摘 要： 針對多波束" title="多波束">多波束剖面聲納的高速、大容量的實時信號處理任務(wù)以及聲納系統(tǒng)進一步擴展的更高處理速度的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于IP網(wǎng)絡(luò)互連的、以并行DSP為處理節(jié)點的信號處理系統(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" 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)字信號處理器進行處理。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際項目要求多波束剖面聲納小體積系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于IP網(wǎng)絡(luò)互連的、可擴展的多" 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)作為一個處理節(jié)點，并借助IP網(wǎng)絡(luò)實現(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)點的數(shù)目，由于各處理節(jié)點獨立存儲，融合數(shù)據(jù)上傳，非常適合搭載于小平臺的主動聲納信號處理。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)" 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與顯示。剖面聲納系統(tǒng)的每個處理節(jié)點與數(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或多個處理節(jié)點，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?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(zhǔn)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)剿驴刂铺幚砼摰腄SP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。
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行信號調(diào)理，包括放大、濾波、自動增益控制（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)傳輸是因為：一方面由于網(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)互連既可以實現(xiàn)點對點的連接，也可以實現(xiàn)一點發(fā)送多點接收。這樣就可以實現(xiàn)主動聲納的分幀處理，即利用一個接收點處理一定幀的數(shù)據(jù)量，利用多個接收點處理一批幀的數(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。
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，可以方便地實現(xiàn)處理板間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互連，從而可以實現(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。
并行處理時左端DSP負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，右端主DSP通過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)，同時左右兩端的DSP通過雙端口FIFO進行數(shù)據(jù)交換、郵箱信息傳遞等。為了保證信號處理時左右兩端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)進行劃分：多波束剖面聲納信號處理需要將9路波束數(shù)據(jù)(每路7 500點16bit)進行FFT、頻域波束形成、頻域相關(guān)算法、IFFT、時域FIR濾波、時域加權(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，則可以利用多個任務(wù)在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套設(shè)備上的不同運算單元，來加快系統(tǒng)的計算速度，流水線的并行執(zhí)行大大降低了整個系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行時間。為了保證兩個DSP的負(fù)載平衡，使系統(tǒng)工作時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)進行了劃分。系統(tǒng)單個DSP負(fù)載的劃分如圖3所示。
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以1秒鐘單板實現(xiàn)5幀數(shù)據(jù)顯示為例，將系統(tǒng)任務(wù)細(xì)分成時間相等的幾個子過程，分配給處理板各個部件流水執(zhí)行。流水線的最大吞吐率取決于子過程所經(jīng)過的時間，該時間越小，流水線的最大吞吐率越高。系統(tǒng)流水處理的時間-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15ms的采集時間可以達到10幀/秒的數(shù)據(jù)處理速度，基本上可以達到顯示需求。但如果系統(tǒng)要求更長的探測距離、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，就應(yīng)當(dāng)使系統(tǒng)的處理速度達到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，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，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需太多修改，只需要修改板上對應(yīng)的IP地址，使接收換能器數(shù)據(jù)發(fā)送端能夠一點對二點分別發(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IP地址即可。系統(tǒng)上電后，先檢測局域網(wǎng)內(nèi)的IP數(shù)目，并通過發(fā)包回包方式獲得系統(tǒng)中各個處理板的IP地址，也可以實現(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)再通過網(wǎng)絡(luò)分別上傳到水上主機端顯示，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網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)送到水上主機端。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)上傳時主機通過路由器接收不同處理板的處理結(jié)果，并按照幀率進行顯示，這樣就可以通過增加處理板來增加系統(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)計合理、工作穩(wěn)定、工作效果明顯。
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