基于多核众核架构的并行雷达信号处理算法研究

发布时间：2020-10-29 20:08

　　 传统基于FPGA+DSP雷达信号处理系统的开发人员需要掌握大量的专业硬件知识,并且系统开发周期长。随着雷达功能越来越强大,雷达信号处理算法越来越复杂,使得开发代价成倍增加。软件化雷达的提出为雷达信号处理系统的开发提供了一种解决办法,但是串行的软件化雷达信号处理系统大多数难以满足雷达信号处理系统对实时性的要求。随着多核众核技术和并行计算的发展,为满足软件化雷达的实时性提供了可能,并行雷达信号处理逐渐成为雷达信号处理系统实施的热点,但是在多核CPU平台上并行策略多种多样,其中包括数据并行、任务并行、流水并行等,由于不同的并行策略的并行效率有所不同,使用场景也有所不同,如何选择软件化雷达算法的并行策略成为一个亟待解决的现实问题。同时随着硬件技术的发展,通用计算设备的架构也越来越多,如CPU、GPU、FPGA和MIC等,设计一种跨平台的并行雷达信号处理算法为雷达信号处理系统的移植带来了极大的方便,为雷达信号处理系统的适应不同设备提供了基础,在实际应用中具有重要意义。本文为了研究不同并行策略的雷达信号处理系统的优缺点,提出了基于多核CPU的并行雷达信号处理系统,对串行雷达信号处理系统中的算法进行了分析,提出了三种并行策略的雷达信号处理系统,对不同并行策略进行理论分析,并且在多核CPU平台上设计了实验,通过实验结果验证了理论分析结果的正确性,第一,基于数据并行的雷达信号处理系统,是一种脉组级并行方案,将不同的数据处理过程映射在不同的计算线程。第二,提出基于流水并行的雷达信号处理系统,将所有的处理过程划分为多个任务组,各个任务组的任务量相近,不同的任务组映射在不同的计算线程上。第三,提出基于任务队列的雷达信号处理系统,首先将雷达信号处理任务划分,并且将这些任务加入到任务队列中,依照任务之间的依赖关系将任务调度在不同的线程上,并行处理不同的任务。最后对不同并行方案的实验结果进行了分析,并且对比了不同方案的优缺点。本文为了研究跨平台的雷达信号处理算法,提出了基于OpenCL的并行恒虚警检测算法。分析恒虚警检测算法的并行性,利用不同数据块计算过程的独立性,设计了并行恒虚警检测算法,将不同的数据块计算过程映射到OpenCL中不同的work-item上并行计算。本文分别在GPU平台和FPGA平台上实施了并行恒虚警算法,在GPU平台上使用调节并行粒度、计算流程优化、局部存储优化和核函数合并方法,对并行程序优化,进一步发掘并行效率。在FPGA平台上除了使用GPU的优化手段外,还针对FPGA使用了多流水线手段优化方法,充分利用FPGA的资源,进一步提高加速比,FPGA的平台上取得了10.3008倍的加速比,在GPU平台取得了193.7886倍的加速比。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN957.51
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 选题意义和选题背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 并行雷达信号处理算法研究现状
        1.2.2 基于OpenCL的FPGA并行应用研究
    1.3 本文内容与创新
    1.4 本文结构安排
第二章 雷达信号处理算法与并行计算基础
    2.1 引言
    2.2 雷达信号处理算法介绍
        2.2.1 反异步干扰算法
        2.2.2 脉冲压缩算法
        2.2.3 动目标检测算法
        2.2.4 恒虚警检测算法
    2.3 并行计算硬件平台介绍
        2.3.1 多核CPU
        2.3.2 FPGA
        2.3.3 GPU
    2.4 并行计算软件平台介绍
        2.4.1 Pthread
        2.4.2 OpenCL
    2.5 本章小结
第三章 基于多核CPU的并行雷达信号处理系统
    3.1 引言
    3.2 雷达信号处理系统简介
    3.3 并行雷达信号处理系统分析与设计
        3.3.1 基于数据并行的雷达信号处理系统分析与设计
        3.3.2 基于流水线并行的雷达信号处理系统分析与设计
        3.3.3 基于任务队列并行的雷达信号处理系统分析与设计
    3.4 并行雷达信号处理系统实施
        3.4.1 基于数据并行的雷达信号处理系统实施
        3.4.2 基于流水线并行的雷达信号处理系统实施
        3.4.3 基于任务队列并行的雷达信号处理系统实施
    3.5 并行雷达信号处理系统实验结果与分析
        3.5.1 基于数据并行的雷达信号处理系统实验结果与分析
        3.5.2 基于流水线并行的雷达信号处理系统实验结果与分析
        3.5.3 基于任务队列并行的雷达信号处理系统实验结果与分析
        3.5.4 不同并行方法的对比
    3.6 本章小结
第四章 基于OpenCL的并行恒虚警算法研究
    4.1 引言
    4.2 恒虚警算法描述
    4.3 基于OpenCL的并行恒虚警算法设计
    4.4 基于OpenCL的并行恒虚警算法实施
    4.5 基于GPU平台的实验、分析与优化
        4.5.1 实验环境
        4.5.2 实验结果与分析
        4.5.3 调节并行粒度
        4.5.4 计算流程优化
        4.5.5 存储访问优化
        4.5.6 核函数合并
    4.6 基于FPGA平台的实验与分析
        4.6.1 实验环境
        4.6.2 实验结果与分析
        4.6.3 设置线程任务量
        4.6.4 计算流程优化
        4.6.5 核函数合并
        4.6.6 多流水线优化
    4.7 不同平台的实验对比
    4.8 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 本文总结
    5.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简介

【参考文献】

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本文编号：2861391