基于CUDA的宽带水声信号波束形成算法研究
[Abstract]:The ocean has abundant natural resources and irreplaceable strategic role. The urgent need of ocean exploration promotes the rapid development of underwater acoustic engineering. Beamforming has the ability of spatial filtering and is an important means of target azimuth estimation. Beamforming is the key technology of underwater acoustic system and one of the most computational parts in underwater acoustic signal processing. In recent years, the signal type of underwater acoustic detection has changed from narrowband signal to wideband signal with more information, which makes the computation of beamforming increase further, and the system requires higher speed of signal processing. The application of parallel processing technology based on graphics processor platform to the acceleration of underwater acoustic array signals will be of great practical value. Based on the study of narrowband signals, a beamforming method is designed to obtain constant beamwidth for wideband signals by using several factors affecting the width of the main lobe. The main modules and algorithm flow of broadband beamforming are optimized in parallel on GPU platform based on unified computing equipment architecture (Computer Unified Device Architecture,CUDA), so that the application and acceleration of wideband beamforming algorithm are realized. Firstly, array signal processing and beamforming theory are studied. The mathematical model of the array is established, and the received signal model and array manifold are derived. On the basis of narrowband beamforming, the basic theory of beamforming, beam deflection control method and beam optimization method are discussed. The optimal weight vector of beamforming is solved under the constraint condition of non-distortion response of useful signal. The effectiveness of beam deflection control and beam optimization is verified by simulation analysis. Then, the structure and characteristics of conventional broadband beamforming are discussed. The simulation results show that different frequency components of wideband signals will have unnecessary response through the same array, which leads to the distortion of beamforming results in time domain. In order to solve this problem, the method of controlling sidelobe level and main lobe width in beam optimization method is analyzed, and a constant beamwidth beamforming method based on DolphChebyshev weighting is studied. At the same time, by analyzing the relationship between frequency and array, a method of constant beamwidth beamforming using high and low subarray nesting method is designed. Simulation results show that the two constant beamwidth beamforming methods have the same response to different frequencies in the direction of the main lobe in the main lobe region, so the signal through the matrix is no longer distorted in time domain. Then, the parallel acceleration of beamforming algorithm is realized on GPU based on CUDA. After expounding the architecture and programming model of CUDA, the wideband beamforming algorithm is decomposed into basic computing function module, and the core is the matrix multiplication with the largest amount of computation and the parallel optimization of DFT computing according to the characteristics of CUDA. The spatial filtering performance and azimuth estimation accuracy of beamforming are verified by field experiments. The parallel program of beamforming is perfected based on each parallel computing module, and the parallel acceleration of beamforming algorithm is realized.
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN929.3
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,本文编号:2232973
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