基于GPU的eDPCA成像雷达信号仿真和处理技术研究

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电子偏置相位中心天线(electronically Displaced Phase Center Antenna,eDPCA)成像雷达系统使用电扫描的方式实现天线相位中心无惯性移动,从而解决了合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)和逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)对雷达和目标之间相对运动的依赖问题,并能够实现高帧率、任意视线方向的雷达成像。在研究eDPCA雷达系统成像过程中,需要使用大量的回波数据进行成像算法验证、系统性能评估及系统参数优化。由于录取实测回波数据难度大、成本高,因此回波仿真技术为众多研究者提供了便利。eDPCA雷达的回波数据量大、成像算法复杂,导致仿真时间急剧上升,成像耗时较久。随着对图型处理器(Graphics Processing Unit,GPU)并行计算技术的深入研究,GPU已日益广泛地应用于雷达信号仿真和处理。基于此,本文主要研究基于GPU的eDPCA成像雷达信号仿真与并行处理技术,完成的主要工作和取得的主要进展如下:首先,介绍eDPCA成像雷达系统的组成结构,主要包括馈源、无源副反射阵和抛物面主反射阵三部分,各结构相互协同工作以实现副反射面在主反射面上不同位置的扫描,进而等效实现天线相位中心的移动。建立了eDPCA雷达回波信号模型并改进了经典的后向投影(Back Projection,BP)成像算法,使之适用于eDPCA雷达成像,完成了基于MATLAB的仿真和成像程序。通过对点目标、坦克实测数据和三维目标的仿真验证,证明了仿真结果的保真性和成像程序的有效性。其次,结合GPU模型总结了多种并行优化策略,为基于GPU的eDPCA雷达信号并行仿真提供技术基础。完成了eDPCA雷达回波信号仿真和BP成像算法的并行方案设计及整体GPU并行处理框架设计。从数据分块、回波信号相干积累、基于CUFFT库函数的傅里叶变换、维度优化、合并内存访问、传输通道优化等六个方面改进优化并行程序,大大提高了回波仿真和成像算法效率。最后,通过多组仿真实验评估了GPU对eDPCA雷达信号仿真和成像程序的加速效果。结果表明,对坦克实测数据仿真时,整体程序加速比最高可达329,而对三维目标进行仿真时,加速比最高可达414。实验结果表明本论文提出的基于GPU的eDPCA雷达信号仿真和处理技术可以较大地提升回波信号仿真和成像算法的效率。
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