水声阵列信号处理的并行实现研究

论文摘要

大运算量的科学计算以及高速实时信号处理已经无法依靠传统的单处理机系统完成,并行处理是解决不断增长的运算速度要求和有限的处理能力之间矛盾的必然选择。伴随着水声信号处理理论的发展,人们对新一代水声信号处理系统在运算实时性、运算精度、动态范围及数据吞吐量等诸多方面提出了越来越高的要求,采用具有高运算性能及大数据吞吐能力的并行信号处理系统势在必行。与此同时,开发与之相对应的高效、快速、准确的并行算法也成为当务之急。本文在自行开发的“基于Quad C64X并行处理板的可扩展并行声纳信号处理平台”的基础上,围绕水声阵列信号处理中一些关键技术的并行实现进行了一系列的研究工作,具体研究内容可概括如下:第1章绪论部分阐述了本文的选题意义,概括了水声阵列信号处理技术的发展概况,同时介绍了并行处理技术中最为关键的几方面内容,并概括了全文的主要研究内容和组织结构。第2章研究了基于静态互连网络的可扩展通用并行声纳信号处理系统的结构,针对该并行处理系统中较重要的数据传输逻辑的设计与实现进行了说明,并对上述实现的性能进行了分析,给出了网络中结点间通信延迟和并行处理系统的加速比和效率的一般性结果。最后给出了整个系统的并行处理策略,分析了该系统在并行处理中的流水线处理层次。第3章介绍了典型常规波束形成算法的并行实现。以常规非数据依赖波束形成器的并行实现为目标,概括了波束形成算法基于并行DSP系统的实现方法和基于FPGA系统的并行实现方法,并在实际系统上进行了仿真和实现,对其性能进行了分析和比较。第4章以自适应波束形成基本理论为基础,研究了基于LCMV准则的自适应波束形成器的QR分解SMI算法。根据QR分解实现过程中Givens约化的内在并行性,在Givens约化的标准并行算法和贪婪并行算法的基础上,给出了一种通过子任务划分的并行算法。同时,研究了QR分解SMI算法及逆QR分解SMI算法的Systolic实现,并分析了在实际FPGA系统上进行上述Systolic阵列并行算法的硬件实现方法及结构。第5章研究了恒定束宽波束形成的设计与实现。给出了宽带恒定束宽波束形成的频域解决途径,并在此基础上分析了任意传感器条件下恒定束宽波束形成权向量的设计方法。基于实际实现研究了一种基于两级滤波器结构的恒定束宽波束形成器设计方法。另外还进行了近场球面波条件下恒定束宽波束形成阵设计的分析和讨论,提出了基于近场恒定束宽阵的权向量设计方法。分析了恒定束宽波束形成算法在实际系统上的并行实现。论文的最后总结了本文的研究成果和创新之处,并对下一步的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 立题意义
• 1.3 阵列信号处理技术综述
• 1.3.1 阵列信号处理技术的发展概况
• 1.3.2 水声阵列信号处理的实现及应用
• 1.4 并行处理技术综述
• 1.4.1 并行系统设计
• 1.4.2 并行程序设计
• 1.4.3 并行处理系统的互连技术
• 1.5 本文的研究内容和结构
• 第2章 通用并行信号处理系统的设计与实现
• 2.1 引言
• C64X的可扩展并行信号处理系统设计'>2.2 基于Quad_C64X的可扩展并行信号处理系统设计
• C64X并行信号处理板结构'>2.2.1 Quad_C64X并行信号处理板结构
• C64X并行系统结构'>2.2.2 多Quad_C64X并行系统结构
• 2.3 数据传输逻辑的设计与实现
• 2.3.1 板内互连的设计与实现
• 2.3.2 板间互连的设计与实现
• 2.4 系统的并行性能分析
• 2.4.1 影响并行处理系统性能的因素
• 2.4.2 系统的平均通信延迟
• 2.4.3 加速比性能定律
• C64X的可扩展性能分析'>2.4.4 基于Quad_C64X的可扩展性能分析
• C64X并行信号处理系统的并行处理策略'>2.5 Quad_C64X并行信号处理系统的并行处理策略
• 2.5.1 系统网络互连结构及形式
• 2.5.2 流水线处理技术的应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 常规波束形成算法的并行实现技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 典型常规波束形成实现方法概述
• 3.3 波束形成算法基于通用DSP的并行实现策略
• 3.3.1 延时求和波束形成算法的并行实现
• 3.3.2 频域相移波束形成算法的并行实现
• 3.3.3 试验模拟结果及比较
• 3.4 波束形成算法基于FPGA的并行实现策略
• 3.4.1 延时求和波束形成基于FPGA的总体设计思路
• 3.4.2 各功能模块的设计
• 3.4.3 顶层文件的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 自适应波束形成算法的并行实现技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于QR分解的SMI自适应波束形成算法
• 4.2.1 LCMV波束形成器及SMI算法
• 4.2.2 QR分解SMI算法
• 4.2.3 对角加载技术的应用
• 4.2.4 仿真及性能分析
• 4.3 QR分解的并行实现
• 4.3.1 Givens约化的并行算法:标准算法
• 4.3.2 Givens约化的并行算法:贪婪算法
• 4.3.3 通过子任务划分的并行算法
• 4.3.4 并行性能分析
• 4.4 QR分解SMI算法的Systolic实现
• 4.4.1 Systolic并行处理阵列
• 4.4.2 QR分解SMI算法的Systolic实现
• 4.4.3 避免前向后向回带的逆QR分解SMI算法
• 4.4.4 逆QR分解SMI算法的Systolic实现
• 4.4.5 并行性能分析
• 4.5 QR分解SMI算法的FPGA实现
• 4.5.1 各宏单元的构架
• 4.5.2 系统整体设计与构架
• 4.6 本章小结
• 第5章 恒定束宽波束形成技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述
• 5.3 恒定束宽波束形成的频域解决途径
• 5.4 任意传感器条件下恒定束宽波束形成权系数的设计
• 5.4.1 基于频不变波束响应的宽带权系数设计
• 5.4.2 基于主瓣区域约束的宽带权系数设计
• 5.5 一种基于两级滤波器结构的恒定束宽时域解决方法
• 5.5.1 连续传感器理论
• 5.5.2 实际宽带阵列的设计
• 5.5.3 设计实例
• 5.6 近场恒定束宽波束形成设计
• 5.6.1 近场波束形成分析及近场补偿
• 5.6.2 基于近场声辐射距离转换的恒定束宽波束形成设计
• 5.6.3 近场宽带波束的直接设计方法
• 5.7 恒定束宽波束形成的并行系统实现策略
• 5.7.1 恒定束宽波束形成的并行系统设计
• 5.7.2 恒定束宽波束形成的并行任务划分
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A