本发明一般涉及海洋探测技术领域，具体涉及一种异构声呐阵列信号处理系统。
背景技术：
声呐(soundnavigationandranging，sonar)是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。一般地，声呐设备以基阵或阵列的形式部署在水下，每个阵列包含几十、几百甚至上千个独立的探测阵元。对于阵列信号的处理而言，就是对接收的信号进行加工，比如上变频、加窗、滤波等消除或者降低噪声干扰，提高信号信噪比，然后通过傅里叶变换、波束形成等方式提取所需的目标位置信息和特征信息等。
目前，相关技术中的处理方式是采用x86架构服务器或工控机，即先将阵列信号传输至岸端处理中心，再利用cpu或gpu进行信号处理。然而，为提高观测范围和精度，水下部署的探测阵元数量众多，需同时对多路信号进行复杂的多维度处理，数据量大，在经过远距离传输后会造成网络延迟和误码率增加，影响处理的精度和实时性，并且这类设备尺寸大、功耗高，无法与声呐阵列一起部署在水下进行实时处理。
技术实现要素：
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种异构声呐阵列信号处理系统，能够根据处理声呐阵列信号数据量的规模，灵活组合不同计算模块，以充分发挥各计算芯片的优势，对不同的声呐阵列适应能力强，同时采用模块化设计，尺寸小，便于与声呐阵列一起部署在水下进行实时处理，从而减小大数据量传输导致的网络延迟和高误码率。
本申请提供一种异构声呐阵列信号处理系统，所述系统包括pcie底板、以及通过所述pcie底板上的板载系统接口进行数据通信的多个嵌入式计算芯片；
其中，所述板载系统接口包括root端接口和end端接口，与所述root端接口连接的计算芯片通过所述pcie底板上的pcieswitch控制与所述end端接口连接的计算芯片。
可选地，所述计算芯片包括现场可编程门阵列器件，所述现场可编程门阵列器件用于接口通信和数据存储。
可选地，所述现场可编程门阵列器件内部集成armcortex-a9控制器，外部设置第一电源接口、第一预留电源模块、与所述第一预留电源模块配合使用的第一开关、第一jtag接口、第一pcie4x接口、第一网络端口、第一hdmi接口、第一usb接口和第一m.2接口。
可选地，所述现场可编程门阵列器件为zynq-7000系列中的z7035。
可选地，所述计算芯片还包括数字信号处理器，所述数字信号处理器用于对小型声呐阵列信号进行滤波和功率谱计算。
可选地，所述数字信号处理器为dsp-6000系列，并在外部设置第二电源接口、第二预留电源模块、与所述第二预留电源模块配合使用的第二开关、第二jtag接口、第二pcie4x接口、第二网络端口、第二hdmi接口和第二usb接口。
可选地，所述数字信号处理器为所述dsp-6000系列中的c6678。
可选地，所述计算芯片还包括图像处理器，所述图像处理器用于对大型声呐阵列信号进行滤波和波束形成，并计算得到目标方位。
可选地，所述图像处理器内部集成arm控制器，外部设置第三电源接口、第三预留电源模块、与所述第三预留电源模块配合使用的第三开关、第三jtag接口、第三pcie4x接口、第三网络端口、第三hdmi接口、第三usb接口和第二m.2接口。
可选地，所述图像处理器为jetson系列中的tx2。
综上，本申请实施例提供的异构声呐阵列信号处理系统，该系统包括pcie底板、以及通过pcie底板上的板载系统接口进行数据通信的多个嵌入式计算芯片；其中，板载系统接口包括root端接口和end端接口，与root端接口连接的计算芯片通过pcie底板上的pcieswitch控制与end端接口连接的计算芯片。本申请实施例能够根据处理声呐阵列信号数据量的规模，灵活组合不同计算模块，以充分发挥各计算芯片的优势，对不同的声呐阵列适应能力强，同时采用模块化设计，尺寸小，便于与声呐阵列一起部署在水下进行实时处理，从而减小了大数据量传输导致的网络延迟和高误码率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例提供的一种异构声呐阵列信号处理系统的基本结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种8元声呐阵列信号计算流程图；
图3为本申请实施例提供的一种256元声呐阵列信号计算流程图；
图4为本申请实施例提供的一种8元和256元声呐混合阵列信号计算流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了便于理解和说明，下面通过图1至图4详细的阐述本申请实施例提供的异构声呐阵列信号处理系统。
请参考图1，其为本申请实施例提供的一种异构声呐阵列信号处理系统的基本结构示意图，该系统包括pcie底板101、以及通过pcie底板101上的板载系统接口进行数据通信的多个嵌入式计算芯片102。
其中，板载系统接口包括root端接口和end端接口，与root端接口连接的计算芯片通过pcie底板101上的pcieswitch控制与end端接口连接的计算芯片。本申请实施例采用模块化设计，能够根据处理的声呐阵列中阵元数量，在不同的计算芯片102之间进行动态组合。当然，各个计算芯片102也可以单独使用，以满足不同任务需求和功耗要求。
