合成孔径雷达成像算法的并行优化与实现

发布时间：2017-09-05 07:06

  本文关键词：合成孔径雷达成像算法的并行优化与实现

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【摘要】：合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)具有全天候和高分辨的对地观测能力,在战场监视和灾后救援等军事和民用领域均得到广泛应用。卫星和飞机等各异的雷达平台、正侧和斜视等不同的成像模式以及厘米级分辨率的应用需求,使得SAR成像处理呈现出算法复杂化、数据海量化等趋势,这些变化给SAR平台的准实时成像处理提出了巨大的挑战,因此基于高性能计算平台的SAR成像处理算法并行优化成为当前研究的热点。本文基于图形处理器(GPU,Graphic Processing Unit)的高性能计算结构开展了正侧视和斜视成像条件下典型成像算法的并行优化技术研究,搭建了基于GPU的合成孔径雷达成像处理仿真系统,验证了优化算法的功能和性能。研究和实验结果表明基于GPU的计算结构和并行优化方法可大幅提高典型应用背景下孔径成像处理算法的性能,实现了准实时的成像处理。论文在分析SAR成像处理技术及其发展趋势的基础上,研究了统一计算设备架构(CUDA,Compute Unified Device Architecture)的并行计算模型,为进一步的成像算法优化奠定了技术基础。研究了正侧视条件下的成像机理和距离多普勒(RD,Range Doppler)成像算法,针对该成像算法中插值操作无法多线程并行化计算的问题,结合GPU和CPU各自的计算特点,将RD算法分为2个部分:距离压缩和距离向数据插值参数的计算由CPU来完成;根据插值参数完成距离向数据的插值和方位压缩由GPU来完成。这种将RD算法合理分配给GPU和CPU来计算的方法充分的利用了GPU和CPU各自的特点和计算能力,有效提高了成像算法的计算效率,满足了准实时的计算需求。研究了斜视条件下的成像机理和CS(Chirp Scaling)成像算法,针对该成像算法中小斜视角和大斜视角下距离徙动校正偏差的问题,进行了详细的理论分析,之后结合CS算法的特点,合理完成内存和显存的分配,相位相乘的同时完成显存数据存储方式的改变,使得基于GPU的CS并行算法具有准实时的计算效率。同时也研究了SAR回波仿真方法,进行了回波仿真算法的并行优化,并提出了一种基于时延离散化的SAR高效回波仿真方法。充分利用GPU和CPU的优点搭建了SAR仿真验证系统,为成像算法性能验证提供了高性能的仿真实验环境。开展了多种成像模式下不同场景的SAR成像处理仿真验证实验研究,对并行优化完成的成像算法进行了功能和性能验证,仿真实验表明基于GPU的SAR并行成像平台具有准实时的性能,有广泛的工程应用前景。
【关键词】：合成孔径雷达 成像算法 并行优化 统一计算设备架构 图像处理器 高性能计算 仿真验证 RD算法 CS算法
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.52
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 SAR成像研究的发展和现状11-13
• 1.2 SAR成像算法的并行计算发展概况13-14
• 1.3 本文的主要贡献14
• 1.4 论文主要内容和组织安排14-16
• 第二章 CUDA并行计算模型16-27
• 2.1 并行计算体系结构17
• 2.2 CUDA工作模式17-19
• 2.3 GPU硬件架构19-24
• 2.3.1 CUDA的计算单元结构20-21
• 2.3.2 CUDA的存储器结构21-24
• 2.4 CUDA软件开发工具24-26
• 2.4.1 CUDA开发语言24-25
• 2.4.2 CUDA函数库25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 SAR回波仿真研究27-40
• 3.1 回波仿真模型与算法27-32
• 3.1.1 通用SAR回波仿真模型27-29
• 3.1.2 仿真场景RCS模型29-30
• 3.1.3 距离时域叠加算法30-31
• 3.1.4 时延离散化的SAR回波仿真算法31-32
• 3.2 回波仿真算法实现32-36
• 3.2.1 坐标转换32-33
• 3.2.2 天线增益求解33-34
• 3.2.3 时延离散化的划分34-35
• 3.2.4 回波模拟算法设计35-36
• 3.3 SAR仿真系统的结构设计36-39
• 3.3.1 仿真设定和参数设置37-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 正侧视SAR的RD成像算法研究与GPU并行实现40-55
• 4.1 正侧视SAR回波信号分析40-45
• 4.1.1 正侧视SAR回波模型40-44
• 4.1.2 正侧视距离单元徙动分析44-45
• 4.2 RD成像算法研究45-48
• 4.3 RD成像算法的并行优化与GPU并行实现48-50
• 4.4 正侧视SAR成像仿真50-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 前斜视SAR的CS成像算法研究与GPU并行实现55-72
• 5.1 前斜视SAR回波信号分析55-58
• 5.1.1 前斜视SAR回波模型55-57
• 5.1.2 前斜视距离徙动分析57-58
• 5.2 CS成像算法研究58-64
• 5.2.1 小斜视角的距离徙动校正60-61
• 5.2.2 大斜视角的距离徙动校正61-63
• 5.2.3 Chirp Scaling原理63-64
• 5.3 CS成像算法的并行优化与GPU并行实现64-66
• 5.4 斜视SAR成像仿真66-71
• 5.5 本章小结71-72
• 第六章 总结和展望72-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-78
• 攻读硕士学位期间取得的成果78-79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王国栋,周荫清,李春升;高分辨率星载聚束式SAR的Deramp Chirp Scaling成像算法[J];电子学报;2003年12期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 郑明洁;合成孔径雷达动目标检测和成像研究[D];中国科学院研究生院（电子学研究所）;2003年

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本文编号：796523