CN113189599B - 一种异构环境下多波束声呐成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异构环境下多波束声呐成像方法，现有方法存在处理大量回波数据时运算量庞大，导致耗费时间过长，从而难以实时成像的不足。本发明设计如下：首先将声呐接收基阵划分成多个子阵；接着CPU为回波数据所需的存储空间分配内存，并且读取每个子阵接收到的回波数据；而后将读取到的回波数据传入GPU中，GPU分别对回波数据做空间向和距离向上的二维快速傅里叶变换，再对其进行距离向脉冲压缩；最终将压缩结果从GPU传回CPU，CPU对结果进行取模，完成多波束声呐的实时成像。

Description

一种异构环境下多波束声呐成像方法
技术领域
本发明属于水声通信中多波束声呐成像技术领域，具体涉及一种基于CPU+GPU异构环境下多波束声呐成像方法。
技术背景
多波束声呐是一种水下成像声呐，其利用不同子阵接收到的回波信号相对于基准子阵的延时差，通过快速傅里叶变换把子阵域信号转换为空间域信号，形成空间指向，空域谱上的谱峰位置对应了信号的入射角度，从而实现多波束声呐对水下目标的聚焦成像。由于在水中采集到的信号信噪比较低，需要通过频域波束形成算法获得足够高的信噪比，以便对水下目标进行精准定位。
随着多波束声呐技术的不断发展，一方面，在探测小目标时对成像分辨率的要求高，原始数据量的增加导致成像速度明显变慢，难以满足多波束声呐实时性需求；另一方面，宽带波束形成的主要计算开销在于频率点和角度点的循环，运算量较大，现有技术中多波束声呐在处理数据时仅靠CPU来实现实时成像比较困难。GPU(图形处理单元)的出现为多波束声呐成像处理提供了新的平台，GPU是一种高效的通用平台并行计算协处理器，在GPU环境下可对循环进行并行化设计，再将其与CPU进行异构，可进一步提升数据处理效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中多波束成像声呐存在的耗时长、实时性差等不足，提出了一种基于异构环境的多波束声呐成像方法，可实时处理采集到的大量数据，有效缩短成像时间。
为实现上述目的，本发明选用线性调频信号为发射信号，换能器基阵为等间隔直线阵，并结合CPU+GPU异构协同处理的方法进行实时成像，将内存分配、读取回波数据和数据成像交由CPU处理，将二维快速傅里叶变换和距离向脉冲压缩交由GPU处理。各子阵的数据并行处理，有效地提高了运算效率，克服了现有技术实时性差的不足。
本发明为一种异构环境下多波束声呐成像方法，该成像方法具体包含以下步骤：
步骤(1)：对声呐发射的线性调频信号进行采样，采样后取得的数字信号s(n)如式(1)所示：
Figure BDA0003097998320000011
式(1)中，“Re()”表示取实部，“exp()”表示以自然常数e为底的指数函数，
Figure BDA0003097998320000021
f0为载波频率，K为调频率，n为离散时间序号，fs为采样频率，N为采样点数；
步骤(2)：将总长度为l的接收基阵划分为M个子阵，为满足角度分辨率的要求，子阵长度L参照
Figure BDA0003097998320000022
设置，那么子阵个数M如式(2)所示：
Figure BDA0003097998320000023
其中，λ为发射信号的波长，ΔΦ为角度分辨率；
步骤(3)：CPU为回波数据所需的存储空间分配内存，并且读取每个子阵接收到的回波数据x(m,n)，将其送入存储空间缓存，以备GPU作进一步处理，回波数据如(3)所示：
Figure BDA0003097998320000024
其中，m＝0,1,…,M-1为M个子阵的序号，αm表示接收到第m路回波的幅度衰减因子，这里τm为第m个子阵收到回波相对于基准子阵的时延，若探测距离r满足式(4)，则认为信号近似平面波传播：
Figure BDA0003097998320000025
则τm如式(5)所示：
Figure BDA0003097998320000026
式(5)中，d为子阵间隔且等于λ/2，θ为回波相对于基阵法线方向的入射角，c为声波在水中传播的速度；
步骤(4)：GPU直接调用其自带的CUFFT加速库中的cufftExecC2C函数，对回波数据x(m,n)做空间向快速傅里叶变换，如式(6)所示：
Figure BDA0003097998320000027
再对B(k,n)做距离向快速傅里叶变换，如式(7)所示：
Figure BDA0003097998320000028
步骤(5)：在GPU中将s(n)按式(8)进行变换：
Figure BDA0003097998320000029
再次调用GPU中的cufftExecC2C函数，按式(9)得到信号y(k,n)：
Figure BDA0003097998320000031
其中，()*表示复共轭运算；
步骤(6)：GPU将y(k,n)传回CPU，CPU对y(k,n)进行取模后实现成像。
作为本发明的优选，以CPU为主处理器完成分配回波数据所需的内存、读取回波数据和数据成像，以GPU为协处理器实现二维快速傅里叶变换和距离向脉冲压缩；在空间向处理时，在GPU中直接调用CUFFT库函数对回波数据并行处理；在距离向处理时，通过沿空间向子阵的划分，使得GPU对回波数据同时并行处理。
异构环境下多波束声呐成像方法执行完成。
本发明具有的有益效果是：本发明针对多波束声呐成像，本发明所提的基于CPU+GPU异构环境下成像具有实时性好的优点，通过数据处理任务的分割，能够完成多子阵数据的并行处理，解决了目前多波束声呐成像处理方法因所需的庞大运算量带来的成像耗时长和实时性差的不足。
具体实施方式
以下对本发明作进一步说明。
一种异构环境下多波束声呐成像方法，包括以下步骤：
步骤(1)：对声呐发射的线性调频信号进行采样，采样后取得的数字信号s(n)如式(1)所示：
Figure BDA0003097998320000032
式(1)中，“Re()”表示取实部，“exp()”表示以自然常数e为底的指数函数，
Figure BDA0003097998320000033
f0为载波频率，K为调频率，n为离散时间序号，fs为采样频率，N为采样点数；
步骤(2)：将总长度为l的接收基阵划分为M个子阵，为满足角度分辨率的要求，子阵长度L参照
Figure BDA0003097998320000034
设置，那么子阵个数M如式(2)所示：
Figure BDA0003097998320000035
其中，λ为发射信号的波长，ΔΦ为角度分辨率；
步骤(3)：CPU为回波数据所需的存储空间分配内存，并且读取每个子阵接收到的回波数据x(m,n)，将其送入存储空间缓存，以备GPU作进一步处理，回波数据如(3)所示：
Figure BDA0003097998320000041
其中，m＝0,1,…,M-1为M个子阵的序号，αm表示接收到第m路回波的幅度衰减因子，这里τm为第m个子阵收到回波相对于基准子阵的时延，若探测距离r满足式(4)，则认为信号近似平面波传播：
Figure BDA0003097998320000042
则τm如式(5)所示：
Figure BDA0003097998320000043
式(5)中，d为子阵间隔且等于λ/2，θ为回波信号相对于基阵法线方向的入射角，c为声波在水中传播的速度；
步骤(4)：GPU直接调用其自带的CUFFT加速库中的cufftExecC2C函数，对回波数据x(m,n)做空间向快速傅里叶变换，如式(6)所示：
Figure BDA0003097998320000044
再对B(k,n)做距离向快速傅里叶变换，如式(7)所示：
Figure BDA0003097998320000045
步骤(5)：在GPU中将s(n)按式(8)进行变换：
Figure BDA0003097998320000046
再次调用GPU中的cufftExecC2C函数，按式(9)得到信号y(k,n)：
Figure BDA0003097998320000047
其中，()*表示复共轭运算；
步骤(6)：GPU将y(k,n)传回CPU，CPU对y(k,n)进行取模后实现成像。
异构环境下多波束声呐成像方法执行完成。
本实施例针对多波束声呐成像，本发明所提的基于CPU+GPU异构环境下成像具有实时性好的优点，通过数据处理任务的分割，能够完成多子阵数据的并行处理，解决了目前多波束声呐成像处理方法因所需的庞大运算量带来的成像耗时长和实时性差的不足。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (2)