需要说明的是，pcie底板101为不同计算芯片102提供电源和pcie通信链路。该pcie底板101设计有电源模块和3个pcie4x接口，其中1个pcie4x接口作为root端接口，其余2个pcie4x接口作为end端接口。
可选地，计算芯片102包括现场可编程门阵列器件(fieldprogrammablegatearray，fpga)1021，现场可编程门阵列器件1021用于接口通信和数据存储。
具体的，现场可编程门阵列器件1021内部集成armcortex-a9控制器，外部设置第一电源接口、第一预留电源模块(独立供电的情况下使用)、1个与第一预留电源模块配合使用的第一开关、1个led电源指示灯、1个第一jtag接口、1个第一pcie2.04x接口、1个千兆第一网络端口、1个第一hdmi接口、1个第一usb接口和1个第一m.2接口。可选地，现场可编程门阵列器件1021为zynq-7000系列中的z7035。
可选地，计算芯片102还包括数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)1022，数字信号处理器1022用于对小型声呐阵列信号进行滤波和功率谱计算。
具体的，数字信号处理器1022为ti公司tms320中dsp-6000系列，最大功耗小于10w。并在外部设置第二电源接口、第二预留电源模块(独立供电的情况下使用)、1个与第二预留电源模块配合使用的第二开关、1个led电源指示灯、1个第二jtag接口、1个第二pcie2.04x接口、1个千兆第二网络端口、1个第二hdmi接口和1个第二usb接口。可选地，数字信号处理器1022为dsp-6000系列中的c6678。
可选地，计算芯片102还包括图像处理器(graphicsprocessingunit，gpu)1023，图像处理器1023用于对大型声呐阵列信号进行滤波和波束形成，并计算得到目标方位。
具体的，图像处理器1023采用nvidia公司的jetson系列，内部集成arm控制器，外部设置第三电源接口、第三预留电源模块(独立供电的情况下使用)、1个与第三预留电源模块配合使用的第三开关、1个led电源指示灯、1个第三jtag接口、1个第三pcie2.04x接口、1个千兆第三网络端口、1个第三hdmi接口、1个第三usb接口和1个第二m.2接口。可选地，图像处理器1023为jetson系列中的tx2。
需要说明的是，图像处理器1023计算芯片可以作为root端设备与其它计算芯片通过pcie底板101上的板载系统接口进行数据通信。随着gpu计算芯片设计制造能力的提升，以及cuda开发并行计算框架的完善，使得针对gpu的开发编译变得越来越便捷。同时，nvidia公司的jetson系列嵌入式gpu芯片具有计算能力强和功耗低的优势。相较于其它类型的计算芯片，gpu芯片并行计算能力突出，适用于大型矩阵运算。
为便于更好地理解本申请实施例中异构声呐阵列信号处理系统，下面分别对8元声呐阵列、256元声呐阵列以及二者的混合阵列为例进行详细地说明。
对于8元声呐阵列而言，由于阵元数量少，计算要求低，因此本申请实施例中采用fpga dsp两个计算芯片进行信号的处理。如图2所示，其为本申请实施例提供的一种8元声呐阵列信号计算流程图。采样率16khz，对声呐阵列信号进行150hz～500hz的滤波和功率谱计算，并同时对原始数据和处理后的结果进行本地存储。其中，fpga计算芯片采用zynq-7000系列中的z7035，用于信号实时存储；dsp计算芯片采用dsp6000系列中的c6678，用于滤波和功率谱计算；而fpga和dsp两个计算芯片之间通过pcie底板进行连接。
对于256元声呐阵列而言，由于阵元数量多，且算法复杂，涉及较多的矩阵运算，因此本申请实施例中采用fpga gpu两个计算芯片进行信号的处理。如图3所示，其为本申请实施例提供的一种256元声呐阵列信号计算流程图。采样率16khz，对声呐阵列信号进行150hz～500hz的滤波和波束形成，计算目标方位，并同时对原始数据和计算结果进行本地存储。其中，fpga计算芯片采用zynq-7000系列中的z7035，用于接口通信和数据实时存储；gpu计算芯片采用jetson系列中的tx2，用于滤波计算；而fpga和gpu两个计算芯片之间通过pcie底板进行连接。
对于8元和256元声呐混合阵列而言，由于涉及2种不同的声呐阵列，而不同阵列计算过程不同，因此本申请实施例中采用fpga gpu dsp的方式进行组合处理。如图4所示，其为本申请实施例提供的一种8元和256元声呐混合阵列信号计算流程图。采样率16khz,对8元声呐阵列信号进行150hz～500hz滤波、功率谱估计，计算后的结果进行存储；对256元声呐阵列信号进行300hz～1000hz滤波和波束形成，并计算目标方位信息，计算后的结果进行存储。其中，fpga计算芯片采用zynq-7000系列中的z7035，dsp计算芯片采用dsp6000系列中的c6678，而gpu计算芯片则采用jetson系列中的tx2。fpga用于数据接收和分发，dsp用于处理8元声呐阵列，gpu用于处理256元声呐阵列。dsp和gpu可实现独立并行计算，处理结果返回至fpga进行存储。
