DSP并行處理在剖面聲納系統(tǒng)

作者：時(shí)間：2009-07-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

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隨著聲納技術(shù)的發(fā)展，對于聲納信號處理系統(tǒng)的信號處理能力也提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的主動(dòng)聲納信號處理系統(tǒng)大多采用專用的硬件結(jié)構(gòu)來完成特定的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，即換能器后端直接接入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集器，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字信號處理器進(jìn)行處理。此類系統(tǒng)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(tǒng)就無能為力了。針對以上的局限性和實(shí)際項(xiàng)目要求多波束剖面聲納小體積系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于IP網(wǎng)絡(luò)互連的、可擴(kuò)展的多波束剖面聲納并行處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二片TI公司高性能網(wǎng)絡(luò)多媒體處理器TMS320DM642組成的板上流水線并行結(jié)構(gòu)作為一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，并借助IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)板間互連并行處理，可根據(jù)換能器陣元和處理速度的要求適當(dāng)增減處理節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，由于各處理節(jié)點(diǎn)獨(dú)立存儲，融合數(shù)據(jù)上傳，非常適合搭載于小平臺的主動(dòng)聲納信號處理。應(yīng)用于海底石油管線探測與定位的多波束剖面聲納系統(tǒng)，能夠以每秒10幀或者更高的速度完成海底石油管線探測與顯示。剖面聲納系統(tǒng)的每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換部分采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，可以通過物理上添加一個(gè)或多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，成倍地提高系統(tǒng)的信號處理能力。

1 剖面聲納系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

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(dá)海底表面時(shí)，一部分能量被反射回來，產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的回波，另一部分能量透射進(jìn)入海底內(nèi)部，在海底內(nèi)部繼續(xù)向深處傳播。由于海底內(nèi)部介質(zhì)不連續(xù)（如海底的巖石、石油管線等），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?fù)Q能器，這部分回波包含了海底內(nèi)部介質(zhì)的不連續(xù)信息。因而可以根據(jù)海底介質(zhì)的內(nèi)部回波很好地反映出海底內(nèi)部掩埋物體分布情況。根據(jù)機(jī)器人載體平行于海底運(yùn)動(dòng)，換能器所接收的信號經(jīng)過接收機(jī)的處理傳輸?shù)剿现鳈C(jī)重建出海底內(nèi)部剖面的二維結(jié)構(gòu)圖，再根據(jù)機(jī)器人的測高、測距及定位聲納及后續(xù)處理便得到被測區(qū)域的三維剖面圖。

1.2 剖面聲納的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的考慮，將系統(tǒng)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(jī)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(jī)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(nèi)部含有模擬信號調(diào)理電路板，能夠?qū)Q能器的模擬信號實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿驴刂铺幚砼摰?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/DSP">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(jī)構(gòu)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，通過網(wǎng)卡接收水下單元DSP處理數(shù)據(jù)并通過VC++顯示程序進(jìn)行剖面結(jié)構(gòu)信息的實(shí)時(shí)顯示。剖面聲納系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/258004.htm接收換能器部分負(fù)責(zé)將接收換能器接收的模擬信號進(jìn)行信號調(diào)理，包括放大、濾波、自動(dòng)增益控制（AGC），并按照500kHz采樣率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿驴刂铺幚砼摰腄SP并行處理單元。該部分采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是因?yàn)椋阂环矫嬗捎诰W(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸速度快，可以滿足9路A/D的500kHz采樣率及16bit的數(shù)據(jù)輸出，使數(shù)據(jù)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(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的連接，也可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收。這樣就可以實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)量，利用多個(gè)接收點(diǎn)處理一批幀的數(shù)據(jù)量，從而提高了系統(tǒng)的整體處理速度，使系統(tǒng)以更高的刷新幀率進(jìn)行剖面結(jié)構(gòu)的顯示。

2 基于IP互連的DSP并行處理結(jié)構(gòu)

2.1 流水線并行的DSP處理板結(jié)構(gòu)

多波束剖面聲納系統(tǒng)采用35k～65kHz寬帶線形調(diào)頻信號進(jìn)行探測，系統(tǒng)的采樣頻率為500kHz，接收9路的基陣信號，并且要求系統(tǒng)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(nèi)補(bǔ)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(tǒng)要求能夠在10幀/秒以上實(shí)時(shí)顯示剖面結(jié)果并且存盤。

為了滿足多波束剖面聲納的高速、大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信號處理需求，在信號處理系統(tǒng)部分采用了以二片DSP TMS320DM642組成的流水線并行結(jié)構(gòu)，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(xiàn)處理板間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互連，從而可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)處理。

圖2中，左端DSP為從DSP，通過其自身網(wǎng)口與接收換能器內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)連接，根據(jù)顯示速度要求，接收轉(zhuǎn)換后的信號數(shù)據(jù)，并存儲到其外圍的SDRAM中。當(dāng)接收到一幀信號數(shù)據(jù)時(shí)轉(zhuǎn)入并行處理程序，左右兩片DSP采用流水線并行處理方式。

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