摘 要： 針對(duì)多波束" title="多波束">多波束剖面聲納的高速、大容量的實(shí)時(shí)信號(hào)處理任務(wù)以及聲納系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的更高處理速度的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于IP網(wǎng)絡(luò)互連的、以并行DSP為處理節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 剖面聲納 IP網(wǎng)絡(luò)? 并行? DSP
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隨著聲納技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于聲納信號(hào)處理系統(tǒng)的信號(hào)處理能力也提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的主動(dòng)聲納信號(hào)處理系統(tǒng)大多采用專用的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)完成特定的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，即換能器" title="換能器">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(hào)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(wú)能為力了。針對(duì)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" title="的多">的多波束剖面聲納并行處理" title="并行處理">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(chǔ)，融合數(shù)據(jù)上傳，非常適合搭載于小平臺(tái)的主動(dòng)聲納信號(hào)處理。應(yīng)用于海底石油管線探測(cè)與定位的多波束剖面聲納系統(tǒng)" title="剖面聲納系統(tǒng)">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(cè)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(guò)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(hào)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(cè)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(lái)，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(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)高、測(cè)距及定位聲納及后續(xù)處理便得到被測(cè)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(cè)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(hào)調(diào)理電路板，能夠?qū)Q能器的模擬信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿驴刂铺幚砼摰腄SP并行處理單元進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)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(hào)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(shù)據(jù)并通過(guò)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。
接收換能器部分負(fù)責(zé)將接收換能器接收的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)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(hào)，然后通過(guò)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(hào)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(duì)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(hào)進(jìn)行探測(cè)，系統(tǒng)的采樣頻率為500kHz，接收9路的基陣信號(hào)，并且要求系統(tǒng)具有較高的探測(cè)能力，所以采集時(shí)間定為15ms以上，探測(cè)有效距離大于11米。進(jìn)行海底的剖面探測(cè)時(shí)，需要對(duì)接收的多波束接收信號(hào)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(hào)處理需求，在信號(hào)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(guò)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(hào)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到其外圍的SDRAM中。當(dāng)接收到一幀信號(hào)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。