需要说明的是，本申请实施例中每个计算芯片电路板的尺寸(长×宽)小于15cm×10cm。当使用fpga gpu dsp的组合模式时，整体电路板尺寸的长×宽×高小于15cm×10cm×10cm。
总而言之，本申请实施例中异构声呐阵列信号处理系统采用嵌入式gpu计算芯片、fpga计算芯片和dsp计算芯片动态组合的方式进行，具有整体尺寸小、功耗低和灵活性强的优势，可以和声呐阵列一起部署在水下耐压仓内进行实时信号处理，避免了大数据量声呐信号远距离传输时造成的高误码率和通信延迟的问题，减小了网络吞吐量。同时，利用pcie架构，能够动态组合不同计算芯片,并根据任务需求充分发挥不同计算芯片的特点。具体的，针对大型声呐阵列信号的处理，可采用fpga gpu的组合模式，fpga用于接口通信和数据存储,gpu用于阵列信号处理；针对独立或是小型声呐阵列信号的处理,可采用fpga dsp的组合模式，fpga用于接口通信和数据存储,dsp用于数字信号处理；而针对多种不同阵元数量的声呐阵列混合处理时，可采用fpga gpu dsp的组合模式。
需要说明的是，本实施例中与其它实施例中相同内容的说明，可以参照其它实施例中的描述，此处不再赘述。
本申请实施例提供的异构声呐阵列信号处理系统，该系统包括pcie底板、以及通过pcie底板上的板载系统接口进行数据通信的多个嵌入式计算芯片；其中，板载系统接口包括root端接口和end端接口，与root端接口连接的计算芯片通过pcie底板上的pcieswitch控制与end端接口连接的计算芯片。本申请实施例能够根据处理声呐阵列信号数据量的规模，灵活组合不同计算模块，以充分发挥各计算芯片的优势，对不同的声呐阵列适应能力强，同时采用模块化设计，尺寸小，便于与声呐阵列一起部署在水下进行实时处理，从而减小了大数据量传输导致的网络延迟和高误码率。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
1.一种异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述系统包括pcie底板、以及通过所述pcie底板上的板载系统接口进行数据通信的多个嵌入式计算芯片；
其中，所述板载系统接口包括root端接口和end端接口，与所述root端接口连接的计算芯片通过所述pcie底板上的pcieswitch控制与所述end端接口连接的计算芯片。
2.根据权利要求1所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述计算芯片包括现场可编程门阵列器件，所述现场可编程门阵列器件用于接口通信和数据存储。
3.根据权利要求2所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列器件内部集成armcortex-a9控制器，外部设置第一电源接口、第一预留电源模块、与所述第一预留电源模块配合使用的第一开关、第一jtag接口、第一pcie4x接口、第一网络端口、第一hdmi接口、第一usb接口和第一m.2接口。
4.根据权利要求3所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列器件为zynq-7000系列中的z7035。
5.根据权利要求2所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述计算芯片还包括数字信号处理器，所述数字信号处理器用于对小型声呐阵列信号进行滤波和功率谱计算。
6.根据权利要求5所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述数字信号处理器为dsp-6000系列，并在外部设置第二电源接口、第二预留电源模块、与所述第二预留电源模块配合使用的第二开关、第二jtag接口、第二pcie4x接口、第二网络端口、第二hdmi接口和第二usb接口。
7.根据权利要求6所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述数字信号处理器为所述dsp-6000系列中的c6678。
8.根据权利要求2所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述计算芯片还包括图像处理器，所述图像处理器用于对大型声呐阵列信号进行滤波和波束形成，并计算得到目标方位。
9.根据权利要求8所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述图像处理器内部集成arm控制器，外部设置第三电源接口、第三预留电源模块、与所述第三预留电源模块配合使用的第三开关、第三jtag接口、第三pcie4x接口、第三网络端口、第三hdmi接口、第三usb接口和第二m.2接口。
10.根据权利要求9所述的异构声呐阵列信号处理系统，其特征在于，所述图像处理器为jetson系列中的tx2。
技术总结