CN111722232B - 一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、多个信号采集子系统；信号采集子系统包含并行的至少2个采集组件，每个采集组件受信号交互子系统控制同步并行采集声纳线阵数据，并对采集数据进行预处理后传输至信号交互子系统；信号交互子系统同时控制多个信号采集子系统采集声纳线阵数据，作为中间桥梁实现嵌入式GPU信号处理子系统与信号采集子系统之间声纳线阵数据的传输；嵌入式GPU信号处理子系统控制信号交互子系统传输声纳线阵数据，并对声纳线阵数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果并上传至上位机以显示。

Description

一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置

技术领域

本发明涉及嵌入式GPU处理器技术、FPGA技术、二维声学成像图像处理技术，互谱法分析技术和多通道同步采样技术，具体来说涉及一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置。

背景技术

多波束成像声纳系统具有水下探测、避障、定位等多种功能，可以通过对水下信息的有效监控，加强对海域的控制。随着人类海洋活动的日益频繁，多波束成像声纳系统的使用不再局限于军事目的，在海洋资源开发、海上救援、海底地貌探测等商业和民用领域都有着广泛应用。多波束成像声纳系统通过在一个声纳头上安装多个换能器，可以同时接收并处理多个波束成像，拥有较快的成像速度和较高的成像精度。目前国外的多波束成像声纳系统已经进入商业化模式，产品类型多样，可以适应各类场景的应用需求，在水下探测、水文调查、地形绘制、测深等各种领域都得到了广泛的使用。诸如美国、日本、丹麦、加拿大等国都有商业化的产品生产，其中比较有代表性的多波束成像声纳系统有美国的Reson公司研制的SeaBat系列前视声纳系统、英国Tritech公司设计的Eclipse系列多波束声纳、美国Teledyne Marine公司生产的Blueview系列前视声纳系统等。在国内，多波束成像声纳技术的研发力量还主要集中在科研院所和军工企业，基本是基于国家及部队项目的驱动进行研发，尽管国产化率比较高，但产业化及技术配套相对薄弱。

波束形成技术作为二维声学成像图像处理技术的基础，已经广泛应用于各类声纳探测设备中。目前国内外的多波束成像声纳系统大多是通过单条一维换能器线性阵列接收声纳回波信号，进行波束形成计算，获得水下场景的实时二维图像。虽然多波束成像声纳系统的相关技术发展至今已比较完备，但为了进一步满足工程应用需求，仍有以下方面需要改善：1)在兼具系统实时性和便携性的同时，通过提供目标的深度信息提高目标定位的准确性；2)随着线阵阵元数量的增加，通过提升处理器性能以应对实时声学成像算法对资源的需求。

互谱法分析是指由于各线阵接收的是同一个声源发射信号，所以线阵间的输入是相关联的，可以进行互谱法计算。在对输入进行滤波后进行互相关处理，互相关的峰值所对应的时间，就是两个线阵之间的时间差，由此可以得到声源目标的方位信息。其主要用于分裂波束系统的精确方位估计，在主动声纳中常用于窄带信号处理。将互谱法计算与波束形成的计算结果相结合就能得到目标物体在深度方向的角度信息，使得多波束成像声纳系统能在一定程度上获得目标物体的三维位置信息。

Nvidia公司近几年推出的Jetson TX1嵌入式GPU模组是世界上第一个基于模块的超级计算机，它采用了最新的NVIDIA Maxwell GPU架构，具有ARM Cortex-A57 MPCore(Quad-Core)CPU族，实现性能与电源功耗的最大优化。利用具有256个CUDA核心的麦克斯韦构架GPU Tegra X1，可以提供针对GPU计算，计算机图形和人工智能(AI)等所需的性能和能效，在提供了比Kepler构架更强劲性能的同时还降低了设备的功耗和发热。在数值计算方面，Tegra X1嵌入式GPU可以提供每秒超过1TFLOPS次的超强浮点运算能力，十分适用于超大规模并行计算。在图像算法处理方面，Tegra X1支持所有关键图形和计算API，包括OpenGL ES 3.1,OpenGL 4.5,DirectX 12.0和CUDA 6等，可以完美运行各类图像处理算法。

