董　飛?　劉治宇　劉小剛　劉曉東

（中國科學院聲學研究所　北京　100190）

?研究報告?

深水多波束測深系統(tǒng)脈沖壓縮實時算法?

董飛?劉治宇劉小剛劉曉東

（中國科學院聲學研究所北京100190）

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

脈沖壓縮，深水多波束測深系統(tǒng)，線性調(diào)頻信號，實時算法

1　引言

多波束測深系統(tǒng)是水聲技術、計算機技術、導航定位技術和數(shù)字化傳感器技術等多種技術的高度集成。其工作原理是通過換能器進行聲波廣角度定向發(fā)射、接收，通過各種傳感器對各個波束測點的空間位置進行歸算，從而獲取與航向垂直的條帶式高密度水深數(shù)據(jù)。多波束測深系統(tǒng)可在接收方向形成數(shù)百個接收波束，每個接收波束可以測出相應位置的深度，具有橫向覆蓋范圍大、波束窄、效率高等優(yōu)點，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量，也可以用于精確測量航行障礙物的位置、深度［1-5］。

在深水多波束測深系統(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)頻信號作為發(fā)射信號。通過加長線性調(diào)頻信號的脈寬可增大發(fā)射信號的能量，通過對線性調(diào)頻信號的回波進行脈沖壓縮運算可提高回波的信噪比和空間分辨力。

深水多波束測深系統(tǒng)的實時運算有如下特點：采樣率較高，每個節(jié)拍的快拍時間較短；運算量大，處理器資源有限；波束數(shù)目較多。而脈沖壓縮計算又涉及到多次FFT運算，如果對每個波束直接進行脈沖壓縮計算，運算量較大，不但對有限的處理器資源造成了浪費，還有可能無法滿足實時性要求。

文獻［6—7］中對高速脈沖壓縮計算進行了一些研究，但一般是針對某種硬件平臺的結構特點在計算層面進行的優(yōu)化。本文針對多波束自身的特點，提出一種基于分組的脈沖壓縮實時算法，極大地減少了運算量，節(jié)省了處理器資源。該算法已在ADSP TS201中實現(xiàn)，并在海上試驗中得到了驗證。

2　利用FFT算法實現(xiàn)脈沖壓縮

脈沖壓縮的實質(zhì)為匹配濾波。匹配濾波器為最大信噪比準則的最優(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為信號的鏡像，即其中s［n］為信號，h［n］為匹配濾波器的單位沖激響應，n為采樣點序號，N為信號點數(shù)。

匹配濾波器的輸出是在N-1時刻進行采樣得到的，即

匹配濾波器的計算是仿形相關運算，實際中可采用FFT進行快速運算，需分別擴展信號和數(shù)據(jù)長度為L=2γ（γ為整數(shù)），其中L不小于信號和數(shù)據(jù)的長度之和。

3　深水多波束測深系統(tǒng)脈沖壓縮實時算法

在深水多波束測深系統(tǒng)中，脈沖壓縮前每個節(jié)拍的數(shù)據(jù)長度為N，需要將數(shù)據(jù)點數(shù)緩沖到L時再進行脈沖壓縮計算，取脈沖壓縮結果的前N個數(shù)據(jù)作為本節(jié)拍所需結果（見圖1）。

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

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

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

假設有K個波束需要進行脈沖壓縮運算。仿形信號脈寬為τ，對應的采樣率為Fs，則仿形信號對應的點數(shù)為Fsτ。脈沖壓縮模塊輸入端數(shù)據(jù)經(jīng)前端處理后，每個節(jié)拍每個波束有N個數(shù)據(jù)。FFT長度為L，需要將數(shù)據(jù)緩沖到L點時再進行脈沖壓縮計算。要求FFT長度滿足兩個條件：

深水多波束測深系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流，脈沖壓縮計算可以看作是一個短的有限長序列與一個長序列的相關運算。根據(jù)重疊保留法的理論可知，每次脈沖壓縮運算之后，前面的L-Fsτ+1個點為準確的結果。由于每個節(jié)拍需要截取N個數(shù)據(jù)，故每次脈沖壓縮的結果可供（L-Fsτ+1）/N個節(jié)拍使用。本文提出的脈沖壓縮實時算法基于這個理論進行分組。

分組方式為：第0、Nsec、2Nsec、···號波束為第一組，第1，Nsec+1，2Nsec+1、···號波束為第二組，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，每一行表示一個波束的脈沖壓縮結果緩沖區(qū)，前面的序號表示波束號。每個方格表示一個節(jié)拍的結果數(shù)據(jù)，長度為N。

第一個節(jié)拍只對第一組波束進行脈沖壓縮計算，取黑色小方塊為當前節(jié)拍的結果數(shù)據(jù)，其余波束不進行計算，取與黑色小方塊對齊的數(shù)據(jù)作為當前結果（見圖2）。第二個節(jié)拍只對第二組波束進行脈沖壓縮計算，以此類推。

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

4　海試結果處理

為了驗證算法的有效性，本小節(jié)通過對海試數(shù)據(jù)進行處理，對直接脈沖壓縮計算方法和基于分組的脈沖壓縮實時算法在運算結果和運算時間兩方面進行了對比。

數(shù)據(jù)為某深水多波束測深系統(tǒng)在南海某海域的試驗數(shù)據(jù)。實現(xiàn)平臺為ADI公司的TigerSHARC DSP TS201。

ADSP TS201是一款性能極高的靜態(tài)超標量處理器，專對大的信號處理任務和通信結構進行了優(yōu)化。該處理器將非常寬的存儲器寬度和雙運算模塊（支持32位和40位浮點及8位、16位、32位和64位定點處理）組合在一起，建立了數(shù)字信號處理器性能的新標準。TigerSHARC靜態(tài)超標量結構使DSP每周期能夠執(zhí)行多達4條指令，24個16位定點運算和6個浮點運算。該DSP可采用多片級聯(lián)的方式實現(xiàn)深水多波束測深系統(tǒng)實時信號處理軟件。

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

表1　脈沖壓縮計算時間對比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時算法可以準確地進行脈沖壓縮計算。從表1可以看出，基于分組的脈沖壓縮實時算法運算時間顯著縮短，且分組多時，效果更明顯。

圖4為不同分組情況下運算時間的對比，橫坐標為需要進行脈沖壓縮的波束個數(shù)，縱坐標為脈沖壓縮運算的時間占整個快拍時間的比例?？梢钥吹剑敳环纸M時，隨著波束數(shù)的增長，脈沖壓縮的運算很快占滿了整個快拍時間，實時性得不到滿足，而分組使得運算時間大幅縮短，不但實時性得到了滿足，還可以節(jié)省出大量的處理器時間用于其它功能模塊的運算。

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

5　結論

本文提出了一種基于分組的脈沖壓縮實時算法。該算法在FFT長度、仿形信號長度和每個節(jié)拍的數(shù)據(jù)長度滿足一定約束關系的情況下，可作為一種通用算法用于不同處理器平臺的多通道脈沖壓縮計算，利用合理的分組提高運算效率。算法已成功應用于深水多波束測深系統(tǒng)，在保證運算正確的前提下，極大地減少了運算量，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計劃項目（2007AA090901）

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

E-mail：dongfei_83@mail.ioa.ac.cn