束数为P*Q维，和表示每个一级子阵的任意波束方向的方位角和俯仰角，该角度宽度分别满足，。

根据前文描述，参考图1、图2、图3，本实施例的并行波束形成方法具体包括以下步骤：

1）接收三维声纳回波数据；

2）对上述1）中的回波数据作FFT运算得到阵元域信号；

3）将上述2）中的阵元域信号分成N2*N1个一级子阵，每个一级子阵中包含的阵元数为N3*N4，每个一级子阵中的第号阵元对应的坐标位置为，所以每个一级子阵的频域波束形成表达式为:

（8）

其中，，，N1=N2，N3=N4。另外，需要判断上述2）中的阵元域信号是否满足近场条件Distance≤L²/λ，若满足，需用上述表达式（2）代替表达上述（8）式中，然后执行下述步骤4）的操作；否则，直接进行下述步骤4）的操作。

4）根据二维快速傅里叶变换的表达式（3）式和表达式（4）式中频率，与方位角及俯仰角之间存在的对应关系，通过上述步骤3）中的和获取方位角和俯仰角分别对应的频率因子和，考虑到两者的相互独立性，在多核DSP中只需将其中一组频率因子存储成相移补偿因子表1，让两者共用同一个相移补偿因子表1即可，这样可以减少波束形成过程中的运算量，其中相移补偿因子表1可通过公式预先生成并存储在多核DSP处理器1和多核DSP处理器2的内存中；

5）对上述步骤3）中得到的信号进行列数据FFT处理；

6）对上述步骤3）中得到的信号进行行数据FFT处理；

7）对上述步骤5）和步骤6）中得到的N2*N1个P1*Q1维一级子阵波束形成的结果进行抽取并重新组包处理，即从每个一级子阵中的波束形成结果中抽取一个波束，经抽取之后形成N2*N1个虚拟阵元信号，且虚拟阵元间隔为，其中N2=N1，然后对该虚拟阵元作二级波束形成。二级波束形成表达式为：

（9）

其中，，，P1=Q1，，。

根据二维快速傅里叶变换的（3）式和（4）式中频率，与方位角及俯仰角之间存在的对应关系，通过（9）式中的和获取方位角和俯仰角分别对应的频率因子和，考虑到两者的相互独立性，在多核DSP中只需将其中一组频率因子存储成相移补偿因子表2，让两者共用同一个相移补偿因子表2即可，这样可以减少波束形成过程中的运算量，其中相移补偿因子表2可通过公式预先生成并存储在多核DSP处理器1和多核DSP处理器2的内存中，同时需将方位向和俯仰向的角度宽度改为，，然后根据频率与角度之间的对应关系求出相移补偿因子表2，其中P=Q；

8）对上述步骤7）中N2*N1个虚拟阵元信号进行列数据FFT处理，其中N2=N1；

9）对上述步骤7）中N2*N1个虚拟阵元信号进行行数据FFT处理，其中N2=N1；

10）对上述步骤8）和步骤9）中得到的二级波束形成结果进行取模处理；

11）对上述步骤10）中的结果作峰值滤波处理最终得到P*Q维波束输出结果，其中P=Q。

另外，本发明的方法可以在多核DSP上实现并行处理，根据本发明提出的三维成像声纳数据并行处理方法所设计的多核并行处理的硬件系统如图4所示，本实施例数据处理系统包括：FPGA采集控制单元、多核DSP处理器1和多核DSP处理器2、电源模块、网络交换机、链接器接口，以及定时器、外部存储器、串口及调试接口等。FPGA采集控制单元中的FPGA芯片选取LATTICE系列的LFE3-35EA-FN484芯片，该单元主要实现三种功能，一是采集、传输三维成像声纳距离向的原始数据，二是接收多核DSP处理器1和多核DSP处理器2的控制命令参数，三是控制系统每个模块的电源上电顺序，为多核DSP处理器1和多核DSP处理器2提供对应的核电压。此外，FPGA在采集原始数据过程中，需对原始信号进行带通放大滤波处理，其中带通滤波芯片选择AD8656，运放芯片选择AD7276和AD5450。

电源模块为整个系统提供所需的电源。

链接器接口，用于实现多核DSP处理器1和多核DSP处理器2之间的数据交互。

根据需要处理的数据量的大小，可以选择系统中多核DSP处理器的数量，本实施例中采用了多核DSP处理器1和多核处理器2两个多核DSP处理器。多核DSP处理器1和多核DSP处理器2，用于向FPGA采集控制单元发送控制命令参数，接收所述FPGA采集控制单元输出的所述原始数据并对该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，通过加载FLASH实现程序的读写。

为了获取本发明所述系统所处的水下三维空间的姿态信息以及温度参数，本实施例系统好设置了姿态传感器和温度传感器。该温度传感器接收该DSP多核处理器的控制命令参数，用于获取所述系统的当前温度参数并输送至所述的DSP多核处理器。该姿态传感器接收该DSP多核处理器的控制命令参数，用于获取所述系统在水下三维空间的当前姿态信息并发送至所述的DSP多核处理器。这种结构下，由多核DSP处理器1向温度传感器发送控制命令参数并接收温度传感器的温度参数，由多核DSP处理器2向姿态传感器发送控制命令参数并接收姿态传感器的姿态参数，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。另外，本实施例中的多核DSP处理器1和多核DSP处理器2之间的共享数据的交互通过链接器接口实现，多核DSP处理器1和多核DSP处理器2设置的调试接口主要是实现软件的调试，通用IO口主要实现对DSP当前状态（通过指示灯判别）的检测。

