CN103885040A - 一种基于cpu-gpu异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法 - Google Patents

一种基于cpu-gpu异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法，首先，确定雷达平台、目标场景等参数；其次，采用OpenMP技术设定一个CPU线程控制一个GPU，且每个CPU线程实现一个方位脉冲的回波数据生成；再次，将参数从各CPU拷贝到其控制的GPU中，并在GPU中按照目标点数划分线程，计算含载波信息的回波信号；然后，将生成的回波信号从GPU拷贝到相应的CPU中，按距离单元对回波信号去除载波信息，得到基带回波信号，并在CPU中保存该基带回波信号；最后，将所有方位脉冲的回波数据进行汇总。本发明采用OpenMP和CUDA混合编程模型，有效提高了大场景条件下圆迹合成孔径雷达回波生成的效率。

Description

一种基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达信号处理技术领域，特别涉及一种利用多核CPU和多核GPU技术提高圆迹合成孔径雷达回波生成速度的方法。
背景技术
圆迹合成孔径雷达(CSAR)模式下，雷达围绕目标进行360度圆周数据采集，理论上不仅能够获得亚波长级的分辨率，还能获取目标的三维信息。这对一些高分辨率和三维成像领域具有重要的意义。然而，在实际的数据采集过程中，由于雷达轨迹很难控制为标准的圆，采集的实测数据要经过运动补偿等预处理后，才能进行成像处理，且成像的质量不高，难以用于成像性能的理论分析。
若模拟雷达在理想环境下对目标进行数据采集，则生成的回波信号能够为后续的CSAR成像性能分析提供较为理想的数据。按照奈奎斯特采样定理，CSAR全方位的数据采集比传统的直线合成孔径雷达(SAR)在方位向上将面临着更大的数据量。尤其，当被测目标为大场景时，待采集的回波数据量将更大。这种涉及大数据量的计算在传统的CPU串行模式下进行，将花费很长的运算时间。
图形处理器(GPU)原本是专门用于图形处理的处理器，最早由NVIDIA公司在1999年发布GeForce 256图形处理芯片时提出。由于其具有强大的浮点运算和并行处理能力，GPU已被广泛应用于通用计算。目前，GPU已用于电磁计算（Tao Y B, Lin H, Bao H J, “From CPU to GPU: GPU-based electromagnetic computing,” Progress In Electromagnetics Research, 2008, 81: 1-19）、SAR成像（Park S J, Ross J A, Shires D R, et al., “Hybrid core acceleration of UWB SIRE radar signal processing,” IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2011, 22(1): 46-57）等研究领域。
本发明采用OpenMP和CUDA混合编程模型，实现多CPU和多GPU的协同工作，从而提高CSAR回波生成效率。一方面，基于OpenMP的编程模型，开辟了多个CPU线程，并使得一个CPU线程控制一个GPU；另一方面，基于CUDA的编程模型，通过GPU实现多个线程的并行计算。在两种模型相结合的混合编程模型中，CPU不仅负责传送雷达***和目标参数到GPU，及接收从GPU传回的含载波回波数据，而且负责去除载波信息的计算；GPU负责含载波信息的回波信号并行计算。
发明内容
本发明的目的在于，采用OpenMP和CUDA混合编程模型，实现多CPU和多GPU协同工作，提高CSAR回波信号生成效率。
为达到上述目的， 本发明提出一种基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法，该方法利用CPU的逻辑控制和计算能力，以及GPU的并行计算能力，实现多CPU和多GPU之间的协同工作。该方法的具体步骤包括：
（1）    确定雷达平台参数、目标场景参数，并根据香农采样定理，计算方位向脉冲数和距离向上采样点数；
（2）    采用OpenMP技术实现一个CPU线程控制一个GPU，每个CPU线程完成一个方位脉冲的回波生成；
（3）    将雷达平台和目标场景参数从CPU拷贝到GPU；
（4）    按照目标点的个数对每个GPU进行线程划分；
（5）    每个GPU中完成一个方位脉冲的含载波分量的回波信号的生成；
（6）    将计算结果从GPU拷回到CPU，并按距离单元去除载波，得到基带回波信号；
（7）    保存一个方位脉冲的基带回波信号；
（8）    将所有方位脉冲的回波信号汇总。
本发明的优点在于：
（1）    本发明采用OpenMP技术实现一个CPU线程控制一个GPU，充分利用多CPU和多GPU资源；
（2）    本发明在对含载波的回波信号生成过程中，按点目标数目划分GPU线程，充分利用GPU的强大并行处理能力；
（3）    本发明采用CPU完成去除回波信号中的载波信息，充分利用CPU的计算能力，而不浪费GPU计算资源。 
附图说明
图1为CSAR的数据采集几何图，其中(a)为立体图；(b)为俯视图；(c)为侧视图；
图2为本发明提出的一种基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法流程；
图3为图2虚线框中一个CPU线程控制GPU的子流程。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步的描述。
图1为CSAR的数据采集几何图，以位于地平面上的目标区域中心为坐标原点                                                
Figure 246929DEST_PATH_IMAGE001
，地平面为平面，垂直于
Figure 569906DEST_PATH_IMAGE002
平面为
Figure 965115DEST_PATH_IMAGE003
轴，建立直角坐标***
Figure 841804DEST_PATH_IMAGE004
。雷达以半径为
Figure 726583DEST_PATH_IMAGE005
绕着圆心进行圆周飞行，高度为
Figure 254834DEST_PATH_IMAGE007
。
雷达的方位角为
Figure 923712DEST_PATH_IMAGE008
，每个方位角对应的雷达坐标位置为
Figure 483788DEST_PATH_IMAGE009
。定义斜距
Figure 238117DEST_PATH_IMAGE010
和下视角
Figure 37446DEST_PATH_IMAGE011
分别为
Figure 623148DEST_PATH_IMAGE012
                                        (1)
Figure 52992DEST_PATH_IMAGE013
                                        (2)
假定三维观测目标分布函数为
Figure 356935DEST_PATH_IMAGE014
，雷达发射脉冲信号为
Figure 632058DEST_PATH_IMAGE015
，则雷达接收到的回波信号为，
Figure 839311DEST_PATH_IMAGE016
     (3)
其中，
Figure 174477DEST_PATH_IMAGE017
为快时间，
Figure 965716DEST_PATH_IMAGE018
表示光传播的速度。对于二维观测目标，只需在(3)式中令
Figure 106847DEST_PATH_IMAGE019
。
若考虑雷达发射经载波调制的Chirp信号，其中基带Chirp信号为，
Figure 604824DEST_PATH_IMAGE020
                              (4)
其中，
Figure 438788DEST_PATH_IMAGE021
是脉冲持续时间，
Figure 389427DEST_PATH_IMAGE022
为线性调频率，是标准的矩形窗函数。
载波信号为，
Figure 247585DEST_PATH_IMAGE024
                                  (5)
其中，是载波频率。
假设不考虑天线方向图的影响，则雷达接收到的目标回波信号为，
Figure 690385DEST_PATH_IMAGE026
                   (6)
其中，
Figure 111002DEST_PATH_IMAGE027
是时间延迟，含载波信息的回波信号的中心频率为
Figure 645888DEST_PATH_IMAGE028
。
进一步地，去除载波信息，得到基带回波信号，
Figure 759338DEST_PATH_IMAGE029
                 (7)
图2为本发明提出的一种基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法流程图。图3为图2虚线框中一个CPU线程控制GPU的子流程图。结合图2和图3，本发明提出的方法具体步骤包括：
①     确定雷达平台参数、目标场景参数，其中，雷达平台参数包括载频、信号带宽、雷达飞行半径及高度；目标场景参数包括目标场景尺寸、每个点目标的三维坐标位置及散射系数；
②     根据香农采样定理，先计算方位向和距离向的采样间隔，进一步计算方位向脉冲数Na和距离向上采样点数Nr；
③     设定CPU线程数，采用OpenMP技术实现一个CPU线程控制一个GPU；
④     对于雷达发射的一个方位脉冲，将雷达平台和目标场景参数从CPU拷贝到GPU；
⑤     一个方位脉冲下，对每个距离单元，分别按照点目标个数划分GPU线程数；
⑥     对一个GPU线程，按照公式(6)计算各点目标含载波信息的回波信号，并进行回波求和；
⑦     将计算结果从GPU拷回到CPU中，并根据公式(7)按距离单元去除载波分量；
⑧     对所有距离单元重复步骤⑤—步骤⑦；
⑨     将一个方位脉冲的基带回波信号写入文件；
⑩     若CPU线程数小于Na，则对剩余的方位脉冲重复步骤④—步骤⑨。
本发明的CPU-GPU异构计算的CSAR回波生成方法流程图，对于提高大场景的回波生成速度有重要的现实意义。

