基于CUDA的SAR成像模拟

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1、《基于CUDA的SAR成像模拟》《高性能计算系统》设计报告基于CUDA的SAR成像模拟1《基于CUDA的SAR成像模拟》摘要：近几年，随着图形处理器（GPU）技术的飞速发展，GPU强大的浮点运算和并行处理能力使得业界都在致力于挖掘其潜能，使其能够在非图形领域也能发挥其高性能计算的优势，于是基于GPU的高性能计算得到了业界的广泛关注。SAR成像信号处理主要包含回波模拟产生，距离压缩，距离徙动校正以及方位压缩几部分，如果从传统的CPU平台上进行计算的话，则需要耗费大量的时间。本报告借助GPU强大的浮点运算和高度的并行处理能力，将

2、SAR成像中CSA算法在GPU上进行了验证，并得出了较好的效果。在SAR成像领域中，相信CUDA的运用将是未来一个重要的发展方向。本文的主要研究内容如下：1)建立了正侧视条件下条带测绘的机载SAR的成像模型，并从机载SAR信号处理的角度阐述了SAR的成像原理及CSA算法。2)对SAR的成像模拟中的回波模拟产生，距离徙动校正，方位压缩理论算法在GPU上的实现和优化进行了详细的论述。3)以点目标成像为例，将SAR的CSA成像算法分别在GPU和CPU上实现，采用了CSA对其进行验证。对比结果表明了基于CUDA的SAR成像算法的优势

3、。关键词：SAR、CUDA、CSA、雷达成像模拟、高性能计算2《基于CUDA的SAR成像模拟》1.基本原理1.1SAR原理简介雷达(Radar)的基本功能是利用目标对电磁波的散射回波来探测目标是否存在，并测定目标的空间位置。超音速歼击机就是利用安装在机头流线型前端的雷达使用无线电波，可以准确的逼近150km之外且隐藏在云层中的目标。成像雷达是原始的雷达概念上的扩展，其具有对运动目标(飞机、导弹等)和区域目标(地面等)进行识别和成像的能力，在电子侦察、地形测绘方面已得到大量的应用。在各种成像雷达系统中，通过信号分析技术构建一个

4、等效长天线的思想被称为合成孔径雷达(SAR)。合成孔径雷达(SAR)是一种利用小孔径天线，能全天时、全天候获得高分辨率的成像雷达技术。SAR利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率，利用雷达的前向运动来产生等效的长天线从而获得高的方位分辨率，最终能得到二维高分辨率的雷达成像。SAR相比较其它类型的雷达（例如光学雷达），其优势在与于SAR可以在多云的夜晚获得清晰的图像，光学雷达是无法在这种条件下成像的，这是因为SAR是不依靠太阳的光线，而且受云层和其他天气现象状况影响很小。图1：以机载平台为例的SAR成像示意图1.2SAR信号处理

5、相关概念在SAR信号处理中，将会用到如下基本概念。1.2.1线性调频信号线性调频信号(Linefrequencymodulation)是指瞬时频率是时间的线性函数的信号，信号时域t2复数形式表达式为：st()=rect()exp{jKtπ}这种信号用于发射，以得到均匀的信号带宽。Tr1.2.2距离向和方位向方位向是指与平台(飞机、卫星)相对速度矢量一致的方向。距离向指的是与雷达视线重合的方向。在正侧视条件下，斜视角为零，因而距离轴和方位轴垂直。在图3中，距离轴和方位轴分别对应x轴和y轴。1.2.3波束宽度雷达的波束可以看成是

6、一个圆锥体，而波束覆盖区为圆锥体与地面相切形成的截面。雷达波束有两个重要度量：方位平面内的角宽和俯仰平面内的角宽。每个半平面中，半功率波束宽度，或简称波束宽度，由波束“边缘”角界定。波束边缘角由辐射强度处于峰值以下3dB处的位置来定义。在图3中，Lsar所对应的三角形顶角就是波束宽度。1.2.4目标点SAR照射场景区域中的一个假象点。一块场景区域是由很多目标点构成的，按照距离向和方位3《基于CUDA的SAR成像模拟》向来排列，可以看成一个二维矩阵。在图3中，Tc和T分别指的是场景中的目标点。1.2.5快时间与慢时间它们指的是

7、两种时间概念，一种是包含在信号复振幅中的时间以反映信号本身变化，称为“快”时间(fasttime)；另一种是包含在信号延迟中的时间以反映平台运动引起的位置变化，因为SAR的位置变化在信号持续时间内是变化非常小的，称为“慢”时间(slowtime)。“快”时间指的是脉冲内的时间，它决定SAR的距离向的分辨率。“慢”时间是指的脉冲间的时间，它决定SAR方位向的分辨率。1.3SAR成像模型和几何关系根据平台飞行时SAR波束照射的方式，SAR的典型成像模型分为Stripmap(条带式)，Spotlight(聚束式)和Scan(扫描模

8、式)，如图所示。条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像中最简单最有效的方式；聚束式成像是在平台一次飞行中，通过SAR不同的视角对同一区域成像，这样能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最为复杂。本文主要围绕着正侧视条带测绘的机载SAR的成像模型，从机载SAR信号处