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以及聲納系統進一步擴展的更高處理速度的需求，設計并實現了一種基于IP網絡互連的、以并行DSP為處理節點的信號處理系統。
關鍵詞： 剖面聲納 IP網絡? 并行? DSP
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隨著聲納技術的發展，對于聲納信號處理系統的信號處理能力也提出了越來越高的要求。傳統的主動聲納信號處理系統大多采用專用的硬件結構來完成特定的數據處理任務，即換能器" title="換能器">換能器后端直接接入數據轉換采集器，所采集的數據經模數轉換后送入數字信號處理器進行處理。此類系統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，設計并實現了一種基于IP網絡互連的、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。該系統采用二片TI公司高性能網絡多媒體處理器TMS320DM642組成的板上流水線并行結構作為一個處理節點，并借助IP網絡實現板間互連并行處理，可根據換能器陣元和處理速度的要求適當增減處理節點的數目，由于各處理節點獨立存儲，融合數據上傳，非常適合搭載于小平臺的主動聲納信號處理。應用于海底石油管線探測與定位的多波束剖面聲納系統" title="剖面聲納系統">剖面聲納系統，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。剖面聲納系統的每個處理節點與數據采集轉換部分采用TCP/IP網絡連接，可以通過物理上添加一個或多個處理節點，成倍地提高系統的信號處理能力。
1 剖面聲納系統工作原理及結構
1.1 剖面聲納工作原理
剖面聲納工作在主動方式時，發射換能器垂直于被測海底發射一束圓錐形波束，聲波到達海底表面時，一部分能量被反射回來，產生一個很強的回波，另一部分能量透射進入海底內部，在海底內部繼續向深處傳播。由于海底內部介質不連續（如海底的巖石、石油管線等），各介質產生的回波能量，一部分被固體物質散射而損耗，另一部分則反向散射回換能器，這部分回波包含了海底內部介質的不連續信息。因而可以根據海底介質的內部回波很好地反映出海底內部掩埋物體分布情況。根據機器人載體平行于海底運動，換能器所接收的信號經過接收機的處理傳輸到水上主機重建出海底內部剖面的二維結構圖，再根據機器人的測高、測距及定位聲納及后續處理便得到被測區域的三維剖面圖。
1.2 剖面聲納的系統結構
用于海底石油管線探測的多波束剖面聲納系統，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。
根據系統實時性和準確性的考慮，將系統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控制發射部分、發射機以及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，接收換能器內部含有模擬信號調理電路板，能夠將換能器的模擬信號實時地轉換成數字信號并通過IP網絡實時傳輸到水下控制處理艙的DSP并行處理單元進行相關的信號處理。水上單元主要由水上主機構成，利用其串口實時控制發射信號的功率、發射幀率、采集時刻等，通過網卡接收水下單元DSP處理數據并通過VC++顯示程序進行剖面結構信息的實時顯示。剖面聲納系統結構圖如圖1所示。
接收換能器部分負責將接收換能器接收的模擬信號進行信號調理，包括放大、濾波、自動增益控制（AGC），并按照500kHz采樣率轉換成數字信號，然后通過網絡傳輸到水下控制處理艙的DSP并行處理單元。該部分采用網絡數據傳輸是因為：一方面由于網絡物理層數據傳輸速度快，可以滿足9路A/D的500kHz采樣率及16bit的數據輸出，使數據的傳輸與模擬信號的采集同步；另一方面，采用IP網絡互連既可以實現點對點的連接，也可以實現一點發送多點接收。這樣就可以實現主動聲納的分幀處理，即利用一個接收點處理一定幀的數據量，利用多個接收點處理一批幀的數據量，從而提高了系統的整體處理速度，使系統以更高的刷新幀率進行剖面結構的顯示。
2 基于IP互連的DSP并行處理結構
2.1 流水線并行的DSP處理板結構
多波束剖面聲納系統采用35k～65kHz寬帶線形調頻信號進行探測，系統的采樣頻率為500kHz，接收9路的基陣信號，并且要求系統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補償、波束形成、頻域相關算法、旁瓣抑制以及FIR濾波等處理，系統要求能夠在10幀/秒以上實時顯示剖面結果并且存盤。
