专利名称：基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种基于集群处理机的合成孔径声纳
(SAS)实时信号处理方法及系统。
背景技术：
合成孔径声纳(Synthetic Ape加re Sonar: SAS)利用小尺寸基阵在方位向的移
动形成虚拟大孔径，通过对不同位置的声纳回波信号进行相干处理，从而获得高分 辨率的声纳图像。
目前，合成孔径声纳成像算法主要分为时域算法和频域算法两类。时域成像算 法具有物理意义清晰、内存占用小、便于直接运动补偿和多子阵成像等优点，但却
具有计算效率低和系统采样率要求高等缺点；频域成像算法具有计算效率高和系统 采样率相对较低等优点，但其缺点主要是占用内存大、对于方位向非均匀采样和多 子阵成像需要特殊处理，算法复杂。
考虑到合成孔径声纳成像的庞大计算量和实时性的要求，以往的SAS实时成像 系统普遍采用专用的数字信号处理机，这种信号处理机主要基于高性能的专用实时 微处理器，如SHARC、 PowerPC等。但是，专用的数字信号处理机价格昂贵，而且 软件开发周期长，扩展性较差，随着专用数字信号处理机的更新，淘汰的资源得不 到利用，造成硬件资源空闲和资金浪费。如今随着微机和服务器性能的大幅度提高 以及网络技术的飞速发展，促进了集群处理机的发展。集群处理机具有成本低，软 件开发周期短，容易升级且扩展性强等优点，因此备受瞩目。

发明内容
为了解决上述现有的合成孔径声纳成像算法中存在的问题，本发明申请立足于 考虑利用日益发展的集群处理机的优点，力求在集群处理机架构上能够实现合成孔 径声纳实时信号处理的方法及系统。
因此，本发明的目的在于提供一种基于集群处理机的合成孔径声纳(SAS)实时 信号处理方法及系统。该系统工作充分利用集群处理机的多处理器多核的特征来进行基于共享内存的多线程并行处理，在保证高分辨率的前提下能够大大縮短成像时 间，从而进一步满足实时成像的需要。
为了实现上述目的，本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳(SAS)实时信号 处理方法，其特征在于，利用集群处理机的多处理器多核特征进行基于共享内存的 多线程并行处理，使各个子任务以独立线程方式启动，任务之间的同步通过信号量
实现，形成多级流水线结构的处理方式，具体包括以下步骤
1) 设置系统的运行参数；
2) 通过网络接收水下原始数据，根据既定的网络协议完成原始回波数据和 传感器数据的解包、存储，以及转发传感器数据至显示平台；
3) 对整合好的原始回波数据进行运动补偿，通过线程利用偏移相位中心算 法(Displaced Phase Center Algorithm: DPCA)估计出声纳基阵的侧移， 并用以进行运动补偿；
4) 对运动补偿后的回波数据进行脉冲压縮，根据所设置的系统的运行参数 产生发射信号的参考信号，由参考信号对运动补偿后的回波数据进行匹 配滤波得到距离向高分辨率的脉冲压縮数据；
5) 对脉冲压縮数据进行基于延时表成像算法的实时成像；
6) 将获得的实时成像结果进行存储并转发给显示平台；
7) 显示平台网络接收图像数据并实时显示。
其中，本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳(SAS)实时信号处理方法的步 骤l)中需设置的系统运行参数包括中心频率、信号带宽、脉冲宽度、脉冲重复周 期、采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数和采样点数等。
另外，本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳(SAS)实时信号处理方法中的 网络协议为UDP协议。
另外，本发明的一种基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统，其特 征在于，包括数据采集系统、集群处理机、存储设备以及显示平台，利用集群处 理机的多处理器多核特征进行基于共享内存的多线程并行处理，使各个子任务以独 立线程方式启动，任务之间的同步通过信号量实现，形成多级流水线结构的处理方 式，其中，数据采集系统，完成水下原始数据的采集，包括原始回波数据采集和传 感器数据采集；集群处理机，用于网络接收所述数据采集系统采集到的水下原始数 据，并完成合成孔径声纳实时信号处理过程中的原始数据预处理、运动补偿、脉冲压縮、延时表成像、图像数据处理，实现实时成像；存储设备，将所述集群处理机 接收到的水下原始数据以及合成孔径声纳实时信号处理中产生的图像数据进行存 储；显示平台，用于网络接收所述集群处理机传送来的图像数据和传感器数据并且 进行实时显示。
