三維成像聲納波束形成方法及在多核處理器上的實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲納領(lǐng)域，特別涉及一種三維探測(cè)聲納波束形成方法及在多核處理器 上的實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近岸、港口的安全防御與攻擊、滲透是蛙人戰(zhàn)斗部隊(duì)的一個(gè)重要的使命，此外，蛙 人的工作還包括偵察水下地形、測(cè)量水深、探查和排除水下障礙、水下作戰(zhàn)等任務(wù)。三維探 測(cè)聲納是輔助蛙人進(jìn)行高效率水下探測(cè)的聲納設(shè)備，該設(shè)備利用聲波進(jìn)行近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo) 成像的方式來(lái)擴(kuò)大蛙人的視野及工作范圍。三維探測(cè)聲納是由陣元稀疏布置的面陣聲納系 統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)λ履繕?biāo)進(jìn)行三維高分辨成像。手持式三維探測(cè)聲納可進(jìn)行水下特種偵 察作戰(zhàn)、水下地形地貌、蛙人及小目標(biāo)的探測(cè)、避碰和工程勘測(cè)等軍民兩用水下成像和探測(cè) 的要求
[0003] 三維手持式探測(cè)聲納水下應(yīng)用系統(tǒng)可以完成水下目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、地形繪制、目標(biāo) 成像等任務(wù)。目前三維成像聲納分為兩大類：一類是利用聲透鏡進(jìn)行聚焦成像；一類是利 用陣列波束形成方法成像。第二類三維成像聲納具有代表性的產(chǎn)品包括EchoScopeieOO、 FarSounder聲納以及Eclipse多波束聲納。在第二類三維成像聲納中，陣列波束形成的實(shí) 現(xiàn)效率關(guān)系到三維成像的實(shí)時(shí)性，現(xiàn)有技術(shù)中的三維成像聲納在做陣列波束形成時(shí)，需要 做大量的計(jì)算，耗時(shí)長(zhǎng)，不利于提高實(shí)時(shí)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的三維成像聲納在做陣列波束形成時(shí)所存在 的計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性低的缺陷，從而提供一種計(jì)算量小的、實(shí)時(shí)性高的波束形成方 法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種波束形成方法，應(yīng)用于三維探測(cè)聲納中均 勻分布的平面陣，該方法包括：
[0006] 步驟1)、接收并采集時(shí)域回波信號(hào)；
[0007] 步驟2)、對(duì)步驟1)所采集的時(shí)域回波信號(hào)做時(shí)域傅立葉變換，然后判斷時(shí)域傅 立葉變換所得到的結(jié)果是否滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，若為近場(chǎng)波束形成，對(duì)近場(chǎng)波束形成表達(dá)式中 的時(shí)延計(jì)算式的距離影響項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，然后執(zhí)行下一步，若為遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成，直接執(zhí)行下一 I K 少；
[0008] 步驟3)、對(duì)步驟2)所得到的信號(hào)的平面陣行向量做空域傅立葉變換；
[0009] 步驟4)、對(duì)步驟2)所得到的信號(hào)的平面陣列向量做空域傅立葉變換；
[0010] 步驟5)、對(duì)步驟3)和步驟4)所得到的空域二維傅立葉變換結(jié)果取模，得到最終的 二維波束形成結(jié)果。
[0011] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟2)中，對(duì)近場(chǎng)波束形成表達(dá)式中的時(shí)延計(jì)算式的 距離影響項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償采用相位補(bǔ)償或通過(guò)調(diào)整窗函數(shù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞健?br>[0012] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟3)和步驟4)中，利用時(shí)域二維傅立葉變換結(jié)果中 的方位角、俯仰角與空域二維傅立葉變換后所得到的頻域信號(hào)的頻率Π 、f2之間確定的對(duì) 應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)空域二維傅立葉變換。
[0013] 本發(fā)明還提供了所述的波束形成方法在多核處理器上的實(shí)現(xiàn)方法，所述多核處理 器包括多個(gè)核以及至少一個(gè)能夠?yàn)樗泻怂L問(wèn)的共享存儲(chǔ)器；該方法包括：
[0014] 在所述多核處理器的一個(gè)核中，對(duì)外部經(jīng)過(guò)降采樣處理所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償， 得到滿陣數(shù)據(jù)，然后將補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)平均分配給所述多核處理器中的多個(gè)計(jì)算核；所述多 個(gè)計(jì)算核同時(shí)進(jìn)行二維傅立葉變換聚焦波束形成處理，即對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)首先做時(shí)域傅立 葉變換，然后進(jìn)行行向、列向的空域二維傅立葉變換，根據(jù)所述共享存儲(chǔ)器中所保存的方位 角、俯仰角和頻率與f 2的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到二維波束形成結(jié)果，最后將處理后的波束域數(shù)據(jù) 按距離由近及遠(yuǎn)排列；所述多核處理器中的另一個(gè)核對(duì)波束域數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)打包及發(fā)送。
[0015] 上述技術(shù)方案中，所述多核處理器為TI公司的TMS320C6678芯片，該芯片有8個(gè) 內(nèi)核，所述多個(gè)計(jì)算核為其中的6個(gè)內(nèi)核。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] 本發(fā)明計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性高，易于在計(jì)算機(jī)芯片上實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本申請(qǐng)的采用二維FFT所實(shí)現(xiàn)的三維探測(cè)聲納波束形成方法的流程圖；
