高性能計算在雷達信號處理中的設計及實現

蔡 昌

(廣州民航職業技術學院，廣東 廣州510403)

0 引 言

雷達信號處理技術在雷達系統中發揮著至關重要的作用，其主要的任務就是通過運用各種信號處理與分析的技術，在干擾背景下(電磁干擾、噪聲干擾、電磁干擾等)發現目標和獲取目標的相關信息。隨著雷達系統技術的快速發展以及應用需求的不斷增加，對雷達信號處理技術的要求也越來越高。在本文中，為了提高艦載雷達信號處理相關算法的處理性，在相關算法的實現過程中結合了高性能計算技術。本文首先對幾種常用的雷達信號處理算法進行介紹，然后提出運用高性能計算技術進行艦載雷達信號處理的設計，并以CUDA 平臺為基礎，實現了艦載雷達目標捕獲算法的高性能計算。

1 雷達信號處理算法

雷達信號通常用實窄帶信號表示，表示方法如下

設窄帶信號為:

其能量為:

1)復解析

復解析是指在頻域中對信號(任意實信號)進行解析過程如下:

2)復指數

復指數是指在時域對信號(窄帶信號)進行解析，其過程如下:

在雷達信號處理中，關鍵的技術主要有脈沖壓縮技術、自適應旁瓣消除技術以及雜波抑制技術［1］。

1.1 脈沖壓縮

在雷達系統中，距離與精度一直相互矛盾，而脈沖壓縮技術的最大作用就是解決這一矛盾。脈沖壓縮通過調制寬時間脈沖，然后再采用匹配壓縮得到窄脈沖，從而解決距離與分辨力的矛盾。以線性調頻信號［2］為例，設信號的時域表達式為:

其中μ = B/τ，相關參數詳見表1

表1 參數Tab.1 Parameters

則信息包絡為:

式中D 為脈沖壓縮比，D=Bτ=μτ。匹配濾波效果如圖1 所示。

圖1 壓縮脈沖技術效果示意圖Fig.1 Plus compression results

1.2 自適應旁瓣消除

自適應旁瓣消除的目的是為了對抗有源干擾，屬于一種空域濾波方法。通過修正波束的旁瓣來抑制干擾。開環算法［3］的自適應旁瓣消除原理如圖2所示。

圖2 原理圖Fig.2 Schematic diagram

在旁瓣消除的過程中，需要進行矩陣求逆，矩陣求逆的算法有很多種，例如QR 分解方法過程如下:

設，Rrr=［r1，r2，r3，…，rn］，Schmidt 正交化后有:

則Q 和R 為:

1.3 雜波抑制

雜波抑制主要是在雷達發現運動目標及獲取目標分析的時候，消除雜波的干擾。較為常用的技術有MTI、MTD、AMTI。在本文中以MTD 為例進行介紹。

MTD 利用濾波器組盡量去覆蓋多普勒范圍，進而起到抑制雜波的效果。濾波器組［4］如圖3 所示。

圖3 濾波器組Fig.3 Filter banks

設N 個輸出的權值表示方法如下:

則濾波器的頻率響應為:

2 高性能計算在雷達信號的實現

高性能計算技術是指通過體系結構、并行算法及軟件開發等方面來進行研發高性能計算機的技術。隨著信息化的快速發展，高性能計算在新能源、新材料、氣象預報、生物醫藥、遙感數據處理等方面得到了廣泛應用。在本文中，通過利用CUDA 平臺［5］，將GPU 作為艦載雷達信號的處理器，實現了艦載雷達信號高性能計算的解決方案。以艦載雷達系統中的目標捕獲過程為例，捕獲算法流程如圖4 所示。

圖4 算法流程Fig.4 Algorithm flow

CUDA 優化方法如下:

1)算法優化

進行算法優化的目的有2 點:一是使計算量減少到最少;二是增加算法中能夠并能計算的部分。針對目標捕獲中存在搜索循環與大量FFT 變換運算的提點，算法優化方案詳見表2。

表2 優化方法Tab.2 Optimization methods

2)架構優化

架構優化的主要目的是為了充分利用存儲設備多線程并行計算技術，增加提高GPU 的計算能力。本文中采用的架構優化方案詳見表3。優化后的實驗結果如表4 所示。

表3 優化方法Tab.3 Optimization methods

表4 優化結果Tab.4 Optimization result

從表4 中可看到，通過CUDA 高性能優化后，大大降低了算法的計算量，加快了計算速度。

3 結 語

艦載雷達信號處理在海洋探測、目標跟蹤、引航等方面更發揮著至關重要的作用，本文對艦載雷達信號處理的高效計算方法進行了研究，提出了利用高性能計算技術進行艦載雷達信號處理的設計。高性能計算技術是計算機科學的一個分支，通過高效利用存儲設備、并行計算實現相關算法的高效計算。在本文中，首先對幾種常見的雷達信號處理算法進行介紹，然后提出了應用CUDA 平臺進行高性能計算的方法，并對艦載雷達系統中目標捕獲算法進行實現，通過CUDA 的算法優化與架構優化，充分的利用了GPU 的計算能力。實驗結果表明，通過利用高性能計算技術，能夠有效提高艦載雷達信號處理的計算量，大大加快處理速度。

［1］丁嵐，李蕾．艦載超視距雷達信號處理的問題與對策［J］．艦船科學技術，2004，26(2):25 －28．DING Lan，LI Lei．Problems and its countermeasures in the signal processing of shipborne over-the-horizon radar［J］．Ship Science and Technology，2004，26(2):25 －28．

［2］MERRILL I S．雷達手冊(2 版)［M］．王軍，等譯．北京:電子工業出版社，2003．

［3］馬曉巖，向家彬，朱裕生，等．雷達信號處理［M］．長沙:湖南科學技術出版社．

［4］丁鷺飛，耿富錄．雷達原理［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2001．

［5］熊超，程翥，王壯．利用CUDA 加速連續波雷達測速算法［D］．長沙:國防科技大學，2011．