其中，本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统中，所述集 群处理机包括
初始化模块，用于设置系统的运行参数；
预处理模块，通过网络接收水下原始数据，根据既定的网络协议完成原始回波 数据和传感器数据的解包、存储，以及转发传感器数据至显示平台；
运动补偿模块，用于对整合好的原始回波数据进行运动补偿，通过线程利用偏 移相位中心算法估计出声纳基阵的侧移，并用以进行运动补偿；
脉冲压縮模块，用于对运动补偿后的回波数据进行脉冲压縮，并根据所设置的 系统的运行参数产生发射信号的参考信号，由参考信号对运动补偿后的回波数据进 行匹配滤波得到距离向高分辨率的脉冲压縮数据；
成像模块，用于对脉冲压縮数据进行基于延时表成像算法的实时成像；及
数据处理模块，用于将获得的实时成像结果进行存储并转发给显示平台。
另外，本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统中，其集群 处理机上需设置的系统运行参数包括中心频率、信号带宽、脉冲宽度、脉冲重复 周期、采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数和采样点数。
另外，本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统中利用的网 络协议为UDP协议。
根据本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳(SAS)实时信号处理方法及系统 的技术优点主要有
(1) 系统基于集群处理机架构，造价相对便宜、扩展性好
(2) 系统软件设计基于Windows平台，软件开发周期短且移植性好
(3) 系统充分利用集群处理机的多处理器多核特征，通过多线程来实现基于 共享内存的并行处理。


图1是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理系统的构成示意图。 图2是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法的流程示意图。 图3是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的等效相位中 心示意图。
图4是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的DPCA估计 声纳基阵侧移的示意图。
图5是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的延时表算法 成像示意图。
图6是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的延时表生成
示意图。 .
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳(SAS)实时信号处理 方法及系统进行详细的说明。
图1是本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳(SAS)实时信号处理系统的构 成示意图。如图1所示，系统由数据采集系统、集群处理机、储存设备和显示平台 等设备构成，考虑到集群处理机的多处理器多核特征，在进行实时信号处理过程中 的各个子任务均以独立线程方式启动，任务之间的同步即线程的同步通过信号量来 实现，从而形成了多级流水线结构的处理方式。其中，数据采集系统，完成水下原 始数据的采集，包括原始回波数据采集和传感器数据采集；集群处理机，用于网络 接收所述数据采集系统采集到的水下原始数据，并完成合成孔径声纳实时信号处理 过程中的原始数据预处理、运动补偿、脉冲压縮、延时表成像、图像数据处理，实 现实时成像；存储设备，将所述集群处理机接收到的水下原始数据以及合成孔径声 纳实时信号处理中产生的图像数据进行存储；显示平台，用于网络接收所述集群处 理机传送来的图像数据和传感器数据并且进行实时显示。
其中，集群处理机包括初始化模块，用于设置系统的运行参数；预处理模块， 通过网络接收水下原始数据，根据既定的网络协议完成原始回波数据和传感器数据 的解包、存储，以及转发传感器数据至显示平台；运动补偿模块，用于对整合好的 原始回波数据进行运动补偿，通过线程利用偏移相位中心算法估计出声纳基阵的侧移，并用以进行运动补偿；脉冲压縮模块，用于对运动补偿后的回波数据进行脉冲 压縮，并根据所设置的系统的运行参数产生发射信号的参考信号，由参考信号对运 动补偿后的回波数据进行匹配滤波得到距离向高分辨率的脉冲压縮数据；成像模块， 用于对脉冲压縮数据进行基于延时表成像算法的实时成像；及数据处理模块，用于 将获得的实时成像结果进行存储并转发给显示平台。