基于图形处理器的三维声纳成像系统及其三维成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于图形处理器的三维声纳成像系统及其三维成像方法，三维声纳成像系统包括依次连接的信号降采样模块等，所述信号降采样模块用于将水声传感器接收的水声信号从高频搬移到低频，并将其转变为便于计算机处理的数字信号；所述高速缓存模块用于保存从信号降采样模块接收到的多通道采样数据；所述基于图形处理器的并行波束形成模块从高速缓存模块中读取多通道回波数据；所述基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块处理基于图形处理器的并行波束形成模块输出的不同空间角度方向频域信号；所述三维显示模块接收基于图形处理器的波束形成模块的输出信息和基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块的输出信息。本发明专利技术具有低成本、高性能、扩展性强等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水声探测领域，特别是涉及一种基于图形处理器(GraphicsProcessing Unit, GPU)的三维声纳成像系统及其三维成像方法。
技术介绍
声纳是利用水下声波对目标进行探测和定位的设备。目前一般声纳系统的主要功能是对水下目标的检测和目标在方位、距离上的二维定位。随着海洋开发和军事应用需求的发展，如用于海上工程实施、海底管道检测、蛙人探测、水下航行器导航等，对水下目标提出了三维定位的要求，三维声纳由此诞生。三维声纳一般采用二维面阵接收声波，从而使其在水平、垂直和距离3个方向上直接获得分辨能力。对回波处理通常是沿时间切片，先形成二维图像序列，再利用计算机合成三维图像。现有三维声纳的成像装置米用多片FPGA(Field — Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列)实现，硬件结构复杂，开发难度大且代价不菲。近年来高速发展的图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)为信号处理提供了具有发展前景的新型运算平台。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种，其具有低成本、高性能、扩展性强等特点。(为什么具有具有低成本、高性能、扩展性强等特点，请结合各个模块描述)本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种基于图形处理器的三维声纳成像系统，其特征在于，其包括依次连接的信号降采样模块、高速缓存模块、基于图形处理器的并行波束形成模块、基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块、三维显示模块，所述信号降采样模块用于将水声传感器接收的水声信号从高频搬移到低频，并将其转变为便于计算机处理的数字信号，所述数字信号为多通道采样数据；所述高速缓存模块用于保存从信号降采样模块接收到的多通道采样数据；所述基于图形处理器的并行波束形成模块从高速缓存模块中读取多通道回波数据，用于计算不同空间角度方向频域信号；所述基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块处理基于图形处理器的并行波束形成模块输出的不同空间角度方向频域信号，用于计算目标的距离；所述三维显示模块接收基于图形处理器的波束形成模块的输出信息和基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块的输出信息，用于将探测到的目标在三维空间显示出来。本专利技术还提供一种基于图形处理器的三维声纳成像系统的三维成像方法，其特征在于，其包括以下步骤:步骤一:信号降采样模块对来自水声传感器的数据进行正交降采样，将正交降采样后的数字解析信号存储到高速缓存模块；步骤二:高速缓存模块根据设定的探测距离接收完一帧数据后，将数据传输到基于图形处理器的并行波束形成模块的全局存储器；步骤三:基于图形处理器的并行波束形成模块对全局存储器中的阵列数据进行处理，解算目标的方位角度和俯仰角度；步骤四:基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块对基于图形处理器的并行波束形成模块的处理结果进行脉冲压缩处理，获取目标的距离信息，并将处理结果输出到三维显示模块；步骤五:三维显示模块扫描基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块的输出结果，根据设定的阈值，对输出结果进行颜色编码，在预设的三维采样空间进行显示。优选地，所述基于图形处理器的并行波束形成模块对探测空间的水平方向和垂直方向进行二维波束形成。优选地，所述三维显示模块将探测空间划分为水平方向M个波束，垂直方向N个波束，距离方向P个间隔，共记MXNXP个空间采样点，M、N、P都是自然数。优选地，所述距离方向P个间隔的值是通过宽带脉冲压缩计算得到的。本专利技术的积极进步效果在于:本专利技术对目标距离信息的获取是通过宽带脉冲压缩模块实现，具有更高的处理增益，另外本专利技术还具有低成本、高性能、扩展性强、结构简单、开发难度低等特点。三维声纳一般采用二维面阵接收声波，在水平、垂直方向对目标进行探测，这个过程涉及巨大的计算量。现有三维声纳一般采用DSP阵列或FPGA阵列实现，这样的系统结构复杂，开发周期长、难度大、成本高，而且更新、升级需要重新设计硬件。本专利技术一种基于图形处理器的三维声纳成像系统，其核心的波束形成模块利用图形处理器强大的浮点计算能力，达到现有采用DSP阵列或FPGA阵列的三维声纳成像系统相同功能。本专利技术一种基于图形处理器的三维声纳成像系统更新升级只需更换相应的图形处理器，无需重新设计硬件。当今图形处理器性能越来越强，价格越来越低，因此本专利技术具有很高的性价比。【附图说明】图1为本专利技术基于图形处理器的三维声纳成像系统的原理框图。