基于CUDA的SAR成像模擬

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1、《基于CUDA的SAR成像模擬》《高性能計(jì)算系統(tǒng)》設(shè)計(jì)報(bào)告基于CUDA的SAR成像模擬1《基于CUDA的SAR成像模擬》摘要：近幾年，隨著圖形處理器（GPU）技術(shù)的飛速發(fā)展，GPU強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算和并行處理能力使得業(yè)界都在致力于挖掘其潛能，使其能夠在非圖形領(lǐng)域也能發(fā)揮其高性能計(jì)算的優(yōu)勢，于是基于GPU的高性能計(jì)算得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。SAR成像信號處理主要包含回波模擬產(chǎn)生，距離壓縮，距離徙動(dòng)校正以及方位壓縮幾部分，如果從傳統(tǒng)的CPU平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算的話，則需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。本報(bào)告借助GPU強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算和高度的并行處理能力，將

2、SAR成像中CSA算法在GPU上進(jìn)行了驗(yàn)證，并得出了較好的效果。在SAR成像領(lǐng)域中，相信CUDA的運(yùn)用將是未來一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文的主要研究內(nèi)容如下：1)建立了正側(cè)視條件下條帶測繪的機(jī)載SAR的成像模型，并從機(jī)載SAR信號處理的角度闡述了SAR的成像原理及CSA算法。2)對SAR的成像模擬中的回波模擬產(chǎn)生，距離徙動(dòng)校正，方位壓縮理論算法在GPU上的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的論述。3)以點(diǎn)目標(biāo)成像為例，將SAR的CSA成像算法分別在GPU和CPU上實(shí)現(xiàn)，采用了CSA對其進(jìn)行驗(yàn)證。對比結(jié)果表明了基于CUDA的SAR成像算法的優(yōu)勢

3、。關(guān)鍵詞：SAR、CUDA、CSA、雷達(dá)成像模擬、高性能計(jì)算2《基于CUDA的SAR成像模擬》1.基本原理1.1SAR原理簡介雷達(dá)(Radar)的基本功能是利用目標(biāo)對電磁波的散射回波來探測目標(biāo)是否存在，并測定目標(biāo)的空間位置。超音速殲擊機(jī)就是利用安裝在機(jī)頭流線型前端的雷達(dá)使用無線電波，可以準(zhǔn)確的逼近150km之外且隱藏在云層中的目標(biāo)。成像雷達(dá)是原始的雷達(dá)概念上的擴(kuò)展，其具有對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(飛機(jī)、導(dǎo)彈等)和區(qū)域目標(biāo)(地面等)進(jìn)行識(shí)別和成像的能力，在電子偵察、地形測繪方面已得到大量的應(yīng)用。在各種成像雷達(dá)系統(tǒng)中，通過信號分析技術(shù)構(gòu)建一個(gè)

4、等效長天線的思想被稱為合成孔徑雷達(dá)(SAR)。合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種利用小孔徑天線，能全天時(shí)、全天候獲得高分辨率的成像雷達(dá)技術(shù)。SAR利用脈沖壓縮技術(shù)獲得高的距離向分辨率，利用雷達(dá)的前向運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生等效的長天線從而獲得高的方位分辨率，最終能得到二維高分辨率的雷達(dá)成像。SAR相比較其它類型的雷達(dá)（例如光學(xué)雷達(dá)），其優(yōu)勢在與于SAR可以在多云的夜晚獲得清晰的圖像，光學(xué)雷達(dá)是無法在這種條件下成像的，這是因?yàn)镾AR是不依靠太陽的光線，而且受云層和其他天氣現(xiàn)象狀況影響很小。圖1：以機(jī)載平臺(tái)為例的SAR成像示意圖1.2SAR信號處理

5、相關(guān)概念在SAR信號處理中，將會(huì)用到如下基本概念。1.2.1線性調(diào)頻信號線性調(diào)頻信號(Linefrequencymodulation)是指瞬時(shí)頻率是時(shí)間的線性函數(shù)的信號，信號時(shí)域t2復(fù)數(shù)形式表達(dá)式為：st()=rect()exp{jKtπ}這種信號用于發(fā)射，以得到均勻的信號帶寬。Tr1.2.2距離向和方位向方位向是指與平臺(tái)(飛機(jī)、衛(wèi)星)相對速度矢量一致的方向。距離向指的是與雷達(dá)視線重合的方向。在正側(cè)視條件下，斜視角為零，因而距離軸和方位軸垂直。在圖3中，距離軸和方位軸分別對應(yīng)x軸和y軸。1.2.3波束寬度雷達(dá)的波束可以看成是

6、一個(gè)圓錐體，而波束覆蓋區(qū)為圓錐體與地面相切形成的截面。雷達(dá)波束有兩個(gè)重要度量：方位平面內(nèi)的角寬和俯仰平面內(nèi)的角寬。每個(gè)半平面中，半功率波束寬度，或簡稱波束寬度，由波束“邊緣”角界定。波束邊緣角由輻射強(qiáng)度處于峰值以下3dB處的位置來定義。在圖3中，Lsar所對應(yīng)的三角形頂角就是波束寬度。1.2.4目標(biāo)點(diǎn)SAR照射場景區(qū)域中的一個(gè)假象點(diǎn)。一塊場景區(qū)域是由很多目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成的，按照距離向和方位3《基于CUDA的SAR成像模擬》向來排列，可以看成一個(gè)二維矩陣。在圖3中，Tc和T分別指的是場景中的目標(biāo)點(diǎn)。1.2.5快時(shí)間與慢時(shí)間它們指的是

7、兩種時(shí)間概念，一種是包含在信號復(fù)振幅中的時(shí)間以反映信號本身變化，稱為“快”時(shí)間(fasttime)；另一種是包含在信號延遲中的時(shí)間以反映平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的位置變化，因?yàn)镾AR的位置變化在信號持續(xù)時(shí)間內(nèi)是變化非常小的，稱為“慢”時(shí)間(slowtime)?！翱臁睍r(shí)間指的是脈沖內(nèi)的時(shí)間，它決定SAR的距離向的分辨率?！奥睍r(shí)間是指的脈沖間的時(shí)間，它決定SAR方位向的分辨率。1.3SAR成像模型和幾何關(guān)系根據(jù)平臺(tái)飛行時(shí)SAR波束照射的方式，SAR的典型成像模型分為Stripmap(條帶式)，Spotlight(聚束式)和Scan(掃描模

8、式)，如圖所示。條帶式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像中最簡單最有效的方式；聚束式成像是在平臺(tái)一次飛行中，通過SAR不同的視角對同一區(qū)域成像，這樣能獲得較高的分辨率；掃描模式成像較少使用，它的信號處理最為復(fù)雜。本文主要圍繞著正側(cè)視條帶測繪的機(jī)載SAR的成像模型，從機(jī)載SAR信號處