图2是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法的流程示意图。如图2 所示，该方法由原始数据预处理、运动补偿、脉冲压縮、延时表成像、图像数据处 理等子任务组成。具体实施步骤如下-1) 在集群处理机上设置系统的中心频率、信号带宽、脉冲宽度、脉冲重复周期、 采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数、采样点数等运行参数。2) 进行原始数据预处理，即集群处理机对水下数据通过线程利用UDP阻塞接 收，根据既定的UDP网络协议，由数据包包头判别数据包类型，即原始回波数据包 或传感器数据包。针对原始回波数据包，根据数据包中的帧号和包号对原始回波数 据进行按照接收阵元顺序进行整合，并存储至硬盘。针对传感器数据包依据传感器 数据包格式进行解包、储存并将部分结果如声纳基阵的速度、入水深度、距水底高 度等转发给显示平台，以供显示平台显示。3) 对整合好的原始回波数据进行运动补偿，通过线程利用DPCA算法估计出声 纳基阵的侧移，并用以进行运动补偿。图3是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的等效相位中 心示意图。如图3所示，发射阵元和接收阵元水平间距为L，对于发射阵元发射的 信号，接收阵元收到远场中某一单点目标的回波可以等效为L/2处以收发共置的阵 元发射并接收到的回波信号，此空间位置称为等效相位中心。偏移相位中心算法是 一种基于回波数据的运动误差估计和补偿方法，其基本思想是利用连续两帧重叠等 效相位中心对应的回波信号之间的空间相关性来估计声纳基阵的运动状态。合成孔 径声纳成像中的运动误差主要为侧移，本系统中利用DPCA主要用来估计并补偿基 阵的侧移误差。图4是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的DPCA估计 声纳基阵侧移的示意图。如图4所示，当基阵方位向速度满足有等效相位中心重叠 时，相邻两帧的重叠阵元侧移假设为Ar，相邻两帧重叠部分的阵元的回波信号具有 以下时延关系其中，C为水中的声速。通过对相邻帧重叠部分阵元的回波信号做互相关，求解相 关函数的峰值位置来得到相对偏差At，对相对偏差At沿方位向积分，得到方位向的 侧移偏差sway。在得到侧移偏差sway的基础上针对原始回波信号依据下式进行相位 补偿ss' (y， w) = (F(eem w)) exp(y.2吾s而力)其中，^j/，")为运动补偿前的回波信号，m (,，w)为运动补偿后的回波信号，F和F-1 分别表示正反傅立叶变换。4) 对运动补偿后的回波数据通过线程进行脉冲压縮。根据设置的系统运行参数 产生发射信号的参考信号，由参考信号对运动补偿后的回波数据进行匹配滤波得到 脉冲压縮数据。5) 对脉冲压縮后的数据通过延时表成像算法进行实时成像。图5是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的延时表算法 成像示意图。延时表成像算法的原理如下如图5所示，虽然对于基阵在不同位置 对应的成像区域不同，但是由于发射阵的水平向开角0不变，成像区域的大小以及与 阵元的相对位置关系不变。图6是本发明的基于集群处理机的SAS实时信号处理方法及系统的延时表生成 示意图。如图6所示，对于成像区域中坐标为(m,，"p点A和坐标为(x,，^)的 阵元A，它们之间的距离为r可由几何关系计算，公式如下根据r可计算出脉冲压縮数据中对应数据的位置尸oy:Pos = (int)[O — i min) /々] 其中及min为成像最小距离，々为采样频率。对于成像区域中的每一点根据上述两个式子生成标准延时表。实时成像中对于 成像区域中的点依据标准延时表对脉冲压縮数据的延时叠加最终得到成像结果。6) 将延时表成像算法计算得出的成像结果在图像数据处理模块进行图像数据的 存储并通过UDP网络转发给显示平台。7) 显示平台网络接收图像数据并实时显示。综上所述，本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理方法及系统， 以集群处理机为平台，利用集群处理机的多处理器多核特征进行基于共享内存的多 线程并行处理，使各个子任务以独立线程方式启动，任务之间的同步通过信号量实 现，形成多级流水线结构的处理方式。该系统工作稳定可靠，在保证高分辨率的前 提下能够大大縮短成像时间，从而进一步满足合成孔径声纳实时成像的需要。
权利要求
