DSP并行處理在剖面聲納系統(tǒng)
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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方式時，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，一部分能量被反射回來，產(chǎn)生一個很強的回波，另一部分能量透射進入海底內(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換能器，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)機器人載體平行于海底運動，換能器所接收的信號經(jīng)過接收機的處理傳輸?shù)剿现鳈C重建出海底內(nèi)部剖面的二維結(jié)構(gòu)圖，再根據(jù)機器人的測高、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。
根據(jù)系統(tǒng)實時性和準確性的考慮，將系統(tǒng)分為水下和水上兩個單元，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個陣元、每個陣元呈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能器的模擬信號實時地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過IP網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)剿驴刂铺幚砼摰?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/DSP">DSP并行處理單元進行相關(guān)的信號處理。水上單元主要由水上主機構(gòu)成，利用其串口實時控制發(fā)射信號的功率、發(fā)射幀率、采集時刻等，通過網(wǎng)卡接收水下單元DSP處理數(shù)據(jù)并通過VC++顯示程序進行剖面結(jié)構(gòu)信息的實時顯示。剖面聲納系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
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，所以采集時間定為15ms以上，探測有效距離大于11米。進行海底的剖面探測時，需要對接收的多波束接收信號進行帶內(nèi)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(tǒng)要求能夠在10幀/秒以上實時顯示剖面結(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)的實時信號處理需求，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。
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。當接收到一幀信號數(shù)據(jù)時轉(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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