為了滿足多波束剖面聲納的高速、大容量數據的實時信號處理需求，在信號處理系統部分采用了以二片DSP TMS320DM642組成的流水線并行結構，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以太網接口，可以方便地實現處理板間的網絡數據互連，從而可以實現系統的并行數據處理。
圖2中，左端DSP為從DSP，通過其自身網口與接收換能器內的數據轉換網絡連接，根據顯示速度要求，接收轉換后的信號數據，并存儲到其外圍的SDRAM中。當接收到一幀信號數據時轉入并行處理程序，左右兩片DSP采用流水線并行處理方式。
并行處理時左端DSP負責接收數據，右端主DSP通過HPI接口讀取左端DSP的內部數據及外部SDRAM的數據，同時左右兩端的DSP通過雙端口FIFO進行數據交換、郵箱信息傳遞等。為了保證信號處理時左右兩端DSP的負載平衡，系統將剖面聲納系統需要處理的任務進行劃分：多波束剖面聲納信號處理需要將9路波束數據(每路7 500點16bit)進行FFT、頻域波束形成、頻域相關算法、IFFT、時域FIR濾波、時域加權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在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套設備上的不同運算單元，來加快系統的計算速度，流水線的并行執行大大降低了整個系統任務的執行時間。為了保證兩個DSP的負載平衡，使系統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據，將每塊并行處理板內任務進行了劃分。系統單個DSP負載的劃分如圖3所示。
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以1秒鐘單板實現5幀數據顯示為例，將系統任務細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行。流水線的最大吞吐率取決于子過程所經過的時間，該時間越小，流水線的最大吞吐率越高。系統流水處理的時間-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網路互連通路，本文設計了板間的基于IP互連的并行處理結構。
多波束剖面聲納系統的每塊DSP處理板內部并行針對15ms的采集時間可以達到10幀/秒的數據處理速度，基本上可以達到顯示需求。但如果系統要求更長的探測距離、更多的數據量和更高的顯示幀率，則需要并行處理板具有更高的數據吞吐能力。如顯示部分要求20幀/秒的顯示速度時，就應當使系統的處理速度達到20幀/秒。普通的并行處理結構增加系統的處理單元時需要做大量的輔助工作，如電子系統的程序、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的網絡結構在增加系統的處理速度時，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的IP地址，使接收換能器數據發送端能夠一點對二點分別發送分幀數據。而網絡數據發送端只需在每一幀的數據包的包頭上標明發往哪個IP地址即可。系統上電后，先檢測局域網內的IP數目，并通過發包回包方式獲得系統中各個處理板的IP地址，也可以實現在板上的程序中固定IP地址。這樣數據發送端的網絡設備就可以循環地將每一幀的數據發往不同的處理板，而系統的處理板分別處理每幀的數據再通過網絡分別上傳到水上主機端顯示，從而線性地提高了系統的處理速度。
圖5詳細闡述了1～3塊處理板組成的基于IP網絡傳輸的并行處理板的系統處理流程。利用每塊處理板上的兩塊TMS320 DM642的網絡接口以及DSP的高速處理能力，能夠很好地實現基于IP互連網絡傳輸的并行處理，接收換能器的網絡發送端以服務器形式向不同的IP地址發送每一幀數據，每塊處理板接收的每幀數據分別處理后再由另一端口通過網絡形式發送到水上主機端。為防止每塊處理板上的兩塊DSP的網絡IP混淆，采用相同的IP地址，數據上傳時主機通過路由器接收不同處理板的處理結果，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的顯示處理速度。
基于DSP并行處理結構的多波束剖面聲納系統是利用剖面聲納從淺海、淺地層剖面結構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在利用多波束剖面聲納的一次新的嘗試，結合工程應用改進了聲納的技術指標，系統中提出的流水線并行處理結構以及基于IP網絡互連的并行處理結構成倍地提高了系統的處理速度。系統調試結果表明，該系統軟硬件結構設計合理、工作穩定、工作效果明顯。
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