[發(fā)明專利]一種異構(gòu)環(huán)境下多波束聲吶成像方法

有效

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• 申請日: 2021-06-02
• 公開（公告）號: CN113189599B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張福洪;唐佳玲;易志強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種異構(gòu)環(huán)境下多波束聲吶成像方法，現(xiàn)有方法存在處理大量回波數(shù)據(jù)時運(yùn)算量龐大，導(dǎo)致耗費(fèi)時間過長，從而難以實時成像的不足。本發(fā)明設(shè)計如下：首先將聲吶接收基陣劃分成多個子陣；接著CPU為回波數(shù)據(jù)所需的存儲空間分配內(nèi)存，并且讀取每個子陣接收到的回波數(shù)據(jù)；而后將讀取到的回波數(shù)據(jù)傳入GPU中，GPU分別對回波數(shù)據(jù)做空間向和距離向上的二維快速傅里葉變換，再對其進(jìn)行距離向脈沖壓縮；最終將壓縮結(jié)果從GPU傳回CPU，CPU對結(jié)果進(jìn)行取模，完成多波束聲吶的實時成像。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水聲通信中多波束聲吶成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于CPU+GPU異構(gòu)環(huán)境下多波束聲吶成像方法。

技術(shù)背景

多波束聲吶是一種水下成像聲吶，其利用不同子陣接收到的回波信號相對于基準(zhǔn)子陣的延時差，通過快速傅里葉變換把子陣域信號轉(zhuǎn)換為空間域信號，形成空間指向，空域譜上的譜峰位置對應(yīng)了信號的入射角度，從而實現(xiàn)多波束聲吶對水下目標(biāo)的聚焦成像。由于在水中采集到的信號信噪比較低，需要通過頻域波束形成算法獲得足夠高的信噪比，以便對水下目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

隨著多波束聲吶技術(shù)的不斷發(fā)展，一方面，在探測小目標(biāo)時對成像分辨率的要求高，原始數(shù)據(jù)量的增加導(dǎo)致成像速度明顯變慢，難以滿足多波束聲吶實時性需求；另一方面，寬帶波束形成的主要計算開銷在于頻率點和角度點的循環(huán)，運(yùn)算量較大，現(xiàn)有技術(shù)中多波束聲吶在處理數(shù)據(jù)時僅靠CPU來實現(xiàn)實時成像比較困難。GPU(圖形處理單元)的出現(xiàn)為多波束聲吶成像處理提供了新的平臺，GPU是一種高效的通用平臺并行計算協(xié)處理器，在GPU環(huán)境下可對循環(huán)進(jìn)行并行化設(shè)計，再將其與CPU進(jìn)行異構(gòu)，可進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)處理效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中多波束成像聲吶存在的耗時長、實時性差等不足，提出了一種基于異構(gòu)環(huán)境的多波束聲吶成像方法，可實時處理采集到的大量數(shù)據(jù)，有效縮短成像時間。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明選用線性調(diào)頻信號為發(fā)射信號，換能器基陣為等間隔直線陣，并結(jié)合CPU+GPU異構(gòu)協(xié)同處理的方法進(jìn)行實時成像，將內(nèi)存分配、讀取回波數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)成像交由CPU處理，將二維快速傅里葉變換和距離向脈沖壓縮交由GPU處理。各子陣的數(shù)據(jù)并行處理，有效地提高了運(yùn)算效率，克服了現(xiàn)有技術(shù)實時性差的不足。

本發(fā)明為一種異構(gòu)環(huán)境下多波束聲吶成像方法，該成像方法具體包含以下步驟：

步驟(1)：對聲吶發(fā)射的線性調(diào)頻信號進(jìn)行采樣，采樣后取得的數(shù)字信號s(n)如式(1)所示：

式(1)中，“Re()”表示取實部，“exp()”表示以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)，f₀為載波頻率，K為調(diào)頻率，n為離散時間序號，f_s為采樣頻率，N為采樣點數(shù)；

步驟(2)：將總長度為l的接收基陣劃分為M個子陣，為滿足角度分辨率的要求，子陣長度L參照設(shè)置，那么子陣個數(shù)M如式(2)所示：

其中，λ為發(fā)射信號的波長，ΔΦ為角度分辨率；

步驟(3)：CPU為回波數(shù)據(jù)所需的存儲空間分配內(nèi)存，并且讀取每個子陣接收到的回波數(shù)據(jù)x(m,n)，將其送入存儲空間緩存，以備GPU作進(jìn)一步處理，回波數(shù)據(jù)如(3)所示：

其中，m＝0,1,…,M-1為M個子陣的序號，α_m表示接收到第m路回波的幅度衰減因子，這里τ_m為第m個子陣收到回波相對于基準(zhǔn)子陣的時延，若探測距離r滿足式(4)，則認(rèn)為信號近似平面波傳播：

則τ_m如式(5)所示：