深水多波束測(cè)深系統(tǒng)脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法?

董　飛?　劉治宇　劉小剛　劉曉東

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所　北京　100190）

?研究報(bào)告?

深水多波束測(cè)深系統(tǒng)脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法?

董飛?劉治宇劉小剛劉曉東

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北京100190）

深水多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種高效率、高精度和高分辨率的海洋調(diào)查勘測(cè)儀器。針對(duì)深水多波束測(cè)深系統(tǒng)中脈沖壓縮運(yùn)算量大的問題，提出了一種基于分組的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法。該算法對(duì)需要進(jìn)行脈沖壓縮的波束進(jìn)行分組，每個(gè)節(jié)拍只計(jì)算一組波束，可大幅減少深水多波束測(cè)深系統(tǒng)脈沖壓縮的運(yùn)算時(shí)間，節(jié)省了處理器資源。該算法已成功應(yīng)用于某深水多波束測(cè)深系統(tǒng)，經(jīng)多次海試證明，工作穩(wěn)定可靠。

脈沖壓縮，深水多波束測(cè)深系統(tǒng)，線性調(diào)頻信號(hào)，實(shí)時(shí)算法

1　引言

多波束測(cè)深系統(tǒng)是水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。其工作原理是通過換能器進(jìn)行聲波廣角度定向發(fā)射、接收，通過各種傳感器對(duì)各個(gè)波束測(cè)點(diǎn)的空間位置進(jìn)行歸算，從而獲取與航向垂直的條帶式高密度水深數(shù)據(jù)。多波束測(cè)深系統(tǒng)可在接收方向形成數(shù)百個(gè)接收波束，每個(gè)接收波束可以測(cè)出相應(yīng)位置的深度，具有橫向覆蓋范圍大、波束窄、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于海上工程施工區(qū)和重要航道的較大面積的精確測(cè)量，也可以用于精確測(cè)量航行障礙物的位置、深度［1-5］。

在深水多波束測(cè)深系統(tǒng)中，由于邊緣回波距離較長，信噪比較低，經(jīng)常在邊緣采用線性調(diào)頻信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)。通過加長線性調(diào)頻信號(hào)的脈寬可增大發(fā)射信號(hào)的能量，通過對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的回波進(jìn)行脈沖壓縮運(yùn)算可提高回波的信噪比和空間分辨力。

深水多波束測(cè)深系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算有如下特點(diǎn)：采樣率較高，每個(gè)節(jié)拍的快拍時(shí)間較短；運(yùn)算量大，處理器資源有限；波束數(shù)目較多。而脈沖壓縮計(jì)算又涉及到多次FFT運(yùn)算，如果對(duì)每個(gè)波束直接進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算，運(yùn)算量較大，不但對(duì)有限的處理器資源造成了浪費(fèi)，還有可能無法滿足實(shí)時(shí)性要求。

文獻(xiàn)［6—7］中對(duì)高速脈沖壓縮計(jì)算進(jìn)行了一些研究，但一般是針對(duì)某種硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在計(jì)算層面進(jìn)行的優(yōu)化。本文針對(duì)多波束自身的特點(diǎn)，提出一種基于分組的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法，極大地減少了運(yùn)算量，節(jié)省了處理器資源。該算法已在ADSP TS201中實(shí)現(xiàn)，并在海上試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

2　利用FFT算法實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮

脈沖壓縮的實(shí)質(zhì)為匹配濾波。匹配濾波器為最大信噪比準(zhǔn)則的最優(yōu)濾波器，在高斯白噪聲的情況下使用。匹配濾波器的單位沖激響應(yīng)為信號(hào)的鏡像，即其中s［n］為信號(hào)，h［n］為匹配濾波器的單位沖激響應(yīng)，n為采樣點(diǎn)序號(hào)，N為信號(hào)點(diǎn)數(shù)。

匹配濾波器的輸出是在N-1時(shí)刻進(jìn)行采樣得到的，即

匹配濾波器的計(jì)算是仿形相關(guān)運(yùn)算，實(shí)際中可采用FFT進(jìn)行快速運(yùn)算，需分別擴(kuò)展信號(hào)和數(shù)據(jù)長度為L=2γ（γ為整數(shù)），其中L不小于信號(hào)和數(shù)據(jù)的長度之和。

