基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)及其三維成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)及其三維成像方法，三維聲納成像系統(tǒng)包括依次連接的信號(hào)降采樣模塊等，所述信號(hào)降采樣模塊用于將水聲傳感器接收的水聲信號(hào)從高頻搬移到低頻，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟?jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)；所述高速緩存模塊用于保存從信號(hào)降采樣模塊接收到的多通道采樣數(shù)據(jù)；所述基于圖形處理器的并行波束形成模塊從高速緩存模塊中讀取多通道回波數(shù)據(jù)；所述基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊處理基于圖形處理器的并行波束形成模塊輸出的不同空間角度方向頻域信號(hào)；所述三維顯示模塊接收基于圖形處理器的波束形成模塊的輸出信息和基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊的輸出信息。本發(fā)明具有低成本、高性能、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。
【專利說明】基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)及其三維成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水聲探測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于圖形處理器(GraphicsProcessing Unit, GPU)的三維聲納成像系統(tǒng)及其三維成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聲納是利用水下聲波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位的設(shè)備。目前一般聲納系統(tǒng)的主要功能是對(duì)水下目標(biāo)的檢測(cè)和目標(biāo)在方位、距離上的二維定位。隨著海洋開發(fā)和軍事應(yīng)用需求的發(fā)展，如用于海上工程實(shí)施、海底管道檢測(cè)、蛙人探測(cè)、水下航行器導(dǎo)航等，對(duì)水下目標(biāo)提出了三維定位的要求，三維聲納由此誕生。
[0003]三維聲納一般采用二維面陣接收聲波，從而使其在水平、垂直和距離3個(gè)方向上直接獲得分辨能力。對(duì)回波處理通常是沿時(shí)間切片，先形成二維圖像序列，再利用計(jì)算機(jī)合成三維圖像。
[0004]現(xiàn)有三維聲納的成像裝置米用多片F(xiàn)PGA(Field — Programmable Gate Array,即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)實(shí)現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)難度大且代價(jià)不菲。近年來(lái)高速發(fā)展的圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU)為信號(hào)處理提供了具有發(fā)展前景的新型運(yùn)算平臺(tái)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)及其三維成像方法，其具有低成本、高性能、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。(為什么具有具有低成本、高性能、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，請(qǐng)結(jié)合各個(gè)模塊描述)
[0006]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問題的:一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)，其特征在于，其包括依次連接的信號(hào)降采樣模塊、高速緩存模塊、基于圖形處理器的并行波束形成模塊、基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊、三維顯示模塊，所述信號(hào)降采樣模塊用于將水聲傳感器接收的水聲信號(hào)從高頻搬移到低頻，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟?jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)字信號(hào)為多通道采樣數(shù)據(jù)；所述高速緩存模塊用于保存從信號(hào)降采樣模塊接收到的多通道采樣數(shù)據(jù)；所述基于圖形處理器的并行波束形成模塊從高速緩存模塊中讀取多通道回波數(shù)據(jù)，用于計(jì)算不同空間角度方向頻域信號(hào)；所述基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊處理基于圖形處理器的并行波束形成模塊輸出的不同空間角度方向頻域信號(hào)，用于計(jì)算目標(biāo)的距離；所述三維顯示模塊接收基于圖形處理器的波束形成模塊的輸出信息和基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊的輸出信息，用于將探測(cè)到的目標(biāo)在三維空間顯示出來(lái)。
[0007]本發(fā)明還提供一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的三維成像方法，其特征在于，其包括以下步驟:
[0008]步驟一:信號(hào)降采樣模塊對(duì)來(lái)自水聲傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交降采樣，將正交降采樣后的數(shù)字解析信號(hào)存儲(chǔ)到高速緩存模塊；[0009]步驟二:高速緩存模塊根據(jù)設(shè)定的探測(cè)距離接收完一幀數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交趫D形處理器的并行波束形成模塊的全局存儲(chǔ)器；
[0010]步驟三:基于圖形處理器的并行波束形成模塊對(duì)全局存儲(chǔ)器中的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算目標(biāo)的方位角度和俯仰角度；