现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array)FPGA具有I/O管脚丰富，时序控制精确，管脚定义灵活的特点。在同步信号的触发下，可实现多片FPGA对大规模阵列进行同步采样；FPGA管脚可以根据需求将管脚定义为多组并行传输总线和时钟线，可实现一片主FPGA通过多组并行传输接口与多片子FPGA互连，完成多片子FPGA至主FPGA高速数据同步传输。

发明内容

本发明提供了一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、多个信号采集子系统；

所述信号采集子系统包含并行的至少2个采集组件，每个采集组件受信号交互子系统控制同步并行采集声纳线阵数据，并对采集数据进行预处理后传输至信号交互子系统；

所述信号交互子系统基于嵌入式GPU信号处理子系统的控制来同时控制多个信号采集子系统采集声纳线阵数据，作为中间桥梁实现嵌入式GPU信号处理子系统与信号采集子系统之间声纳线阵数据的传输；

所述嵌入式GPU信号处理子系统控制信号交互子系统传输声纳线阵数据，并对接收的声纳线阵数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果并上传至上位机以显示。

其中，所述采集组件包括放大器、滤波器、可变增益放大器(VGA)、AD芯片以及FPGA，依次实现对采集声纳线阵数据的放大、滤波、实时增益控制以及离散傅里叶变换计算；

所述采集组件还包括与FPGA连接的并行数据传输接口和命令接口，分别用于传输离散傅里叶变换数据和命令。

其中，所述信号交互子系统包括包含FPGA，PCIe总线，发射接口，命令接口和多组并行数据传输接口，实现对多个信号采集子系统和信号处理子系统进行高带宽数据交换和命令控制。

其中，所述嵌入式GPU信号处理子系统包括嵌入式GPU模组，扩展PCIe总线，千兆以太网接口，备用接口，调试接口，复位接口，通过扩展PCIe总线完成离散傅里叶变换数据接收，嵌入式GPU模组实现对离散傅里叶变换数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果，并通过千兆以太网接口进行上传，通过备用接口，调试接口，复位接口实现命令控制。

其中，所述嵌入式GPU信号处理子系统中，对对两条线阵的声呐线阵数据进行互谱法计算，配合波束形成算法获得的二维声学图像数据，能够实现对目标的三维定位估计。

优选地，所述嵌入式GPU信号处理子系统采用Nvidia公司的Jetson TX1嵌入式GPU模组。该CPU模组拥有OpenGL ES 3.1,OpenGL 4.5,DirectX 12.0和CUDA 6等特性，具有高性能的图像并行处理能力，丰富的高速数据互连接口，高性能麦克斯韦架构GPU，实现二维声学成像高速率数据传输与图像算法高效计算。

该Jetson TX1嵌入式GPU模组通过PCIe x4总线与信号交互子系统的FPGA互连，实现最高20Gbps数据传输速率，满足多波束成像声纳数据传输带宽。扩展千兆以太网接口，实现计算结果上传和控制命令接收。

信号交互子系统FPGA通过多组并行数据传输接口与多个信号采集子系统互连，同步接收多条线阵的模拟输入预处理数据，通过PCIe总线传输至Jetson TX1嵌入式GPU模组，实现信号采集子系统与信号处理子系统高速数据交互，完成信号处理子系统同步接收多组信号采集子系统的预处理数据。

其中，所述信号交互子系统控制发射接口按一定时序发射声波，等待回波到达系统后，通过命令接口向信号采集子系统下发同步采样命令，实现同步采样控制。

所述多波束成像声纳实时信号处理装置的工作流程为：

(1)信号处理子系统通过PCIe总线向信号交互子系统中FPGA配置帧率和TVG参数；然后，信号交互子系统中FPGA通过命令接口对信号采集子系统进行TVG参数配置，控制可变增益放大器实现TVG增益；