1、一种基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理方法，其特征在于，利用集群处理机的多处理器多核特征进行基于共享内存的多线程并行处理，使各个子任务以独立线程方式启动，任务之间的同步通过信号量实现，形成多级流水线结构的处理方式，具体包括以下步骤1)设置系统的运行参数；2)通过网络接收水下原始数据，根据既定的网络协议完成原始回波数据和传感器数据的解包、存储，以及转发传感器数据至显示平台；3)对整合好的原始回波数据进行运动补偿，通过线程利用偏移相位中心算法估计出声纳基阵的侧移，并用以进行运动补偿；4)对运动补偿后的回波数据进行脉冲压缩，根据所设置的系统的运行参数产生发射信号的参考信号，由参考信号对运动补偿后的回波数据进行匹配滤波得到距离向高分辨率的脉冲压缩数据；5)对脉冲压缩数据进行基于延时表成像算法的实时成像；6)将获得的实时成像结果进行存储并转发给显示平台；7)显示平台网络接收图像数据并实时显示。
2、 根据权利要求1所述的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理方法， 其特征在于，所述步骤l)中需设置的系统运行参数包括中心频率、信号带宽、脉 冲宽度、脉冲重复周期、采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数和采样点 数。
3、 根据权利要求1所述的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理方法， 其特征在于，所述网络协议为UDP协议。
4、 一种基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统，其特征在于，包括 数据采集系统、集群处理机、存储设备以及显示平台，利用集群处理机的多处理器 多核特征进行基于共享内存的多线程并行处理，使各个子任务以独立线程方式启动， 任务之间的同步通过信号量实现，形成多级流水线结构的处理方式，其中，数据采集系统，完成水下原始数据的采集，包括原始回波数据采集和传感器数 据采集；集群处理机，用于网络接收所述数据采集系统采集到的水下原始数据，并完成 合成孔径声纳实时信号处理过程中的原始数据预处理、运动补偿、脉冲压縮、延时 表成像、图像数据处理，实现实时成像；存储设备，将所述集群处理机接收到的水下原始数据以及合成孔径声纳实时信 号处理中产生的图像数据进行存储；显示平台，用于网络接收所述集群处理机传送来的图像数据和传感器数据并且 进行实时显示。
5、 根据权利要求4所述的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统，其特征在于，所述集群处理机包括初始化模块，用于设置系统的运行参数；预处理模块，通过网络接收水下原始数据，根据既定的网络协议完成原始回波 数据和传感器数据的解包、存储，以及转发传感器数据至显示平台；运动补偿模块，用于对整合好的原始回波数据进行运动补偿，通过线程利用偏 移相位中心算法估计出声纳基阵的侧移，并用以进行运动补偿；脉冲压縮模块，用于对运动补偿后的回波数据进行脉冲压縮，并根据所设置的 系统的运行参数产生发射信号的参考信号，由参考信号对运动补偿后的回波数据进 行匹配滤波得到距离向高分辨率的脉冲压縮数据；成像模块，用于对脉冲压縮数据进行基于延时表成像算法的实时成像；及数据处理模块，用于将获得的实时成像结果进行存储并转发给显示平台。
6、 根据权利要求5所述的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统， 其特征在于，所述集群处理机上需设置的系统运行参数包括中心频率、信号带宽、 脉冲宽度、脉冲重复周期、采样频率、发射阵孔径、接收阵孔径、阵元个数和采样 点数。
7、 根据权利要求5所述的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理系统， 其特征在于，所述网络协议为UDP协议。
全文摘要
本发明提供一种基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理方法及系统。其系统由数据采集系统、集群处理机、存储设备和显示平台等设备构成，完成原始数据预处理、运动补偿、脉冲压缩、延时表成像、图像数据处理等子任务，从而实现合成孔径声纳实时信号的处理。本发明的基于集群处理机的合成孔径声纳实时信号处理方法及系统，以集群处理机为平台，利用集群处理机的多处理器多核特征进行基于共享内存的多线程并行处理，使各个子任务以独立线程方式启动，任务之间的同步通过信号量实现，形成多级流水线结构的处理方式。该系统工作稳定可靠，在保证高分辨率的前提下能够大大缩短成像时间，从而进一步满足合成孔径声纳实时成像的需要。
文档编号G01S7/52GK101644763SQ20081023981
公开日2010年2月10日 申请日期2008年12月12日 优先权日2008年12月12日
发明者维 刘, 刘纪元, 张春华, 李保利 申请人:中国科学院声学研究所