【具体实施方式】下面结合附图给出本专利技术较佳实施例，以详细说明本专利技术的技术方案。如图1所示，本专利技术基于图形处理器的三维声纳成像系统包括依次连接的信号降采样模块、高速缓存模块、基于图形处理器的并行波束形成模块、基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块、三维显示模块，所述信号降采样模块用于将水声传感器(比如传感器阵列等)接收的水声信号从高频搬移到低频，并将其转变为便于计算机处理的数字信号，所述数字信号为多通道采样数据；所述高速缓存模块用于保存从信号降采样模块接收到的多通道采样数据；所述基于图形处理器的并行波束形成模块从高速缓存模块中读取多通道回波数据，用于计算不同空间角度方向频域信号；所述基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块处理基于图形处理器的并行波束形成模块输出的不同空间角度方向频域信号，用于计算目标的距离；所述三维显示模块接收基于图形处理器的波束形成模块的输出信息(输出信息包括不同空间角度方向频域信号等)和基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块的输出信息(输出信息包括目标的距离等)，用于将探测到的目标在三维空间显示出来。本专利技术基于图形处理器的三维声纳成像系统的三维成像方法包括以下步骤:步骤一:信号降采样模块对来自水声传感器的数据进行正交降采样，将正交降采样后的数字解析信号存储到高速缓存模块；步骤二:高速缓存模块根据设定的探测距离接收完一帧数据后，将数据传输到基于图形处理器的并行波束形成模块的全局存储器；步骤三:基于图形处理器的并行波束形成模块对全局存储器中的阵列数据进行处理，解算目标的方位角度和俯仰角度；步骤四:基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块对基于图形处理器的并行波束形成模块的处理结果进行脉冲压缩处理，获取目标的距离信息，并将处理结果输出到三维显示模块。步骤五:三维显示模块扫描基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块的输出结果，根据设定的阈值，对输出结果进行颜色编码，在预设的三维采样空间进行显示。本专利技术基于图形处理器的三维声纳成像系统的三维成像方法的一个具体例子如下，即采用以下步骤:步骤1:信号降采样模块对传感器阵列各通道输出进行频谱搬移，将信号频率fc搬移到较低的频率(fc-fd)，经低通率波后，以fs > 2 (fc-fd)进行数字采样后，将阵列数据按通道顺序存放到高速缓存模块A。其中，fc是系统发射的探测信号的中心频率，fd是正交降采样使用的解调频率，fs是系统进行数字采样的频率。步骤2:根据设定的探测距离，高速缓存模块收到完整的一帧回波数据后，立即将数据复制到基于图形处理器的并行波束形成模块的第一全局存储器B。步骤3:基于图形处理器的并行波束形成模块从第一全局存储器B中读取数据进行处理，对探测空间的水平方向和垂直方向进行二维波束形成，计算回波达到的方位角和俯仰角，并将处理结果保存在基于图形处理器的并行波束形成模块的第二全局存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图形处理器的三维声纳成像系统，其特征在于，其包括依次连接的信号降采样模块、高速缓存模块、基于图形处理器的并行波束形成模块、基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块、三维显示模块，所述信号降采样模块用于将水声传感器接收的水声信号从高频搬移到低频，并将其转变为便于计算机处理的数字信号，所述数字信号为多通道采样数据；所述高速缓存模块用于保存从信号降采样模块接收到的多通道采样数据；所述基于图形处理器的并行波束形成模块从高速缓存模块中读取多通道回波数据，用于计算不同空间角度方向频域信号；所述基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块处理基于图形处理器的并行波束形成模块输出的不同空间角度方向频域信号，用于计算目标的距离；所述三维显示模块接收基于图形处理器的波束形成模块的输出信息和基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块的输出信息，用于将探测到的目标在三维空间显示出来。

【技术特征摘要】
1.一种基于图形处理器的三维声纳成像系统，其特征在于，其包括依次连接的信号降采样模块、高速缓存模块、基于图形处理器的并行波束形成模块、基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块、三维显示模块，所述信号降采样模块用于将水声传感器接收的水声信号从高频搬移到低频，并将其转变为便于计算机处理的数字信号，所述数字信号为多通道采样数据；所述高速缓存模块用于保存从信号降采样模块接收到的多通道采样数据；所述基于图形处理器的并行波束形成模块从高速缓存模块中读取多通道回波数据，用于计算不同空间角度方向频域信号；所述基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块处理基于图形处理器的并行波束形成模块输出的不同空间角度方向频域信号，用于计算目标的距离；所述三维显示模块接收基于图形处理器的波束形成模块的输出信息和基于图形处理器的宽带脉冲压缩模块的输出信息，用于将探测到的目标在三维空间显示出来。2.一种基于图形处理器的三维声纳成像系统的三维成像方法，其特征在于，其包括以下步骤: 步骤一:信号降采样模块对来自水声传感器的数据进行正交降采样，将正交降采样后的数字解析信号存储到高速缓存模块； 步骤二:高速缓存模块根据设定的探测距离接收完...

【专利技术属性】
技术研发人员：印明明，刘平香，刘珏，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二六研究所，
类型：发明
国别省市：