Claims (3)

1.一种基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法，该方法采用OpenMP技术实现一个CPU线程控制一个GPU，并在CUDA编程环境下通过CPU和GPU的协同工作完成回波生成，该方法的具体步骤包括：
（1）确定雷达平台参数、目标场景参数，并根据香农采样定理，计算方位向脉冲数和距离向上采样点数；
（2）采用OpenMP技术实现一个CPU线程控制一个GPU，每个CPU线程完成一个方位脉冲的回波生成；
（3）将雷达平台和目标场景参数从CPU拷贝到GPU；
（4）按照目标点的个数对每个GPU进行线程划分；
（5）每个GPU中完成一个方位脉冲的含载波分量的回波信号的生成；
（6）将计算结果从GPU拷回到CPU，并按距离单元去除载波，得到基带回波信号；
（7）保存一个方位脉冲的基带回波信号；
（8）将所有方位脉冲的回波信号汇总。
2.根据权利要求1所述的基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法，其特征在于，所述的步骤②中用OpenMP技术采用fork-join模式，实现一个CPU线程控制一个GPU。
3. 根据权利要求1所述的基于CPU-GPU异构计算的圆迹合成孔径雷达回波生成方法，其特征在于，CPU和GPU的关系是：CPU发号施令通知GPU，GPU并行完成所有含载波信息的回波计算，然后CPU完成去除载波信息，CPU和GPU协同工作。
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