[0011]步驟四:基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊對(duì)基于圖形處理器的并行波束形成模塊的處理結(jié)果進(jìn)行脈沖壓縮處理，獲取目標(biāo)的距離信息，并將處理結(jié)果輸出到三維顯示模塊；
[0012]步驟五:三維顯示模塊掃描基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊的輸出結(jié)果，根據(jù)設(shè)定的閾值，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行顏色編碼，在預(yù)設(shè)的三維采樣空間進(jìn)行顯示。
[0013]優(yōu)選地，所述基于圖形處理器的并行波束形成模塊對(duì)探測(cè)空間的水平方向和垂直方向進(jìn)行二維波束形成。
[0014]優(yōu)選地，所述三維顯示模塊將探測(cè)空間劃分為水平方向M個(gè)波束，垂直方向N個(gè)波束，距離方向P個(gè)間隔，共記MXNXP個(gè)空間采樣點(diǎn)，M、N、P都是自然數(shù)。
[0015]優(yōu)選地，所述距離方向P個(gè)間隔的值是通過寬帶脈沖壓縮計(jì)算得到的。
[0016]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:本發(fā)明對(duì)目標(biāo)距離信息的獲取是通過寬帶脈沖壓縮模塊實(shí)現(xiàn)，具有更高的處理增益，另外本發(fā)明還具有低成本、高性能、擴(kuò)展性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)難度低等特點(diǎn)。三維聲納一般采用二維面陣接收聲波，在水平、垂直方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行探測(cè)，這個(gè)過程涉及巨大的計(jì)算量?，F(xiàn)有三維聲納一般采用DSP陣列或FPGA陣列實(shí)現(xiàn)，這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)、難度大、成本高，而且更新、升級(jí)需要重新設(shè)計(jì)硬件。本發(fā)明一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)，其核心的波束形成模塊利用圖形處理器強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力，達(dá)到現(xiàn)有采用DSP陣列或FPGA陣列的三維聲納成像系統(tǒng)相同功能。本發(fā)明一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)更新升級(jí)只需更換相應(yīng)的圖形處理器，無(wú)需重新設(shè)計(jì)硬件。當(dāng)今圖形處理器性能越來(lái)越強(qiáng)，價(jià)格越來(lái)越低，因此本發(fā)明具有很高的性價(jià)比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)包括依次連接的信號(hào)降采樣模塊、高速緩存模塊、基于圖形處理器的并行波束形成模塊、基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊、三維顯示模塊，所述信號(hào)降采樣模塊用于將水聲傳感器(比如傳感器陣列等)接收的水聲信號(hào)從高頻搬移到低頻，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟?jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)字信號(hào)為多通道采樣數(shù)據(jù)；所述高速緩存模塊用于保存從信號(hào)降采樣模塊接收到的多通道采樣數(shù)據(jù)；所述基于圖形處理器的并行波束形成模塊從高速緩存模塊中讀取多通道回波數(shù)據(jù)，用于計(jì)算不同空間角度方向頻域信號(hào)；所述基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊處理基于圖形處理器的并行波束形成模塊輸出的不同空間角度方向頻域信號(hào)，用于計(jì)算目標(biāo)的距離；所述三維顯示模塊接收基于圖形處理器的波束形成模塊的輸出信息(輸出信息包括不同空間角度方向頻域信號(hào)等)和基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊的輸出信息(輸出信息包括目標(biāo)的距離等)，用于將探測(cè)到的目標(biāo)在三維空間顯示出來(lái)。
[0020]本發(fā)明基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的三維成像方法包括以下步驟:
[0021]步驟一:信號(hào)降采樣模塊對(duì)來(lái)自水聲傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交降采樣，將正交降采樣后的數(shù)字解析信號(hào)存儲(chǔ)到高速緩存模塊；
[0022]步驟二:高速緩存模塊根據(jù)設(shè)定的探測(cè)距離接收完一幀數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交趫D形處理器的并行波束形成模塊的全局存儲(chǔ)器；
[0023]步驟三:基于圖形處理器的并行波束形成模塊對(duì)全局存儲(chǔ)器中的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算目標(biāo)的方位角度和俯仰角度；
[0024]步驟四:基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊對(duì)基于圖形處理器的并行波束形成模塊的處理結(jié)果進(jìn)行脈沖壓縮處理，獲取目標(biāo)的距離信息，并將處理結(jié)果輸出到三維顯示模塊。
[0025]步驟五:三維顯示模塊掃描基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊的輸出結(jié)果，根據(jù)設(shè)定的閾值，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行顏色編碼，在預(yù)設(shè)的三維采樣空間進(jìn)行顯示。
[0026]本發(fā)明基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的三維成像方法的一個(gè)具體例子如下，即采用以下步驟:
[0027]步驟1:信號(hào)降采樣模塊對(duì)傳感器陣列各通道輸出進(jìn)行頻譜搬移，將信號(hào)頻率fc搬移到較低的頻率(fc-fd)，經(jīng)低通率波后，以fs > 2 (fc-fd)進(jìn)行數(shù)字采樣后，將陣列數(shù)據(jù)按通道順序存放到高速緩存模塊A。其中，fc是系統(tǒng)發(fā)射的探測(cè)信號(hào)的中心頻率，fd是正交降采樣使用的解調(diào)頻率，fs是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字采樣的頻率。
