一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置，运用模块化设计，系统包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、信号采集子系统。系统以Tegra K1嵌入式GPU处理器为核心，Tegra K1嵌入式GPU处理器拥有OpenGL4.4、OpenGL ES 3.1和CUDA等特性，具有高性能的图像并行处理能力，丰富的高速数据互连接口，十分适用于三维声学成像实时信号处理装置高速率数据传输与图像算法高效计算。同时，通过信号交互子系统，可实现信号处理子系统与多个信号采集子系统高速数据交互，整个系统具有强大的数据交互能力和信号实时并行处理能力。

A three-dimensional acoustic imaging real time signal processing device based on embedded processor

The invention discloses a real-time signal processing of 3D acoustic imaging device based on embedded processor, using modular design, embedded GPU system includes signal processing subsystem, signal acquisition subsystem, interactive system. System based on Tegra K1 embedded processor GPU as core, Tegra K1 embedded GPU processor with OpenGL4.4, OpenGL ES and CUDA 3.1 characteristics, the parallel processing ability of the image with high performance, high speed data interface for the interconnection of the rich, very suitable for the three-dimensional acoustic imaging real-time signal processing device of high-speed data transmission and efficient image algorithm calculation. At the same time, through the signal interaction subsystem, which can realize high speed data signal processing subsystem and a plurality of signal acquisition subsystem interaction, the whole system has real-time parallel processing ability of data interaction ability and strong signal.

