一种高超音速目标回波快速捕获方案的设计与测试

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1、一种高超音速目标回波快速捕获方案的设计与测试张宝玲，郑海昕，薛俊诗（装备学院，北京101416）摘要：工作于UHF/VHF频段的双基地雷达探测系统可作为高超音速临近空间目标探测的重要手段之一，为了解决探测系统快速发现与跟踪目标的实时性问题，提出一种基于GPU的临近空间高速高动态目标回波信号的快速捕获方法，给出了捕获方案的设计过程、软件设计思路和原理框图，并选择具有代表性参数的信号，在实际平台上进行测试并给出测试结果，验证了该设计方案的可行性。.jyqk/s，选取探测频率为300MHz，双基地角β的范围是[3°，157°]，根据式（1）可得多普勒的捕获空间为

2、[-10，10]kHz。适当增加伪码长度，可以提高伪码捕获增益，增加调制脉冲时长，降低回波信号剧烈波动带来的影响。一般情况下，当多普勒频率搜索间隔等于一个脉冲时长的倒数时便能满足信号捕获的要求，由于临近空间高动态回波信噪比较低，应减小多普勒搜索步长，选择500Hz~1kHz。2.2前期处理将采样后的中频信号分别与各通道的本地复载波相乘，对多普勒频偏进行补偿。产生本地伪码信号，并对其进行内插，使内插后的本地伪码长度与剥离载波后的中频信号采样数据长度一致。然后将补偿后的中频信号和本地伪码信号从CPU内存拷贝到GPU显存中。由于GPU每次只能调用一次CUFFT库

3、，但是在一个CUFFT中可以同时做多个FFT，因此需要将输入信号与不同初相位的PN码对应码位相乘后再进行数据复合，形成串行数据块，以便利用一个CUFFT做多个FFT，实现FFT的并行运算。2.3GPU端信号捕获利用CUFFT库函数实现（D+1）路FFT并行运算，分别对各通道数据与本地伪码信号进行FFT运算[10]。将本地伪码信号FFT处理后的结果取共轭，并分别与FFT处理后的D路并行中频信号相乘，乘法运算可以利用GPU核函数设计的并行算法运算；将频域相乘后的结果再次调用CUFFT，完成IFFT运算，对运算结果并行取模。2.4峰值搜索GPU的逻辑判断执行能力

4、较差，寻找相关峰值、捕获判决的任务由CPU完成。进行捕获判决后，匹配时得到的结果为含有伪码相位信息、具有相关峰值的谱线；而不匹配时的结果相当于对回波信号进行了一次伪码调制，不会得到峰值信息。将相关峰值最大时刻与发送信号的初相位进行比较，即可获得回波信号的伪码粗相位，而由峰值所在的通道数可得到多普勒估计值。2.5设计方案综上所述，可以设计出利用GPU进行高动态回波快速捕获的原理框图，如图2所示。2.6软件设计CUDA编程模型是将进行串行计算和逻辑运算的CPU（主机）和负责高速并行计算的GPU（设备）由PCI?E总线连接。在编程过程中，必须对程序作详细的规划，

5、对串、并行部分进行合理区分，并利用CUDA完成并行执行部分。由于CPU和GPU之间的数据传递需要耗费一定的时间，在进行CUDA编程时，应尽量减少两者之间的数据传递，提高计算效率[10]。理想情况下，CPU串行代码只负责内核函数的启动与清理，而由GPU完成尽量多的计算任务。软件实现主程序流程如下：（1）初始化数据。利用Malloc为内存申请空间，用于存储本地伪码信号、中间处理结果；将回波数据和内插后的本地伪码读入内存，利用cudaMalloc在GPU端申请空间，用于存储由CPU读入的数据和计算结果；（2）对CUDA内核的FFT进行初始化，并设置运算点数。设并

6、行通道数为D，每路信号采样点数为N，则运算点数为（D+1）N；（3）将CPU内存中多通道多普勒补偿后的数据送入GPU显存；（4）调用CUFFT完成多路并行快速傅里叶变换，用乘法核函数完成并行乘法运算，然后对各运算结果并行取模；（5）将计算结果读回CPU，完成捕获判决。相关峰最大值低于门限值，判定无目标；相关峰最大值高于门限值，判定有目标，并计算目标的粗多普勒值和码相位。将该值作为载波NCO的初始值，进行精确捕获，则可进行连续跟踪，并获得精确的多普勒频率用于速度解算。3方案验证与测试为了验证方案的可行性，在实际GPU平台上对基于FFT的多通道频域并行捕获的高

7、动态回波捕获性能进行了测试。测试过程中，兼顾搜索效率和参数估计精度，在保证系统工作的实时性和有效性的前提下，提高目标检测概率和参数估计的精度。选择探测系统的探测信号的频率为300MHz，双基地角β的变化范围为[3°，157°]，临近空间高超声速目标在双基地平面内的速度最大值为5.1km/s，根据式（1）可以计算出，多普勒的捕获空间为[-10，10]kHz。取回波信号的多普勒频率为fd=-4045Hz，信噪比为-20dB，搜索通道频率间隔为100Hz。共测试三组数据，其中一组捕获数据，两组跟踪数据。部分程序代码如图3所示，测试平台、参数和测试结果如表1所示。

8、测试得到的相关峰值最大值的通道数为141（与理论分析相同），多普勒