1.一种异构环境下多波束声呐成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：对声呐发射的线性调频信号进行采样，采样后取得的数字信号s(n)如式(1)所示：
Figure FDA0003097998310000011
式(1)中，“Re()”表示取实部，“exp()”表示以自然常数e为底的指数函数，
Figure FDA0003097998310000018
f0为载波频率，K为调频率，n为离散时间序号，fs为采样频率，N为采样点数；
步骤(2)：将总长度为l的接收基阵划分为M个子阵，为满足角度分辨率的要求，子阵长度L参照
Figure FDA0003097998310000012
设置，那么子阵个数M如式(2)所示：
Figure FDA0003097998310000013
其中，λ为发射信号的波长，ΔΦ为角度分辨率；
步骤(3)：CPU为回波数据所需的存储空间分配内存，并且读取每个子阵接收到的回波数据x(m,n)，将其送入存储空间缓存，以备GPU作进一步处理，回波数据如(3)所示：
x(m,n)＝αms(n-τmfs)
Figure FDA0003097998310000014
其中，m＝0,1,…,M-1为M个子阵的序号，αm表示接收到第m路回波的幅度衰减因子，这里τm为第m个子阵收到回波相对于基准子阵的时延，若探测距离r满足式(4)，则判定信号近似平面波传播：
Figure FDA0003097998310000015
则τm如式(5)所示：
Figure FDA0003097998310000016
式(5)中，d为子阵间隔且等于λ/2，θ为回波相对于基阵法线方向的入射角，c为声波在水中传播的速度；
步骤(4)：GPU直接调用其自带的CUFFT加速库中的cufftExecC2C函数，对回波数据x(m,n)做空间向快速傅里叶变换，如式(6)所示：
Figure FDA0003097998310000017
再对B(k,n)做距离向快速傅里叶变换，如式(7)所示：
Figure FDA0003097998310000021
步骤(5)：在GPU中将数字信号s(n)按式(8)进行变换：
Figure FDA0003097998310000022
再次调用GPU中的cufftExecC2C函数，按式(9)得到信号y(k,n)：
Figure FDA0003097998310000023
其中，()*表示复共轭运算；
步骤(6)：GPU将y(k,n)传回CPU，CPU对y(k,n)进行取模后实现成像。
2.根据权利要求1所述的一种异构环境下多波束声呐成像方法，其特征在于：以CPU为主处理器完成分配回波数据所需的内存、读取回波数据和数据成像，以GPU为协处理器实现二维快速傅里叶变换和距离向脉冲压缩；在空间向处理时，在GPU中直接调用CUFFT库函数对回波数据并行处理；在距离向处理时，通过沿空间向子阵的划分，使得GPU对回波数据同时并行处理。
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