(2)信号交互子系统控制发射接口按一定时序发射声波，等待回波到达系统后，通过命令接口向信号采集子系统下发同步采样命令，实现同步采样控制；

(3)信号采集子系统接收到命令接口下发的START信号后，控制放大器、滤波器、可变增益放大器和AD芯片开始工作，对采集到的两条线阵声学回波信号进行放大，滤波和AD转换，可变增益放大器接收TVG增益参数实现TVG功能，FPGA对采样数据进行傅里叶变换，然后通过并行传输接口将DFT数据以传输时钟的双倍速率，传输至信号交互子系统。

(4)信号交互子系统同步接收多个信号采集子系统上传的多组DFT数据，FPGA对每帧多组DFT数据进行同步缓存、整理与打包，通过PCIe总线传输至信号处理子系统，实现多组信号采集子系统与信号处理子系统之间高速数据交互与数据同步传输。

(5)信号处理子系统通过PCIe总线接收信号交互子系统传输的DFT数据，通过嵌入式GPU模组实现波束形成算法和互谱法分析的实时计算，将二维声学图像数据和目标三维定位结果通过千兆以太网接口传输至上位机进行显示。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明提供的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、信号采集子系统，通过波束形成算法和互谱法分析相配合实现对水下二维声学图像的实时显示和水下目标的三维坐标估计。信号处理子系统采用的Jetson TX1嵌入式GPU模组拥有OpenGL ES 3.1,OpenGL 4.5,DirectX 12.0和CUDA 6等特性，具有高性能的图像并行处理能力，丰富的高速数据互连接口，十分适用于多波束成像声纳实时信号处理装置高速率数据传输与图像算法高效计算。同时，通过信号交互子系统，可实现信号处理子系统与多个信号采集子系统高速数据交互，完成信号处理子系统同步接收多组信号采集子系统的DFT数据。整个系统具有强大的数据交互能力和信号实时并行处理能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置的组成示意图。

图2为本发明实施例提供的采用的互谱法分析原理示意图。

图3为本发明实施例提供的嵌入式GPU信号处理子系统示意图。

图4为本发明实施例提供的信号交互子系统示意图。

图5为本发明实施例提供的信号采集子系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

如图1所一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置包含嵌入式GPU信号处理子系统110、信号交互子系统120、信号采集子系统130。其中，信号处理子系统110包含千兆以太网接口111，通过该接口进行图像数据传输。调试接口113用于信号处理子系统110调试。信号处理子系统110与信号交互子系统120通过PCIe总线互连，信号交互子系统120通过并行传输总线与两个信号采集子系统130互连，实现信号采集子系统130的DFT数据通过信号交互子系统120同步传输至信号处理子系统110。信号处理子系统110还通过PCIe总线向信号交互子系统120下发更新代码和量程、帧率等参数，实现信号交互子系统120的在线更新功能及命令控制功能。信号交互子系统120通过命令接口122与信号采集子系统130进行命令交互，实现多个信号采集子系统130同步采样控制。每个信号采集子系统130接收两条接收换能器线阵的模拟输入，使得上传至信号交互子系统120的预处理信号具有互相关性。

如图2所示是线阵互谱法分析的原理示意图，对于多波束成像声纳系统，当目标210与线阵211、212间的距离大于一定距离时满足远场条件，接收信号近似于远场平面波。设线阵1 211和线阵2 212接收信号分别为x₁(t)和x₂(t)，两阵存在接收信号时延t₁，假设x₂(t)＝x₁(t-t₁)，F₁(f)和F₂(f)分别表示对x₁(t)和x₂(t)的傅里叶变换，则

x₁(t)和x₂(t)的互相关谱Z(f)为：

Z(f)的相位角φ为φ＝2πft₁＝arg[Z(f)] (公式4)

由示意图2可知

带入(公式4)可得

将互谱法分析与波束形成的计算结果相结合就能得到目标210在深度方向的角度信息，使得多波束成像声纳系统能具备一定的三维定位能力，本装置的纵向分辨率可以达到5°。通过放置多个朝向不同的双线阵，还能进一步扩大装置的探测范围。

