一种具备三维定位能力的多波束成像声纳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具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、多个信号采集子系统；信号采集子系统包含并行的至少2个采集组件，每个采集组件受信号交互子系统控制同步并行采集声纳线阵数据，并对采集数据进行预处理后传输至信号交互子系统；信号交互子系统同时控制多个信号采集子系统采集声纳线阵数据，作为中间桥梁实现嵌入式GPU信号处理子系统与信号采集子系统之间声纳线阵数据的传输；嵌入式GPU信号处理子系统控制信号交互子系统传输声纳线阵数据，并对声纳线阵数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果并上传至上位机以显示。

【技术实现步骤摘要】
一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置
本专利技术涉及嵌入式GPU处理器技术、FPGA技术、二维声学成像图像处理技术，互谱法分析技术和多通道同步采样技术，具体来说涉及一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置。
技术介绍
多波束成像声纳系统具有水下探测、避障、定位等多种功能，可以通过对水下信息的有效监控，加强对海域的控制。随着人类海洋活动的日益频繁，多波束成像声纳系统的使用不再局限于军事目的，在海洋资源开发、海上救援、海底地貌探测等商业和民用领域都有着广泛应用。多波束成像声纳系统通过在一个声纳头上安装多个换能器，可以同时接收并处理多个波束成像，拥有较快的成像速度和较高的成像精度。目前国外的多波束成像声纳系统已经进入商业化模式，产品类型多样，可以适应各类场景的应用需求，在水下探测、水文调查、地形绘制、测深等各种领域都得到了广泛的使用。诸如美国、日本、丹麦、加拿大等国都有商业化的产品生产，其中比较有代表性的多波束成像声纳系统有美国的Reson公司研制的SeaBat系列前视声纳系统、英国Tritech公司设计的Eclipse系列多波束声纳、美国TeledyneMarine公司生产的Blueview系列前视声纳系统等。在国内，多波束成像声纳技术的研发力量还主要集中在科研院所和军工企业，基本是基于国家及部队项目的驱动进行研发，尽管国产化率比较高，但产业化及技术配套相对薄弱。波束形成技术作为二维声学成像图像处理技术的基础，已经广泛应用于各类声纳探测设备中。目前国内外的多波束成像声纳系统大多是通过单条一维换能器线性阵列接收声纳回波信号，进行波束形成计算，获得水下场景的实时二维图像。虽然多波束成像声纳系统的相关技术发展至今已比较完备，但为了进一步满足工程应用需求，仍有以下方面需要改善：1)在兼具系统实时性和便携性的同时，通过提供目标的深度信息提高目标定位的准确性；2)随着线阵阵元数量的增加，通过提升处理器性能以应对实时声学成像算法对资源的需求。互谱法分析是指由于各线阵接收的是同一个声源发射信号，所以线阵间的输入是相关联的，可以进行互谱法计算。在对输入进行滤波后进行互相关处理，互相关的峰值所对应的时间，就是两个线阵之间的时间差，由此可以得到声源目标的方位信息。其主要用于分裂波束系统的精确方位估计，在主动声纳中常用于窄带信号处理。将互谱法计算与波束形成的计算结果相结合就能得到目标物体在深度方向的角度信息，使得多波束成像声纳系统能在一定程度上获得目标物体的三维位置信息。Nvidia公司近几年推出的JetsonTX1嵌入式GPU模组是世界上第一个基于模块的超级计算机，它采用了最新的NVIDIAMaxwellGPU架构，具有ARMCortex-A57MPCore(Quad-Core)CPU族，实现性能与电源功耗的最大优化。利用具有256个CUDA核心的麦克斯韦构架GPUTegraX1，可以提供针对GPU计算，计算机图形和人工智能(AI)等所需的性能和能效，在提供了比Kepler构架更强劲性能的同时还降低了设备的功耗和发热。在数值计算方面，TegraX1嵌入式GPU可以提供每秒超过1TFLOPS次的超强浮点运算能力，十分适用于超大规模并行计算。在图像算法处理方面，TegraX1支持所有关键图形和计算API，包括OpenGLES3.1,OpenGL4.5,DirectX12.0和CUDA6等，可以完美运行各类图像处理算法。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管脚可以根据需求将管脚定义为多组并行传输总线和时钟线，可实现一片主FPGA通过多组并行传输接口与多片子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
