DSP并行處理在剖面聲納系統(tǒng)
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1 剖面聲納系統(tǒng)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(fā)射換能器垂直于被測海底發(fā)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(xù)向深處傳播。由于海底內部介質不連續(xù)（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(xù)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(xù)處理便得到被測區(qū)域的三維剖面圖。
1.2 剖面聲納的系統(tǒng)結構
用于海底石油管線探測的多波束剖面聲納系統(tǒng)，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(tǒng)實時性和準確性的考慮，將系統(tǒng)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(fā)射部分、發(fā)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(fā)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(fā)射信號的功率、發(fā)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(tǒng)結構圖如圖1所示。
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(tǒng)采用35k～65kHz寬帶線形調頻信號進行探測，系統(tǒng)的采樣頻率為500kHz，接收9路的基陣信號，并且要求系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。
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。
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