基于GPU的SAR回波模擬與成像方法.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離、高分辨的成像特點(diǎn)，在民用和軍用領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。在SAR系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、成像算法的研究、相關(guān)軟件與硬件設(shè)計(jì)等方面，需要制備符合某種特定條件的SAR回波數(shù)據(jù)，但這不可能直接通過掛飛實(shí)驗(yàn)來獲取，因此關(guān)于高效精確的SAR回波模擬技術(shù)的研究至關(guān)重要。另一方面，隨著雷達(dá)平臺運(yùn)動模式復(fù)雜性的提高，高效精確的時(shí)域成像技術(shù)的研究也愈發(fā)重要。

2、>　　本文以“×××”973課題為背景，對 SAR回波模擬及成像方法和基于圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）的并行設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，系統(tǒng)而深入地研究了逆向法SAR回波模擬、三維地面場景的正向法SAR回波模擬和后向投影（Back Projection，BP）成像算法等方面的內(nèi)容?；贕PU的方法設(shè)計(jì)，有效地提高了運(yùn)算效率，解決了實(shí)際工程面臨的技術(shù)難題。
　　本文的主要內(nèi)容如下：
　　1.簡

3、單介紹了GPU的特點(diǎn)及其統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)（Compute Unified Device Architecture，CUDA）的軟硬件編程模型，為文中關(guān)于GPU的并行設(shè)計(jì)作好了鋪墊；詳細(xì)討論了SAR回波模型和SAR成像原理，包括線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮原理、SAR空間幾何模型及回波信號模型、二維高分辨率成像原理、距離-多普勒算法等內(nèi)容，為全文打好了理論基礎(chǔ)。
　　2.深入研究了逆向法SAR回波模擬技術(shù)。分析了利用基準(zhǔn)SAR圖像確定后向

4、散射系數(shù)的方法，討論了SAR回波模擬的傳統(tǒng)算法與工程上實(shí)用的同心圓算法，并針對同心圓算法從線程分布、內(nèi)存分配、流處理等方面進(jìn)行了并行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了雙GPU上的設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，用真實(shí)場景的SAR圖像進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法及其并行設(shè)計(jì)的正確性；對單個 GPU的運(yùn)算進(jìn)行了加速比測量，大約是 CPU的193倍。
　　3.研究了三維地面場景的正向法SAR回波模擬技術(shù)。詳細(xì)討論并解決了利用數(shù)字高程模型（Digital Elevatio

5、n Model，DEM）數(shù)據(jù)進(jìn)行SAR回波模擬時(shí)面臨的問題：(1)基于分形布朗運(yùn)動（Fractional Brownian Motion，F(xiàn)BM）模型的分形插值方法，對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理以滿足SAR回波仿真要求；(2)基于小面元模型的后向散射系數(shù)計(jì)算方法，將DEM數(shù)據(jù)剖分成大量精度滿足要求的小面元，結(jié)合后向散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和小面元模型計(jì)算得到每個小面元的后向散射系數(shù)；(3)基于下視角比較法的陰影區(qū)域判定，對雷達(dá)波束作扇形近似并進(jìn)行精

6、細(xì)劃分，在每個細(xì)小波束角范圍內(nèi)用下視角比較的方法確定陰影區(qū)域。每一部分內(nèi)容詳細(xì)討論了方法原理和具體流程，給出了的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。之后，詳細(xì)分析了該正向SAR回波模擬方法的并行性，實(shí)現(xiàn)了雙GPU上的設(shè)計(jì)工作，用某地區(qū)的實(shí)測DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法及其并行設(shè)計(jì)的正確性，大大提高了大范圍三維地面場景SAR回波模擬的運(yùn)算效率。
　　4.研究了BP成像算法的基本原理，并針對算法的低效率問題進(jìn)行了并行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了雙GPU上的