本专利技术提供了一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、多个信号采集子系统；所述信号采集子系统包含并行的至少2个采集组件，每个采集组件受信号交互子系统控制同步并行采集声纳线阵数据，并对采集数据进行预处理后传输至信号交互子系统；所述信号交互子系统基于嵌入式GPU信号处理子系统的控制来同时控制多个信号采集子系统采集声纳线阵数据，作为中间桥梁实现嵌入式GPU信号处理子系统与信号采集子系统之间声纳线阵数据的传输；所述嵌入式GPU信号处理子系统控制信号交互子系统传输声纳线阵数据，并对接收的声纳线阵数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果并上传至上位机以显示。其中，所述采集组件包括放大器、滤波器、可变增益放大器(VGA)、AD芯片以及FPGA，依次实现对采集声纳线阵数据的放大、滤波、实时增益控制以及离散傅里叶变换计算；所述采集组件还包括与FPGA连接的并行数据传输接口和命令接口，分别用于传输离散傅里叶变换数据和命令。其中，所述信号交互子系统包括包含FPGA，PCIe总线，发射接口，命令接口和多组并行数据传输接口，实现对多个信号采集子系统和信号处理子系统进行高带宽数据交换和命令控制。其中，所述嵌入式GPU信号处理子系统包括嵌入式GPU模组，扩展PCIe总线，千兆以太网接口，备用接口，调试接口，复位接口，通过扩展PCIe总线完成离散傅里叶变换数据接收，嵌入式GPU模组实现对离散傅里叶变换数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果，并通过千兆以太网接口进行上传，通过备用接口，调试接口，复位接口实现命令控制。其中，所述嵌入式GPU信号处理子系统中，对对两条线阵的声呐线阵数据进行互谱法计算，配合波束形成算法获得的二维声学图像数据，能够实现对目标的三维定位估计。优选地，所述嵌入式GPU信号处理子系统采用Nvidia公司的JetsonTX1嵌入式GPU模组。该CPU模组拥有OpenGLES3.1,OpenGL4.5,DirectX12.0和CUDA6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，高性能麦克斯韦架构GPU，实现二维声学成像高速率数据传输与图像算法高效计算。该JetsonTX1嵌入式GPU模组通过PCIex4总线与信号交互子系统的FPGA互连，实现最高20Gbps数据传输速率，满足多波束成像声纳数据传输带宽。扩展千兆以太网接口，实现计算结果上传和控制命令接收。信号交互子系统FPGA通过多组并行数据传输接口与多个信号采集子系统互连，同步接收多条线阵的模拟输入预处理数据，通过PCIe总线传输至JetsonTX1嵌入式GPU模组，实现信号采集子系统与信号处理子系统高速数据交互，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。其中，所述信号交互子系统控制发射接口按一定时序发射声波，等待回波到达系统后，通过命令接口向信号采集子系统下发同步采样命令，实现同步采样控制。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、多个信号采集子系统；/n所述信号采集子系统包含并行的至少2个采集组件，每个采集组件受信号交互子系统控制同步并行采集声纳线阵数据，并对采集数据进行预处理后传输至信号交互子系统；/n所述信号交互子系统基于嵌入式GPU信号处理子系统的控制来同时控制多个信号采集子系统采集声纳线阵数据，作为中间桥梁实现嵌入式GPU信号处理子系统与信号采集子系统之间声纳线阵数据的传输；/n所述嵌入式GPU信号处理子系统控制信号交互子系统传输声纳线阵数据，并对接收的声纳线阵数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果并上传至上位机以显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，包括嵌入式GPU信号处理子系统、信号交互子系统、多个信号采集子系统；
所述信号采集子系统包含并行的至少2个采集组件，每个采集组件受信号交互子系统控制同步并行采集声纳线阵数据，并对采集数据进行预处理后传输至信号交互子系统；
所述信号交互子系统基于嵌入式GPU信号处理子系统的控制来同时控制多个信号采集子系统采集声纳线阵数据，作为中间桥梁实现嵌入式GPU信号处理子系统与信号采集子系统之间声纳线阵数据的传输；
所述嵌入式GPU信号处理子系统控制信号交互子系统传输声纳线阵数据，并对接收的声纳线阵数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果并上传至上位机以显示。


2.如权利要求1所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述采集组件包括放大器、滤波器、可变增益放大器(VGA)、AD芯片以及FPGA，依次实现对采集声纳线阵数据的放大、滤波、实时增益控制以及离散傅里叶变换计算；
所述采集组件还包括与FPGA连接的并行数据传输接口和命令接口，分别用于传输离散傅里叶变换数据和命令。


3.如权利要求1所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述信号交互子系统包括包含FPGA，PCIe总线，发射接口，命令接口和多组并行数据传输接口，实现对多个信号采集子系统和信号处理子系统进行高带宽数据交换和命令控制。


4.如权利要求1所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处理装置，其特征在于，所述嵌入式GPU信号处理子系统包括嵌入式GPU模组，扩展PCIe总线，千兆以太网接口，备用接口，调试接口，复位接口，通过扩展PCIe总线完成离散傅里叶变换数据接收，嵌入式GPU模组实现对离散傅里叶变换数据进行波束形成算法和互谱法的实时计算，以获得二维声学图像数据和目标三维定位结果，并通过千兆以太网接口进行上传，通过备用接口，调试接口，复位接口实现命令控制。


5.如权利要求1或4所述的具备三维定位能力的多波束成像声纳实时信号处...

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