DSP并行處理在剖面聲納系統

作者：時(shí)間：2009-07-07 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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隨著(zhù)聲納技術(shù)的發(fā)展，對于聲納信號處理系統的信號處理能力也提出了越來(lái)越高的要求。傳統的主動(dòng)聲納信號處理系統大多采用專(zhuān)用的硬件結構來(lái)完成特定的數據處理任務(wù)，即換能器后端直接接入數據轉換采集器，所采集的數據經(jīng)模數轉換后送入數字信號處理器進(jìn)行處理。此類(lèi)系統只適用于固定的換能器基陣或者固定的處理速度，一旦換能器基陣變化或者處理速度要求更高，系統就無(wú)能為力了。針對以上的局限性和實(shí)際項目要求多波束剖面聲納小體積系統，設計并實(shí)現了一種基于IP網(wǎng)絡(luò )互連的、可擴展的多波束剖面聲納并行處理系統。該系統采用二片TI公司高性能網(wǎng)絡(luò )多媒體處理器TMS320DM642組成的板上流水線(xiàn)并行結構作為一個(gè)處理節點(diǎn)，并借助IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現板間互連并行處理，可根據換能器陣元和處理速度的要求適當增減處理節點(diǎn)的數目，由于各處理節點(diǎn)獨立存儲，融合數據上傳，非常適合搭載于小平臺的主動(dòng)聲納信號處理。應用于海底石油管線(xiàn)探測與定位的多波束剖面聲納系統，能夠以每秒10幀或者更高的速度完成海底石油管線(xiàn)探測與顯示。剖面聲納系統的每個(gè)處理節點(diǎn)與數據采集轉換部分采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )連接，可以通過(guò)物理上添加一個(gè)或多個(gè)處理節點(diǎn)，成倍地提高系統的信號處理能力。

1 剖面聲納系統工作原理及結構

1.1 剖面聲納工作原理

剖面聲納工作在主動(dòng)方式時(shí)，發(fā)射換能器垂直于被測海底發(fā)射一束圓錐形波束，聲波到達海底表面時(shí)，一部分能量被反射回來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)很強的回波，另一部分能量透射進(jìn)入海底內部，在海底內部繼續向深處傳播。由于海底內部介質(zhì)不連續（如海底的巖石、石油管線(xiàn)等），各介質(zhì)產(chǎn)生的回波能量，一部分被固體物質(zhì)散射而損耗，另一部分則反向散射回換能器，這部分回波包含了海底內部介質(zhì)的不連續信息。因而可以根據海底介質(zhì)的內部回波很好地反映出海底內部掩埋物體分布情況。根據機器人載體平行于海底運動(dòng)，換能器所接收的信號經(jīng)過(guò)接收機的處理傳輸到水上主機重建出海底內部剖面的二維結構圖，再根據機器人的測高、測距及定位聲納及后續處理便得到被測區域的三維剖面圖。

1.2 剖面聲納的系統結構

用于海底石油管線(xiàn)探測的多波束剖面聲納系統，既可以安裝在機器人的底部，也可以懸掛于機器人的前端，具有靈活安裝的特點(diǎn)。

根據系統實(shí)時(shí)性和準確性的考慮，將系統分為水下和水上兩個(gè)單元，中間用光纜連接。水下單元位于機器人ROV載體上，包括水下控制處理艙和換能器基陣兩個(gè)部分。水下控制處理艙主要包括DSP控制發(fā)射部分、發(fā)射機以及DSP并行處理部分；換能器基陣主要包括由寬帶大功率陣子組成的呈45°×5°指向性的發(fā)射換能器和具有9個(gè)陣元、每個(gè)陣元呈5°指向性的接收換能器，其中，接收換能器內部含有模擬信號調理電路板，能夠將換能器的模擬信號實(shí)時(shí)地轉換成數字信號并通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳輸到水下控制處理艙的DSP并行處理單元進(jìn)行相關(guān)的信號處理。水上單元主要由水上主機構成，利用其串口實(shí)時(shí)控制發(fā)射信號的功率、發(fā)射幀率、采集時(shí)刻等，通過(guò)網(wǎng)卡接收水下單元DSP處理數據并通過(guò)VC++顯示程序進(jìn)行剖面結構信息的實(shí)時(shí)顯示。剖面聲納系統結構圖如圖1所示。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/258004.htm接收換能器部分負責將接收換能器接收的模擬信號進(jìn)行信號調理，包括放大、濾波、自動(dòng)增益控制（AGC），并按照500kHz采樣率轉換成數字信號，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到水下控制處理艙的DSP并行處理單元。該部分采用網(wǎng)絡(luò )數據傳輸是因為：一方面由于網(wǎng)絡(luò )物理層數據傳輸速度快，可以滿(mǎn)足9路A/D的500kHz采樣率及16bit的數據輸出，使數據的傳輸與模擬信號的采集同步；另一方面，采用IP網(wǎng)絡(luò )互連既可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的連接，也可以實(shí)現一點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收。這樣就可以實(shí)現主動(dòng)聲納的分幀處理，即利用一個(gè)接收點(diǎn)處理一定幀的數據量，利用多個(gè)接收點(diǎn)處理一批幀的數據量，從而提高了系統的整體處理速度，使系統以更高的刷新幀率進(jìn)行剖面結構的顯示。

2 基于IP互連的DSP并行處理結構

2.1 流水線(xiàn)并行的DSP處理板結構

多波束剖面聲納系統采用35k～65kHz寬帶線(xiàn)形調頻信號進(jìn)行探測，系統的采樣頻率為500kHz，接收9路的基陣信號，并且要求系統具有較高的探測能力，所以采集時(shí)間定為15ms以上，探測有效距離大于11米。進(jìn)行海底的剖面探測時(shí)，需要對接收的多波束接收信號進(jìn)行帶內補償、波束形成、頻域相關(guān)算法、旁瓣抑制以及FIR濾波等處理，系統要求能夠在10幀/秒以上實(shí)時(shí)顯示剖面結果并且存盤(pán)。

為了滿(mǎn)足多波束剖面聲納的高速、大容量數據的實(shí)時(shí)信號處理需求，在信號處理系統部分采用了以二片DSP TMS320DM642組成的流水線(xiàn)并行結構，如圖2所示。

TMS320DM642是TI公司2004年推出的多媒體處理器，具有最高720MHz的主頻，單片峰值處理能力為5 760MIPS，而且該芯片具有10M/100M以太網(wǎng)接口，可以方便地實(shí)現處理板間的網(wǎng)絡(luò )數據互連，從而可以實(shí)現系統的并行數據處理。

圖2中，左端DSP為從DSP，通過(guò)其自身網(wǎng)口與接收換能器內的數據轉換網(wǎng)絡(luò )連接，根據顯示速度要求，接收轉換后的信號數據，并存儲到其外圍的SDRAM中。當接收到一幀信號數據時(shí)轉入并行處理程序，左右兩片DSP采用流水線(xiàn)并行處理方式。

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