【技术实现步骤摘要】
一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置
本专利技术属于三维声学成像图像处理领域，具体涉及一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置。
技术介绍
相控阵三维声学成像作为近些年水下应用领域的重要革新之一，具有分辨率高、实时性强、可观测目标三维信息以及动目标识别等优势，在水下生物学、物理学、考古学、地理学及军事等水下应用领域中扮演着越来越重要的角色，已经成为了当前研究的热点。各国政府、机构和学者对相控阵三维声学声学成像系统的开展了相关研究。2004年，意大利政府资助维罗纳大学、佛罗伦萨大学、热那亚大学、米兰大学等六所大学开展了低成本三维成像与建模自动化系统的研究。意大利热那亚大学的A.Trucco教授领导的A3US实验室对相控阵三维声学成像系统的稀疏阵列设计、实时波束形成和图像处理算法展开了深入了研究。但是，目前国际上只有英国CodaOctopus公司成功研制出相控阵三维声学成像产品，相控阵三维声学成像实时信号处理相关技术一直被欧盟等发达国家所垄断。在国内，中国船舶重工集团第715研究所与浙江大学数字技术及仪器研究所合作研制开发的国内首台相控阵三维声纳成像系统，填补了国内空白，该系统采用48×48路二维平面接收换能器阵列，探测距离200米，角度分辨率0.4°，距离分辨率2厘米。哈尔滨工业大学桑方恩教授团队基于16×8二维平面阵列，实现了用于水下机器人视觉的三维声纳成像系统。虽然相控阵三维声学成像系统相关的研究至今已取得了一定的进展，但是为满足工程应用需求，仍需解决以下难题：1)实时三维声学成像算法所需要的数字信号处理计算量非常庞大，难以实现实时计算；2)低功耗和小型化条件下的超高速嵌入式并行实时计算系统开发，并对三维图像进行有效的重建、识别与分析；3)系统采用的声学接收阵列包含多达几千个换能器，原始采样数据量庞大。Nvidia公司最新推出的TegraK1嵌入式GPU处理器是具有192个核心的开普勒架构GPU，专为执行复杂的几何和数值计算而设计，拥有强大的3D图像加速功能和强于CPU数十倍乃至上百倍的浮点计算性能。在3D图像处理方面，TegraK1嵌入式GPU支持业界广泛采用的3D图形程序接口OpenGL4.4和OpenGLES3.1，通过硬件加速，高效率地实现3D图像处理和显示；在数值计算方面，TegraK1嵌入式GPU具有192个CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)核心，具有325GFLOPS超强浮点计算性能，非常适合于密集型数据和大规模并行数据计算。同时，TegraK1嵌入式GPU采用优化的开普勒架构，通过电源管理单元(PowerManagementUnit，PMU)监控各个电源，提高电源效率，有效降低功耗。阵列稀疏采样是指仅对感兴趣的阵元位置的通道进行采样，可以解决全布阵换能器阵列带来采样数据高带宽，高计算量、高功耗的问题。阵列稀疏采样后，需乘以相应权重系数以抑制旁瓣峰值。现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)具有I/O管脚丰富，时序控制精确，管脚定义灵活的特点。在同步信号的触发下，可实现多片FPGA对大规模阵列进行同步采样；FPGA管脚根据需求将管脚定义为多组LVDS接口，实现一片主FPGA通过多组LVDS接口与多片子FPGA互连，完成多片子FPGA至主FPGA高速数据同步传输。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置，该装置有效地解决采样数据带宽高、三维声学成像算法难以实现实时计算以及低功耗和小型化条件下系统开发的难题。一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置，包括：多个信号采集子系统、信号交互子系统、嵌入式GPU信号处理子系统，所述的信号采集系统根据嵌入式GPU信号处理子系统发来的命令采集和接收声学阵列中任意通道的信号数据，并对信号数据进行预处理，然后将预处理数据通过所述的信号交互子系统发送至嵌入式GPU信号处理子系统；所述的嵌入式GPU信号处理子系统对接收的预处理数据进行处理，得到图像数据。所述的信号采集子系统包括：命令接口，用于接收嵌入式GPU信号处理子系统发送的命令，并将该命令输送至FPGA芯片；FPGA芯片，用于根据接收的命令控制可编程开关对换能器阵列中任意通道开启或关闭，接收对换能器阵列中部分通道的信号数据经过处理后的预处理数据；并根据预处理数据控制程控放大芯片实现实时增益控制，且将预处理数据发送至LVDS接口；可编程开关，用于控制换能器阵列中任意通道开启或关闭，实现三维声学成像换能器阵列稀疏化；放大滤波芯片，用于对接收和采集的模拟信号数据进行放大和滤波处理；程控放大芯片，用于根据FPGA芯片发来的控制信号进行实时增益，并对接收的模拟信号数据进行放大；AD芯片，用于将处理后的模拟信号数据转化为数字信号数据，得到预处理数据，并将预处理数据发送至FPGA芯片；LVDS，用于将接收的FPGA芯片中的预处理数据转送至信号交互子系统。以上的信号采集子系统完成多路通道声学信号同步采样，放大，滤波，实时增益控制TVG(TimeVariedGain，TVG)，预处理和数据传输。所述的信号交互子系统包含：命令接口，用于接收信号采集子系统和嵌入式GPU信号处理子系统发来的命令，并将该些命令传送至FPGA芯片；多组LVDS，用于FPGA芯片同步接收多个信号采集子系统发送的预处理数据；FPGA芯片，FPGA芯片根据信号采集子系统发来的命令控制多组LVDS接口接收预处理数据，并对预处理数据进行同步缓存、整理与打包，然后根据嵌入式GPU信号处理子系统发来的命令将预处理数据转送至PCIe总线；PCIe总线，用于FPGA芯片将接收的预处理数据发送至嵌入式GPU信号处理子系统。以上的信号交互子系统实现多组信号采集子系统与信号处理子系统进行高带宽数据交换和命令控制，完成信号处理子系统同步接收多组信号采集子系统的预处理数据。所述的嵌入式GPU信号处理子系统包括：命令接口，用于嵌入式GPU发送命令至信号交互子系统和信号采集子系统；PCIe总线，用于接收信号交互子系统发送来的预处理数据，并将该数据转送至TegraK1嵌入式GPU处理器；该PCIe总线实现最高20Gbps数据传输速率，满足三维声纳预处理数据传输带宽；TegraK1嵌入式GPU处理器，用于控制PCIe总线接收数据，对接收的预处理数据进行计算，得到图像数据，并控制千兆以太网芯片、光纤收发芯片对图像数据的远距离传输，DSI显示接口对图像数据的显示；发射接口，用于控制声波按一定时序进行发射；千兆以太网芯片、千兆以太网接口，用于实现对图像数据的远距离传输；光纤收发芯片、千兆光口，用于通过光纤实现对图像数据的远距离传输；DSI显示接口，用于将图像数据传输至显示屏，实施显示三维数据；调试接口，用于接收外部发来对嵌入式GPU信号处理子系统进行调试的命令。以上的嵌入式GPU信号处理子系统完成了预处理数据接收，三维声纳图像算法的实时计算，图像数据传输和命令控制。所述的TegraK1嵌入式GPU处理器拥有OpenGL4.4，OpenGLES3.1和CUDA等特性，具有高性能的图像并行处理能力，实现三维声纳图像算法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置，其特征在于，包括：多个信号采集子系统、信号交互子系统、嵌入式GPU信号处理子系统，所述的信号采集系统根据嵌入式GPU信号处理子系统发来的命令采集和接收声学阵列中任意通道的信号数据，并对信号数据进行预处理，然后将预处理数据通过所述的信号交互子系统发送至嵌入式GPU信号处理子系统；所述的嵌入式GPU信号处理子系统对接收的预处理数据进行处理，得到图像数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置，其特征在于，包括：多个信号采集子系统、信号交互子系统、嵌入式GPU信号处理子系统，所述的信号采集系统根据嵌入式GPU信号处理子系统发来的命令采集和接收声学阵列中任意通道的信号数据，并对信号数据进行预处理，然后将预处理数据通过所述的信号交互子系统发送至嵌入式GPU信号处理子系统；所述的嵌入式GPU信号处理子系统对接收的预处理数据进行处理，得到图像数据。2.如权利要求1所述的基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的信号采集子系统包括：命令接口，用于接收嵌入式GPU信号处理子系统发送的命令，并将该命令输送至FPGA芯片；FPGA芯片，用于根据接收的命令控制可编程开关对换能器阵列中任意通道开启或关闭，接收对换能器阵列中部分通道的信号数据经过处理后的预处理数据；并根据预处理数据控制程控放大芯片实现实时增益控制，且将预处理数据发送至LVDS接口；可编程开关，用于控制换能器阵列中任意通道开启或关闭，实现三维声学成像换能器阵列稀疏化；放大滤波芯片，用于对接收和采集的模拟信号数据进行放大和滤波处理；程控放大芯片，用于根据FPGA芯片发来的控制信号进行实时增益，并对接收的模拟信号数据进行放大；AD芯片，用于将处理后的模拟信号数据转化为数字信号数据，得到预处理数据，并将预处理数据发送至FPGA芯片；LVDS，用于将接收的FPGA芯片中的预处理数据转送至信号交互子系统。3.如权利要求1所述的基于嵌入式处理器的三维声学成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的信号交互子系...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪松，周凡，赵冬冬，陈耀武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33