并行處理時(shí)左端DSP負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，右端主DSP通過(guò)HPI接口讀取左端DSP的內(nèi)部數(shù)據(jù)及外部SDRAM的數(shù)據(jù)，同時(shí)左右兩端的DSP通過(guò)雙端口FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、郵箱信息傳遞等。為了保證信號(hào)處理時(shí)左右兩端DSP的負(fù)載平衡，系統(tǒng)將剖面聲納系統(tǒng)需要處理的任務(wù)進(jìn)行劃分：多波束剖面聲納信號(hào)處理需要將9路波束數(shù)據(jù)(每路7 500點(diǎn)16bit)進(jìn)行FFT、頻域波束形成、頻域相關(guān)算法、IFFT、時(shí)域FIR濾波、時(shí)域加權(quán)壓制旁瓣等算法處理。如果TI DSP所采用的指令，其“取指”、“分析”、“執(zhí)行”三大操作步驟采用流水線工作流程，則可以利用多個(gè)任務(wù)在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套設(shè)備上的不同運(yùn)算單元，來(lái)加快系統(tǒng)的計(jì)算速度，流水線的并行執(zhí)行大大降低了整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。為了保證兩個(gè)DSP的負(fù)載平衡，使系統(tǒng)工作時(shí)流水線并行處理板能夠真正地以流水線的形式并行處理剖面的數(shù)據(jù)，將每塊并行處理板內(nèi)任務(wù)進(jìn)行了劃分。系統(tǒng)單個(gè)DSP負(fù)載的劃分如圖3所示。
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以1秒鐘單板實(shí)現(xiàn)5幀數(shù)據(jù)顯示為例，將系統(tǒng)任務(wù)細(xì)分成時(shí)間相等的幾個(gè)子過(guò)程，分配給處理板各個(gè)部件流水執(zhí)行。流水線的最大吞吐率取決于子過(guò)程所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，該時(shí)間越小，流水線的最大吞吐率越高。系統(tǒng)流水處理的時(shí)間-空間圖如圖4所示。
2.2 板間基于IP互連的并行處理
基于IP網(wǎng)路互連通路，本文設(shè)計(jì)了板間的基于IP互連的并行處理結(jié)構(gòu)。
多波束剖面聲納系統(tǒng)的每塊DSP處理板內(nèi)部并行針對(duì)15ms的采集時(shí)間可以達(dá)到10幀/秒的數(shù)據(jù)處理速度，基本上可以達(dá)到顯示需求。但如果系統(tǒng)要求更長(zhǎng)的探測(cè)距離、更多的數(shù)據(jù)量和更高的顯示幀率，則需要并行處理板具有更高的數(shù)據(jù)吞吐能力。如顯示部分要求20幀/秒的顯示速度時(shí)，就應(yīng)當(dāng)使系統(tǒng)的處理速度達(dá)到20幀/秒。普通的并行處理結(jié)構(gòu)增加系統(tǒng)的處理單元時(shí)需要做大量的輔助工作，如電子系統(tǒng)的程序、邏輯以及電路板需要大量的改進(jìn)，而基于IP互連的多波束剖面聲納系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在增加系統(tǒng)的處理速度時(shí)，只需物理上增加一塊相同的處理板，且板上的邏輯和程序無(wú)需太多修改，只需要修改板上對(duì)應(yīng)的IP地址，使接收換能器數(shù)據(jù)發(fā)送端能夠一點(diǎn)對(duì)二點(diǎn)分別發(fā)送分幀數(shù)據(jù)。而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送端只需在每一幀的數(shù)據(jù)包的包頭上標(biāo)明發(fā)往哪個(gè)IP地址即可。系統(tǒng)上電后，先檢測(cè)局域網(wǎng)內(nèi)的IP數(shù)目，并通過(guò)發(fā)包回包方式獲得系統(tǒng)中各個(gè)處理板的IP地址，也可以實(shí)現(xiàn)在板上的程序中固定IP地址。這樣數(shù)據(jù)發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可以循環(huán)地將每一幀的數(shù)據(jù)發(fā)往不同的處理板，而系統(tǒng)的處理板分別處理每幀的數(shù)據(jù)再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分別上傳到水上主機(jī)端顯示，從而線性地提高了系統(tǒng)的處理速度。
圖5詳細(xì)闡述了1～3塊處理板組成的基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟⑿刑幚戆宓南到y(tǒng)處理流程。利用每塊處理板上的兩塊TMS320 DM642的網(wǎng)絡(luò)接口以及DSP的高速處理能力，能夠很好地實(shí)現(xiàn)基于IP互連網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟⑿刑幚?，接收換能器的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送端以服務(wù)器形式向不同的IP地址發(fā)送每一幀數(shù)據(jù)，每塊處理板接收的每幀數(shù)據(jù)分別處理后再由另一端口通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)送到水上主機(jī)端。為防止每塊處理板上的兩塊DSP的網(wǎng)絡(luò)IP混淆，采用相同的IP地址，數(shù)據(jù)上傳時(shí)主機(jī)通過(guò)路由器接收不同處理板的處理結(jié)果，并按照幀率進(jìn)行顯示，這樣就可以通過(guò)增加處理板來(lái)增加系統(tǒng)的顯示處理速度。
基于DSP并行處理結(jié)構(gòu)的多波束剖面聲納系統(tǒng)是利用剖面聲納從淺海、淺地層剖面結(jié)構(gòu)分析到海洋石油管線探測(cè)以及從以往利用單波束剖面聲納到現(xiàn)在利用多波束剖面聲納的一次新的嘗試，結(jié)合工程應(yīng)用改進(jìn)了聲納的技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)中提出的流水線并行處理結(jié)構(gòu)以及基于IP網(wǎng)絡(luò)互連的并行處理結(jié)構(gòu)成倍地提高了系統(tǒng)的處理速度。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、工作效果明顯。
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