如图3所示信号处理子系统110包含Jetson TX1嵌入式GPU模组310，PCIe总线接口311，复位接口312，千兆以太网接口313及调试接口314。信号处理子系统110通过复位接口312实现信号处理子系统110与信号交互子系统120的重启功能。信号处理子系统110通过PCIe总线311实现DFT数据接收和在线更新文件、控制参数的下发。Jetson TX1嵌入式GPU模组310实现波束形成和互谱法分析的实时计算，通过千兆以太网接口313进行数据的实时上传，图像数据和三维定位结果传输至上位机显示。用户可通过调试接口314实现对JetsonTX1嵌入式GPU模组310的调试和代码烧写。

如图4所示的信号交互子系统120包含FPGA410，扩展多组并行传输接口411和命令接口412，同步接收多个信号采集子系统130上传的多条线阵的DFT数据。FPGA410对每帧DFT数据进行同步缓存、整理与打包，通过PCIe总线传输至信号处理子系统110，实现多组信号采集子系统130与信号处理子系统110之间高速数据交互与数据同步传输。FPGA 410通过命令接口412控制信号采集子系统130的同步采样工作和时增益控制(Time Varied Gain，TVG)。FPGA410还控制发射接口413按固定频率发射声波脉冲信号和包络信号。

如图5所示的信号采集子系统130包含两片FPGA 510、FPGA 511、可变增益放大器520和高集成度AD芯片530。信号采集子系统130对两条一维换能器线阵的输入信号进行放大、滤波、同步采样和DFT计算，两片FPGA 510、FPGA 511分别对应处理一条线阵的模拟输入。FPGA 510、FPGA 511通过命令接口与信号交互子系统120进行命令交互，控制同步采样工作；同时，可变增益放大器520接收命令接口的控制信号，实现信号实时增益控制(TimeVaried Gain，TVG)；高集成度AD芯片530完成多通道AD转换。

一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置的工作流程具体如下：

1、帧率和TVG参数配置

信号处理子系统110通过PCIe总线向信号交互子系统120中FPGA 410配置帧率和TVG参数；然后，信号交互子系统120中FPGA 410通过命令接口412对信号采集子系统130进行TVG参数配置，控制可变增益放大器510实现TVG增益。

2、发射信号

信号交互子系统120控制发射接口413按一定时序发射声波，等待回波到达系统后，通过命令接口412向信号采集子系统130下发同步采样命令，实现同步采样控制。

3、信号采集子系统数据采集和DFT计算

信号采集子系统130接收到命令接口412下发的START信号后，控制放大器、滤波器、可变增益放大器520和AD芯片530开始工作，对采集到的两条线阵声学回波信号进行放大，滤波和AD转换，可变增益放大器520接收TVG增益参数实现TVG功能，FPGA510对采样数据进行傅里叶变换，然后通过并行传输接口将DFT数据以传输时钟的双倍速率(DDR)传输至信号交互子系统120。

4、信号交互子系统数据接收与转发

信号交互子系统120同步接收多个信号采集子系统130上传的多组DFT数据，FPGA310对每帧多组DFT数据进行同步缓存、整理与打包，通过PCIe总线传输至信号处理子系统110，实现多组信号采集子系统130与信号处理子系统110之间高速数据交互与数据同步传输。

5、信号处理子系统数据接收，处理，传输，控制下一次发射

信号处理子系统110通过PCIe总线接收信号交互子系统120传输的DFT数据，Jetson TX1嵌入式GPU模组310实现波束形成算法和互谱法分析的实时计算，将二维声学图像数据和目标三维定位结果通过千兆以太网接口313传输至上位机进行显示。

上述具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，运用模块化设计，系统包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、信号采集子系统。系统以JetsonTX1嵌入式GPU模组为核心，Jetson TX1嵌入式GPU模组拥有OpenGL ES 3.1,OpenGL 4.5,DirectX 12.0和CUDA 6等特性，具有高性能的图像并行处理能力，丰富的高速数据互连接口，十分适用于多波束成像声纳实时信号处理装置高速率数据传输与图像算法高效计算。通过对两条一维线阵接收的声学信号进行波束形成计算和互谱法分析，可以实现对水下二维声学图像的实时显示和目标的三维坐标估计。同时，通过信号交互子系统，可实现信号处理子系统与多个信号采集子系统高速数据交互，使得装置的探测范围进一步扩大。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、多个信号采集子系统；

