DSP并行处理在剖面声纳系统

随着声纳技术的发展，对于声纳信号处理系统的信号处理能力也提出了越来越高的要求。传统的主动声纳信号处理系统大多采用专用的硬件结构来完成特定的数据处理任务，即换能器后端直接接入数据转换采集器，所采集的数据经模数转换后送入数字信号处理器进行处理。此类系统只适用于固定的换能器基阵或者固定的处理速度，一旦换能器基阵变化或者处理速度要求更高，系统就无能为力了。针对以上的局限性和实际项目要求多波束剖面声纳小体积系统，设计并实现了一种基于IP网络互连的、可扩展的多波束剖面声纳并行处理系统。该系统采用二片TI公司高性能网络多媒体处理器TMS320DM642组成的板上流水线并行结构作为一个处理节点，并借助IP网络实现板间互连并行处理，可根据换能器阵元和处理速度的要求适当增减处理节点的数目，由于各处理节点独立存储，融合数据上传，非常适合搭载于小平台的主动声纳信号处理。应用于海底石油管线探测与定位的多波束剖面声纳系统，能够以每秒10帧或者更高的速度完成海底石油管线探测与显示。剖面声纳系统的每个处理节点与数据采集转换部分采用TCP/IP网络连接，可以通过物理上添加一个或多个处理节点，成倍地提高系统的信号处理能力。

1 剖面声纳系统工作原理及结构

1.1 剖面声纳工作原理

剖面声纳工作在主动方式时，发射换能器垂直于被测海底发射一束圆锥形波束，声波到达海底表面时，一部分能量被反射回来，产生一个很强的回波，另一部分能量透射进入海底内部，在海底内部继续向深处传播。由于海底内部介质不连续（如海底的岩石、石油管线等），各介质产生的回波能量，一部分被固体物质散射而损耗，另一部分则反向散射回换能器，这部分回波包含了海底内部介质的不连续信息。因而可以根据海底介质的内部回波很好地反映出海底内部掩埋物体分布情况。根据机器人载体平行于海底运动，换能器所接收的信号经过接收机的处理传输到水上主机重建出海底内部剖面的二维结构图，再根据机器人的测高、测距及定位声纳及后续处理便得到被测区域的三维剖面图。

1.2 剖面声纳的系统结构

用于海底石油管线探测的多波束剖面声纳系统，既可以安装在机器人的底部，也可以悬挂于机器人的前端，具有灵活安装的特点。

根据系统实时性和准确性的考虑，将系统分为水下和水上两个单元，中间用光缆连接。水下单元位于机器人ROV载体上，包括水下控制处理舱和换能器基阵两个部分。水下控制处理舱主要包括DSP控制发射部分、发射机以及DSP并行处理部分；换能器基阵主要包括由宽带大功率阵子组成的呈45°×5°指向性的发射换能器和具有9个阵元、每个阵元呈5°指向性的接收换能器，其中，接收换能器内部含有模拟信号调理电路板，能够将换能器的模拟信号实时地转换成数字信号并通过IP网络实时传输到水下控制处理舱的DSP并行处理单元进行相关的信号处理。水上单元主要由水上主机构成，利用其串口实时控制发射信号的功率、发射帧率、采集时刻等，通过网卡接收水下单元DSP处理数据并通过VC++显示程序进行剖面结构信息的实时显示。剖面声纳系统结构图如图1所示。

接收换能器部分负责将接收换能器接收的模拟信号进行信号调理，包括放大、滤波、自动增益控制（AGC），并按照500kHz采样率转换成数字信号，然后通过网络传输到水下控制处理舱的DSP并行处理单元。该部分采用网络数据传输是因为：一方面由于网络物理层数据传输速度快，可以满足9路A/D的500kHz采样率及16bit的数据输出，使数据的传输与模拟信号的采集同步；另一方面，采用IP网络互连既可以实现点对点的连接，也可以实现一点发送多点接收。这样就可以实现主动声纳的分帧处理，即利用一个接收点处理一定帧的数据量，利用多个接收点处理一批帧的数据量，从而提高了系统的整体处理速度，使系统以更高的刷新帧率进行剖面结构的显示。

2 基于IP互连的DSP并行处理结构

2.1 流水线并行的DSP处理板结构

多波束剖面声纳系统采用35k～65kHz宽带线形调频信号进行探测，系统的采样频率为500kHz，接收9路的基阵信号，并且要求系统具有较高的探测能力，所以采集时间定为15ms以上，探测有效距离大于11米。进行海底的剖面探测时，需要对接收的多波束接收信号进行带内补偿、波束形成、频域相关算法、旁瓣抑制以及FIR滤波等处理，系统要求能够在10帧/秒以上实时显示剖面结果并且存盘。

为了满足多波束剖面声纳的高速、大容量数据的实时信号处理需求，在信号处理系统部分采用了以二片DSP TMS320DM642组成的流水线并行结构，如图2所示。

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