[0019] 圖2是本申請(qǐng)的三維探測(cè)聲納波束形成方法在多核處理器上實(shí)現(xiàn)的示意圖；
[0020] 圖3 (a)是波束數(shù)P = Q = 48時(shí)現(xiàn)有技術(shù)與本申請(qǐng)方法的計(jì)算量估計(jì)結(jié)果對(duì)比 情況不意圖；
[0021] 圖3 (b)是波束數(shù)P = Q = 256時(shí)現(xiàn)有技術(shù)與本申請(qǐng)方法的計(jì)算量估計(jì)結(jié)果對(duì)比 情況示意圖；
[0022] 圖4 (a)為波束形成二維圖；
[0023] 圖4 (b)為波束形成三維圖；
[0024] 圖4 (C)為俯仰角波束形成結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0026] 在對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明之前，首先對(duì)本申請(qǐng)中所涉及的相關(guān)概念加以說(shuō)明。
[0027] 三維成像聲納平面陣：該平面陣為均勻分布平面陣，包含MXN個(gè)陣元。
[0028] 三維成像聲納平面陣波束形成表達(dá)式
[0029] 三維成像聲納平面陣波束形成的一般表達(dá)式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三維探測(cè)聲納波束形成方法，應(yīng)用于三維探測(cè)聲納中均勻分布的平面陣，該方 法包括： 步驟1)、接收并采集時(shí)域回波信號(hào)； 步驟2)、對(duì)步驟1)所采集的時(shí)域回波信號(hào)做時(shí)域傅立葉變換，然后判斷時(shí)域傅立葉變 換所得到的結(jié)果是否滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，若為近場(chǎng)波束形成，對(duì)近場(chǎng)波束形成表達(dá)式中的時(shí)延 計(jì)算式的距離影響項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，然后執(zhí)行下一步，若為遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成，直接執(zhí)行下一步； 步驟3)、對(duì)步驟2)所得到的信號(hào)的平面陣行向量做空域傅立葉變換； 步驟4)、對(duì)步驟2)所得到的信號(hào)的平面陣列向量做空域傅立葉變換； 步驟5)、對(duì)步驟3)和步驟4)所得到的空域二維傅立葉變換結(jié)果取模，得到最終的二維 波束形成結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維探測(cè)聲納波束形成方法，其特征在于，在所述的步驟2) 中，對(duì)近場(chǎng)波束形成表達(dá)式中的時(shí)延計(jì)算式的距離影響項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償采用相位補(bǔ)償或通過(guò)調(diào) 整窗函數(shù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞健?br>3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維探測(cè)聲納波束形成方法，其特征在于，在所述的步驟3) 和步驟4)中，利用時(shí)域二維傅立葉變換結(jié)果中的方位角、俯仰角與空域二維傅立葉變換后 所得到的頻域信號(hào)的頻率f\、f 2之間確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)空域二維傅立葉變換。
4. 權(quán)利要求1-3之一所述的三維探測(cè)聲納波束形成方法在多核處理器上的實(shí)現(xiàn)方法， 所述多核處理器包括多個(gè)核以及至少一個(gè)能夠?yàn)樗泻怂L問(wèn)的共享存儲(chǔ)器；該方法包 括： 在所述多核處理器的一個(gè)核中，對(duì)外部經(jīng)過(guò)降采樣處理所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，得到 滿陣數(shù)據(jù)，然后將補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)平均分配給所述多核處理器中的多個(gè)計(jì)算核；所述多個(gè)計(jì) 算核同時(shí)進(jìn)行二維傅立葉變換聚焦波束形成處理，即對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)首先做時(shí)域傅立葉變 換，然后進(jìn)行行向、列向的空域二維傅立葉變換，根據(jù)所述共享存儲(chǔ)器中所保存的方位角、 俯仰角和頻率與f 2的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到二維波束形成結(jié)果，最后將處理后的波束域數(shù)據(jù)按距 離由近及遠(yuǎn)排列；所述多核處理器中的另一個(gè)核對(duì)波束域數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)打包及發(fā)送。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述多核處理器為TI公司的 TMS320C6678芯片，該芯片有8個(gè)內(nèi)核，所述多個(gè)計(jì)算核為其中的6個(gè)內(nèi)核。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維探測(cè)聲納波束形成方法，應(yīng)用于三維探測(cè)聲納中均勻分布的平面陣，該方法包括：接收并采集時(shí)域回波信號(hào)；對(duì)時(shí)域回波信號(hào)做時(shí)域傅立葉變換，然后判斷時(shí)域傅立葉變換所得到的結(jié)果是否滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，若為近場(chǎng)波束形成，對(duì)近場(chǎng)波束形成表達(dá)式中的時(shí)延計(jì)算式的距離影響項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，然后執(zhí)行下一步，若為遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成，直接執(zhí)行下一步；對(duì)信號(hào)的平面陣行向量做空域傅立葉變換；對(duì)信號(hào)的平面陣列向量做空域傅立葉變換；對(duì)所得到的空域二維傅立葉變換結(jié)果取模，得到最終的二維波束形成結(jié)果。
【IPC分類】G01S7-52
【公開(kāi)號(hào)】CN104656073
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310594504
【發(fā)明人】王朋, 黃勇, 黃海寧, 劉紀(jì)元
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2013年11月21日