[0028]步驟2:根據(jù)設(shè)定的探測(cè)距離，高速緩存模塊收到完整的一幀回波數(shù)據(jù)后，立即將數(shù)據(jù)復(fù)制到基于圖形處理器的并行波束形成模塊的第一全局存儲(chǔ)器B。
[0029]步驟3:基于圖形處理器的并行波束形成模塊從第一全局存儲(chǔ)器B中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)探測(cè)空間的水平方向和垂直方向進(jìn)行二維波束形成，計(jì)算回波達(dá)到的方位角和俯仰角，并將處理結(jié)果保存在基于圖形處理器的并行波束形成模塊的第二全局存儲(chǔ)器C。
[0030]步驟4:基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊對(duì)第二全局存儲(chǔ)器C中的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮處理，獲取目標(biāo)的距離信息，并將處理結(jié)果輸出到三維顯示模塊的存儲(chǔ)器D中。
[0031]步驟5:三維顯示模塊根據(jù)系統(tǒng)的波束配置和探測(cè)距離及信號(hào)采樣頻率，將探測(cè)空間劃分為水平方向M個(gè)波束，垂直方向N個(gè)波束，距離方向P個(gè)間隔，共記MX NX P個(gè)空間采樣點(diǎn)，M、N、P都是自然數(shù)。每個(gè)空間采樣點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z)由唯一的波束號(hào)和距離編號(hào)索引。三維顯示模塊掃描存儲(chǔ)器D中的處理結(jié)果，剔除小于檢測(cè)閾值的值，將保留的值按波束號(hào)和距離編號(hào)，按照能量大小映射為不同顏色在三維空間(x，y，z)處畫點(diǎn)顯示，眾多這樣的空間采樣點(diǎn)可以構(gòu)成探測(cè)目標(biāo)的形狀或分布，完成對(duì)目標(biāo)的三維顯示。
[0032]以上所述具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)，其特征在于，其包括依次連接的信號(hào)降采樣模塊、高速緩存模塊、基于圖形處理器的并行波束形成模塊、基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊、三維顯示模塊，所述信號(hào)降采樣模塊用于將水聲傳感器接收的水聲信號(hào)從高頻搬移到低頻，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟?jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)字信號(hào)為多通道采樣數(shù)據(jù)；所述高速緩存模塊用于保存從信號(hào)降采樣模塊接收到的多通道采樣數(shù)據(jù)；所述基于圖形處理器的并行波束形成模塊從高速緩存模塊中讀取多通道回波數(shù)據(jù)，用于計(jì)算不同空間角度方向頻域信號(hào)；所述基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊處理基于圖形處理器的并行波束形成模塊輸出的不同空間角度方向頻域信號(hào)，用于計(jì)算目標(biāo)的距離；所述三維顯示模塊接收基于圖形處理器的波束形成模塊的輸出信息和基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊的輸出信息，用于將探測(cè)到的目標(biāo)在三維空間顯示出來(lái)。
2.一種基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的三維成像方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟一:信號(hào)降采樣模塊對(duì)來(lái)自水聲傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交降采樣，將正交降采樣后的數(shù)字解析信號(hào)存儲(chǔ)到高速緩存模塊； 步驟二:高速緩存模塊根據(jù)設(shè)定的探測(cè)距離接收完一幀數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交趫D形處理器的并行波束形成模塊的全局存儲(chǔ)器； 步驟三:基于圖形處理器的并行波束形成模塊對(duì)全局存儲(chǔ)器中的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算目標(biāo)的方位角度和俯仰角度； 步驟四:基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊對(duì)基于圖形處理器的并行波束形成模塊的處理結(jié)果進(jìn)行脈沖壓縮處理，獲取目標(biāo)的距離信息，并將處理結(jié)果輸出到三維顯示模塊； 步驟五:三維顯示模塊掃描基于圖形處理器的寬帶脈沖壓縮模塊的輸出結(jié)果，根據(jù)設(shè)定的閾值，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行顏色編碼，在預(yù)設(shè)的三維采樣空間進(jìn)行顯示。
3.如權(quán)利要求2所述的基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的三維成像方法，其特征在于，所述基于圖形處理器的并行波束形成模塊對(duì)探測(cè)空間的水平方向和垂直方向進(jìn)行二維波束形成。
4.如權(quán)利要求3所述的基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的三維成像方法，其特征在于，所述三維顯示模塊將探測(cè)空間劃分為水平方向M個(gè)波束，垂直方向N個(gè)波束，距離方向P個(gè)間隔，共記MXNXP個(gè)空間采樣點(diǎn)，M、N、P都是自然數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于圖形處理器的三維聲納成像系統(tǒng)的三維成像方法，其特征在于，所述距離方向P個(gè)間隔的值是通過寬帶脈沖壓縮計(jì)算得到的。
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK103592650SQ201310597887
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】印明明, 劉平香, 劉玨 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所