基于GPU的宽带波束形成算法研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于GPU的宽带波束形成算法研究硕士研究生：任云龙指导教师：吕云飞副教授学科、专业：水声工程论文主审人：周天教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于GPU的宽带波束形成算法研究硕士研究生：任云龙指导教师：吕云飞副教授学位级别：工学硕士学科、专业：水声工程所在单位：水声工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngRese

2、archonGPU-BasedBroadbandBeamformingAlgorithmCandidate:RenYunlongSupervisor:A.P.LvYunfeiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:UnderwaterAcousticEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本

3、人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨

4、工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要宽带波束处理技术具有高增益、强抗干扰及高空间分辨能力等优点，是水声信号处理的重要手段。但是宽带处理尤其是时域处理计算复杂度较高，在传统计算平台上实现实

5、时波束处理系统有较大的困难。因此有必要开展适合于宽带波束处理的高性能处理技术研究，以便为未来宽带波束处理系统设计提供指导性意见。本论文在宽带无失真波束处理的基础上，围绕阵列宽带波束处理的实时实现问题，研究基于GPU高性能并行处理架构，改进现有宽带波束形成算法，从而解决宽带波束形成面对的实时处理问题。论文主要工作如下：首先，为了获取无失真接收信号，分析研究了DFT波束形成器、分数时延波束形成器和恒束宽波束形成器。针对频域实现缝合不流畅的问题，给出重叠分段的解决方法，并对其改善情况进行分析。时域实现的核心是分数时延滤波器的设计问题，给出两种设计实现方法，对于

6、更一般的FIR滤波器设计，给出二阶锥规划设计方法，并对几种方法的设计误差和性能进行仿真分析和比对。针对方位偏差数据波束输出波形失真问题，给出基于分布设计思想的恒束宽波束形成器设计方法，仿真分析各步骤的设计误差和性能。其次，根据CUDA异构编程模型，研究了基于GPU的宽带波束形成器优化设计方法。首先对算法计算任务进行分析，频域的计算任务分为FFT计算和频域加权两个部分，通过CUFFT高效加速FFT，对于计算密度较低的频域加权步骤，通过让单一线程同时计算多个波束输出来提高该步骤的计算密度。时域实现的计算任务集中在FIR滤波过程，采用重叠保留法来分解任务以提高

7、并行性，通过让单一线程无依赖的计算多个数据来有效的提高计算密度以获得较高的性能。最后，在intel(R)XeonCPU和QuadroK5200GPU上对不同规模的FFT计算和FIR滤波进行了性能测试，给出实现性能和加速比。最后对实现的宽带波束形成处理系统进行性能测试，完成海试数据处理，验证算法正确性，满足实时处理的需求。关键词：宽带波束形成；GPU；并行计算；加速比ABSTRACTBroadbandbeamprocessingtechnologywithhighgain,stronganti-interferenceandhighspatialresol

8、ution,etc.,isanimportantmeansofunderwate