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1、《基于CUDA的SAR成像模擬》《高性能計算系統(tǒng)》設(shè)計報告基于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強大的浮點運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)揮其高性能計算的優(yōu)勢，于是基于GPU的高性能計算得到了業(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，距離徙動校正以及方位壓縮幾部分，如果從傳統(tǒng)的CPU平臺上進行計算的話，則需要耗費大量的時間。本報告借助GPU強大的浮點運算和高度的并行處理能力，將
2、SAR成像中CSA算法在GPU上進行了驗證，并得出了較好的效果。在SAR成像領(lǐng)域中，相信CUDA的運用將是未來一個重要的發(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載SAR的成像模型，并從機載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，距離徙動校正，方位壓縮理論算法在GPU上的實現(xiàn)和優(yōu)化進行了詳細的論述。3)以點目標成像為例，將SAR的CSA成像算法分別在GPU和CPU上實現(xiàn)，采用了CSA對其進行驗證。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、雷達成像模擬、高性能計算2《基于CUDA的SAR成像模擬》1.基本原理1.1SAR原理簡介雷達(Radar)的基本功能是利用目標對電磁波的散射回波來探測目標是否存在，并測定目標的空間位置。超音速殲擊機就是利用安裝在機頭流線型前端的雷達使用無線電波，可以準確的逼近150km之外且隱藏在云層中的目標。成像雷達是原始的雷達概念上的擴展，其具有對運動目標(飛機、導彈等)和區(qū)域目標(地面等)進行識別和成像的能力，在電子偵察、地形測繪方面已得到大量的應(yīng)用。在各種成像雷達系統(tǒng)中，通過信號分析技術(shù)構(gòu)建一個
4、等效長天線的思想被稱為合成孔徑雷達(SAR)。合成孔徑雷達(SAR)是一種利用小孔徑天線，能全天時、全天候獲得高分辨率的成像雷達技術(shù)。SAR利用脈沖壓縮技術(shù)獲得高的距離向分辨率，利用雷達的前向運動來產(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成像。SAR相比較其它類型的雷達（例如光學雷達），其優(yōu)勢在與于SAR可以在多云的夜晚獲得清晰的圖像，光學雷達是無法在這種條件下成像的，這是因為SAR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：以機載平臺為例的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)是指瞬時頻率是時間的線性函數(shù)的信號，信號時域t2復數(shù)形式表達式為：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(飛機、衛(wèi)星)相對速度矢量一致的方向。距離向指的是與雷達視線重合的方向。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波束寬度雷達的波束可以看成是
6、一個圓錐體，而波束覆蓋區(qū)為圓錐體與地面相切形成的截面。雷達波束有兩個重要度量：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目標點SAR照射場景區(qū)域中的一個假象點。一塊場景區(qū)域是由很多目標點構(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，可以看成一個二維矩陣。在圖3中，Tc和T分別指的是場景中的目標點。1.2.5快時間與慢時間它們指的是
7、兩種時間概念，一種是包含在信號復振幅中的時間以反映信號本身變化，稱為“快”時間(fasttime)；另一種是包含在信號延遲中的時間以反映平臺運動引起的位置變化，因為SAR的位置變化在信號持續(xù)時間內(nèi)是變化非常小的，稱為“慢”時間(slowtime)?！翱臁睍r間指的是脈沖內(nèi)的時間，它決定SAR的距離向的分辨率。“慢”時間是指的脈沖間的時間，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)平臺飛行時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雜。本文主要圍繞著正側(cè)視條帶測繪的機載SAR的成像模型，從機載SAR信號處