3　深水多波束測(cè)深系統(tǒng)脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法

在深水多波束測(cè)深系統(tǒng)中，脈沖壓縮前每個(gè)節(jié)拍的數(shù)據(jù)長度為N，需要將數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)緩沖到L時(shí)再進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算，取脈沖壓縮結(jié)果的前N個(gè)數(shù)據(jù)作為本節(jié)拍所需結(jié)果（見圖1）。

圖1　直接脈沖壓縮示意圖Fig.1 Direct pulse compression

其中，每一行表示一個(gè)波束的脈沖壓縮結(jié)果緩沖區(qū)，前面的序號(hào)表示波束號(hào)。黑色小方塊為當(dāng)前節(jié)拍的結(jié)果數(shù)據(jù)，長度為N。

上述為直接脈沖壓縮計(jì)算方法。該方法需要在每個(gè)節(jié)拍對(duì)每個(gè)需要脈沖壓縮的波束進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算。深水多波束測(cè)深系統(tǒng)中，需要脈沖壓縮的波束數(shù)可能達(dá)到數(shù)百個(gè)之多，每次脈沖壓縮又需要進(jìn)行多次FFT運(yùn)算，運(yùn)算量非常龐大。針對(duì)運(yùn)算量大的問題，本文提出一種基于分組的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法。該算法的基本思想為將要進(jìn)行脈沖壓縮的波束進(jìn)行分組，每個(gè)節(jié)拍只對(duì)其中一組波束進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果取前面的一段數(shù)據(jù)，可供多個(gè)節(jié)拍使用。各組之間交錯(cuò)取運(yùn)算結(jié)果。該算法將多波束的脈沖壓縮運(yùn)算分散到多個(gè)節(jié)拍，有效緩解了運(yùn)算實(shí)時(shí)性的壓力。

假設(shè)有K個(gè)波束需要進(jìn)行脈沖壓縮運(yùn)算。仿形信號(hào)脈寬為τ，對(duì)應(yīng)的采樣率為Fs，則仿形信號(hào)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)數(shù)為Fsτ。脈沖壓縮模塊輸入端數(shù)據(jù)經(jīng)前端處理后，每個(gè)節(jié)拍每個(gè)波束有N個(gè)數(shù)據(jù)。FFT長度為L，需要將數(shù)據(jù)緩沖到L點(diǎn)時(shí)再進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算。要求FFT長度滿足兩個(gè)條件：

深水多波束測(cè)深系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流，脈沖壓縮計(jì)算可以看作是一個(gè)短的有限長序列與一個(gè)長序列的相關(guān)運(yùn)算。根據(jù)重疊保留法的理論可知，每次脈沖壓縮運(yùn)算之后，前面的L-Fsτ+1個(gè)點(diǎn)為準(zhǔn)確的結(jié)果。由于每個(gè)節(jié)拍需要截取N個(gè)數(shù)據(jù)，故每次脈沖壓縮的結(jié)果可供（L-Fsτ+1）/N個(gè)節(jié)拍使用。本文提出的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法基于這個(gè)理論進(jìn)行分組。

分組方式為：第0、Nsec、2Nsec、···號(hào)波束為第一組，第1，Nsec+1，2Nsec+1、···號(hào)波束為第二組，以此類推。分組情況如圖2所示。

圖2　脈沖壓縮分組示意圖Fig.2 Grouping of pulse compression

其中，每一行表示一個(gè)波束的脈沖壓縮結(jié)果緩沖區(qū)，前面的序號(hào)表示波束號(hào)。每個(gè)方格表示一個(gè)節(jié)拍的結(jié)果數(shù)據(jù)，長度為N。

第一個(gè)節(jié)拍只對(duì)第一組波束進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算，取黑色小方塊為當(dāng)前節(jié)拍的結(jié)果數(shù)據(jù)，其余波束不進(jìn)行計(jì)算，取與黑色小方塊對(duì)齊的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前結(jié)果（見圖2）。第二個(gè)節(jié)拍只對(duì)第二組波束進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算，以此類推。

該算法可以將脈沖壓縮的運(yùn)算時(shí)間減小到接近1/Nsec，極大地減小了深水多波束測(cè)深系統(tǒng)中脈沖壓縮實(shí)時(shí)運(yùn)算的運(yùn)算量，節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。

4　海試結(jié)果處理

為了驗(yàn)證算法的有效性，本小節(jié)通過對(duì)海試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)直接脈沖壓縮計(jì)算方法和基于分組的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法在運(yùn)算結(jié)果和運(yùn)算時(shí)間兩方面進(jìn)行了對(duì)比。