所述信号采集子系统包含并行的至少2个采集组件，每个采集组件受信号交互子系统控制同步并行采集多条一维声纳线阵数据，并对采集数据进行预处理后传输至信号交互子系统；

所述信号交互子系统基于嵌入式GPU信号处理子系统的控制来同时控制多个信号采集子系统采集声纳线阵数据，作为中间桥梁实现嵌入式GPU信号处理子系统与信号采集子系统之间声纳线阵数据的传输；

所述嵌入式GPU信号处理子系统控制信号交互子系统传输声纳线阵数据，并对接收的声纳线阵数据进行互谱法计算，配合波束形成算法获得的二维声学图像数据，将互谱法分析与波束形成计算结果相结合就能得到目标在深度方向的角度信息，进而能够实现对目标的三维定位估计，二维声学图像数据和三维定位估计上传至上位机以显示；

其中，设线阵1和线阵2接收信号分别为x₁(t)和x₂(t)，两阵存在接收信号时延t₁，假设x₂(t)＝x₁(t-t₁)，F₁(f)和F₂(f)分别表示对x₁(t)和x₂(t)的傅里叶变换，则

x₁(t)和x₂(t)的互相关谱Z(f)为：

Z(f)的相位角φ为

φ ＝ 2πft₁ ＝ arg[Z( f )] (4)

带入公式(4)可得角度信息θ：

2.如权利要求1所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述采集组件包括放大器、滤波器、可变增益放大器VGA、AD芯片以及FPGA，依次实现对采集声纳线阵数据的放大、滤波、实时增益控制以及离散傅里叶变换计算；

所述采集组件还包括与FPGA连接的并行数据传输接口和命令接口，分别用于传输离散傅里叶变换数据和命令。

3.如权利要求1所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述信号交互子系统包括包含FPGA，PCIe总线，发射接口，命令接口和多组并行数据传输接口，实现对多个信号采集子系统和信号处理子系统进行高带宽数据交换和命令控制。

4.如权利要求1所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述嵌入式GPU信号处理子系统包括嵌入式GPU模组，扩展PCIe总线，千兆以太网接口，备用接口，调试接口，复位接口，通过扩展PCIe总线完成离散傅里叶变换数据接收，嵌入式GPU模组实现对离散傅里叶变换数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果，并通过千兆以太网接口进行上传，通过备用接口，调试接口，复位接口实现命令控制。

5.如权利要求1所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述嵌入式GPU信号处理子系统采用Jetson TX1嵌入式GPU模组。

6.如权利要求3所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述信号交互子系统控制发射接口按一定时序发射声波，等待回波到达系统后，通过命令接口向信号采集子系统下发同步采样命令，实现同步采样控制。

7.如权利要求2所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述多波束成像声纳实时信号处理装置的工作流程为：

(1)信号处理子系统通过PCIe总线向信号交互子系统中FPGA配置帧率和TVG参数；然后，信号交互子系统中FPGA通过命令接口对信号采集子系统进行TVG参数配置，控制可变增益放大器实现TVG增益；

(2)信号交互子系统控制发射接口按一定时序发射声波，等待回波到达系统后，通过命令接口向信号采集子系统下发同步采样命令，实现同步采样控制；

(3)信号采集子系统接收到命令接口下发的START信号后，控制放大器、滤波器、可变增益放大器和AD芯片开始工作，对采集到的两条线阵声学回波信号进行放大，滤波和AD转换，可变增益放大器接收TVG增益参数实现TVG功能，FPGA对采样数据进行傅里叶变换，然后通过并行传输接口将DFT数据以传输时钟的双倍速率，传输至信号交互子系统；

(4)信号交互子系统同步接收多个信号采集子系统上传的多组DFT数据，FPGA对每帧多组DFT数据进行同步缓存、整理与打包，通过PCIe总线传输至信号处理子系统，实现多组信号采集子系统与信号处理子系统之间高速数据交互与数据同步传输；

(5)信号处理子系统通过PCIe总线接收信号交互子系统传输的DFT数据，通过嵌入式GPU模组实现波束形成算法和互谱法分析的实时计算，将二维声学图像数据和目标三维定位结果通过千兆以太网接口传输至上位机进行显示。

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