网络交换机实现PC机与多核DSP处理器1和多核DSP处理器2之间的命令参数及成像数据的交互。

多核处理器1和多核DSP处理器2的代码的固化及启动通过加载FLASH实现。其中，FLASH选择型号为N25Q128A21BSF40F的128M-bit的NORFLASH。并行波束形成运算过程中数据的存储则通过外部存储器DDR3完成。

本实施例数据处理系统工作过程如图5所示，其中多核DSP处理器1和多核DSP处理器2选择TMS320C6678。该款多核DSP具备8个1.25GHz的内核，所以本实施例基于多核DSP的三维成像声纳数据并行处理方法在多核处理器上的实现包括以下几个步骤：

1）回波数据通过RapidI/O交换数据池被均分成两份并分别传至多核DSP处理器1中的核8和多核处理器2中的核16指定的DDR3内存块中；

2）多核DSP处理器1和多核DSP处理器2中的核2～核7和核10～核15分别从上述步骤1）中对应的DDR3存储区获取回波数据，且每个核的回波数据是均等的；

3）先对上述步骤2）中的每个核中的数据同时使用本发明方法进行一级子阵并行波束形成算法处理，即先对列数据作FFT处理，然后对行数据做FFT处理，同时从MSMC（多核共享缓冲存储区）中获得补偿因子表1中相应的补偿因子进行补偿处理，此时，获得一级子阵波束形成结果；对一级子阵波束形成结果进行抽取形成二级虚拟子阵，然后再对该虚拟子阵的数据进行二级子阵波束形成处理，即先对列数据作FFT处理，然后对行数据作FFT处理，同时从MSMC（多核共享缓冲存储区）中获得补偿因子表2中相应的补偿因子进行补偿处理，接着对二级波束形成之后的数据进行取模、峰值滤波处理，最终获得按照时间先后对其排列的二维波束形成结果；

4）将上述步骤3）中的最终输出结果分别发送到核1和核9中进行组包处理，然后将组包完的数据通过千兆以太网交换输出到上位机进行三维成像效果显示。

根据本发明提供的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理方法设计的本实施例数据处理系统，通过在TI公司开发的CCSV5.3软件开发平台下对该方法进行仿真。假设目标处于方位角为10度，俯仰角为-10度的位置处，首先，多核DSP处理器1和多核DSP处理器2接收FPGA采集控制单元采集到的原始数据，然后，该原始数据经过一级和二级子阵波束形成后每个距离向最终获得的波束个数为，接着，各个不同距离向的成像数据则通过网络交换机上传至PC机进行三维成像场景重现。接收平面阵的阵元总数为2304，保存经过CCSV5.3仿真之后的波束形成结果，通过MATLAB仿真工具读取该波束形成结果进行绘图，分别得到图6（波束形成结果二维图）、图7（方位角的侧视图）、图8（俯仰角的侧视图）、图9（波束形成结果三维图）。通过图6、图7、图8及图9可以看出，使用本发明提供的基于多核DSP的三维成像声纳数据并行处理方法及相应系统是正确的。为了进一步验证本发明的正确性，本发明给出了实际水下测试目标经过多核DSP处理之后的数据分别送到上位机和MATLAB中三维效果图和二维图。其中，三维效果图参见图10（水下桥墩目标三维效果图）和图11（水下罐体目标MATLAB二维图）。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的方法及应用该方法的数据处理系统的构思而已，并非限制本发明。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，但是本领域的技术人员应当明白，凡是对本发明描述的实施例的技术方案进行修改，或者是对其中部分技术特征进行等同替换，都不脱离本发明的构思和原则，其均应当涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理方法，该方法应用于三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，每个距离向的三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：所述方法包括以下步骤：

1）获取M*N维阵列回波数据；

2.根据权利要求1所述的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理方法，其特征在于：对所述步骤2）中所述的近场距离进行距离补偿时，采用生成相移因子表进行补偿。

3.根据权利要求1所述的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理方法，其特征在于：所述步骤3）和4）中采用两级并行波束形成运算方法。

4.根据权利要求1所述的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理方法，其特征在于：所述步骤3）和4）中均采用了快速傅里叶变换，其中，能够使用FFT变换的前提是将三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。

5.一种应用权利要求1所述数据处理方法的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理系统，其特征在于：所述系统包括：FPGA采集控制单元、多核DSP处理器、电源模块、网络交换机以及链接器接口，其中：

电源模块，为整个系统提供所需的电源；

6.根据权利要求5所述的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理系统，其特征在于：所述系统还包括姿态传感器及温度传感器，其中：

7.根据权利要求5所述的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理系统，其特征在于：所述多核DSP处理器设有调试接口，用以实现软件的调试。

8.根据权利要求5所述的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理系统，其特征在于：所述多核DSP处理器代码的固化及启动通过加载FLASH实现。

9.根据权利要求5所述的基于多核DSP的三维成像声纳并行数据处理系统，其特征在于：所述多核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。