數(shù)據(jù)為某深水多波束測(cè)深系統(tǒng)在南海某海域的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為ADI公司的TigerSHARC DSP TS201。

ADSP TS201是一款性能極高的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，專對(duì)大的信號(hào)處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。該處理器將非常寬的存儲(chǔ)器寬度和雙運(yùn)算模塊（支持32位和40位浮點(diǎn)及8位、16位、32位和64位定點(diǎn)處理）組合在一起，建立了數(shù)字信號(hào)處理器性能的新標(biāo)準(zhǔn)。TigerSHARC靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使DSP每周期能夠執(zhí)行多達(dá)4條指令，24個(gè)16位定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。該DSP可采用多片級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)深水多波束測(cè)深系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件。

深水多波束測(cè)深系統(tǒng)線性調(diào)頻信號(hào)的脈寬為200 ms，采樣頻率為1220 Hz。對(duì)應(yīng)的需要進(jìn)行脈沖壓縮的波束數(shù)為120個(gè)。每個(gè)節(jié)拍的數(shù)據(jù)為8個(gè)，F(xiàn)FT長度為1024。取Nsec為8，16，32三種情況。對(duì)比情況如表1所示。

表1　脈沖壓縮計(jì)算時(shí)間對(duì)比Table 1 Computer time compare for pulse compression

圖3　Nsec為32Fig.3 Nsecis 32

從圖3可以看出，基于分組的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法可以準(zhǔn)確地進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算。從表1可以看出，基于分組的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法運(yùn)算時(shí)間顯著縮短，且分組多時(shí)，效果更明顯。

圖4為不同分組情況下運(yùn)算時(shí)間的對(duì)比，橫坐標(biāo)為需要進(jìn)行脈沖壓縮的波束個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為脈沖壓縮運(yùn)算的時(shí)間占整個(gè)快拍時(shí)間的比例?？梢钥吹?，當(dāng)不分組時(shí)，隨著波束數(shù)的增長，脈沖壓縮的運(yùn)算很快占滿了整個(gè)快拍時(shí)間，實(shí)時(shí)性得不到滿足，而分組使得運(yùn)算時(shí)間大幅縮短，不但實(shí)時(shí)性得到了滿足，還可以節(jié)省出大量的處理器時(shí)間用于其它功能模塊的運(yùn)算。

圖4　計(jì)算時(shí)間與快拍時(shí)間之比隨波束數(shù)的變化Fig.4 The ratio of computation time and beat time versus beam numbers

5　結(jié)論

本文提出了一種基于分組的脈沖壓縮實(shí)時(shí)算法。該算法在FFT長度、仿形信號(hào)長度和每個(gè)節(jié)拍的數(shù)據(jù)長度滿足一定約束關(guān)系的情況下，可作為一種通用算法用于不同處理器平臺(tái)的多通道脈沖壓縮計(jì)算，利用合理的分組提高運(yùn)算效率。算法已成功應(yīng)用于深水多波束測(cè)深系統(tǒng)，在保證運(yùn)算正確的前提下，極大地減少了運(yùn)算量，節(jié)省了處理器資源，經(jīng)多次海試證明，工作穩(wěn)定可靠。

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Real-time pulse compression algorithm of deepwater multi-beam bathymetric sonar

DONG FeiLIU ZhiyuLIU XiaogangLIU Xiaodong
（Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Deepwater multi-beam bathymetric sonar is a kind of high efficiency，high precision and high resolution ocean survey instrument.Considering large computation cost of pulse compression in deepwater multi-beam bathymetric sonar，a real-time pulse compression algorithm based on grouping was proposed.The algorithm divided beams，which need pulse compression，into groups.In each beat only one beam group was calculated.The algorithm can reduce much operation time of pulse compression and save processor resources. The algorithm has been applied in some deepwater multi-beam bathymetric sonar and proved stable and reliable in sea trial.

Pulse compression，Deepwater multi-beam bathymetric sonar，Linear frequency modulation signal，Real-time algorithm

TB565

A

1000-310X（2015）03-0216-04

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.005

2014-04-23收稿；2014-06-30定稿

?國家863計(jì)劃項(xiàng)目（2007AA090901）

董飛（1983-），男，山西晉城人，助理研究員，碩士，研究方向：水聲信號(hào)處理。?

E-mail：dongfei_83@mail.ioa.ac.cn