蔡 昌

(廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510403)

0 引 言

雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其主要的任務(wù)就是通過(guò)運(yùn)用各種信號(hào)處理與分析的技術(shù)，在干擾背景下(電磁干擾、噪聲干擾、電磁干擾等)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和獲取目標(biāo)的相關(guān)信息。隨著雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展以及應(yīng)用需求的不斷增加，對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)的要求也越來(lái)越高。在本文中，為了提高艦載雷達(dá)信號(hào)處理相關(guān)算法的處理性，在相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中結(jié)合了高性能計(jì)算技術(shù)。本文首先對(duì)幾種常用的雷達(dá)信號(hào)處理算法進(jìn)行介紹，然后提出運(yùn)用高性能計(jì)算技術(shù)進(jìn)行艦載雷達(dá)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)，并以CUDA 平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了艦載雷達(dá)目標(biāo)捕獲算法的高性能計(jì)算。

1 雷達(dá)信號(hào)處理算法

雷達(dá)信號(hào)通常用實(shí)窄帶信號(hào)表示，表示方法如下

設(shè)窄帶信號(hào)為:

其能量為:

1)復(fù)解析

復(fù)解析是指在頻域中對(duì)信號(hào)(任意實(shí)信號(hào))進(jìn)行解析過(guò)程如下:

2)復(fù)指數(shù)

復(fù)指數(shù)是指在時(shí)域?qū)π盘?hào)(窄帶信號(hào))進(jìn)行解析，其過(guò)程如下:

在雷達(dá)信號(hào)處理中，關(guān)鍵的技術(shù)主要有脈沖壓縮技術(shù)、自適應(yīng)旁瓣消除技術(shù)以及雜波抑制技術(shù)［1］。

1.1 脈沖壓縮

在雷達(dá)系統(tǒng)中，距離與精度一直相互矛盾，而脈沖壓縮技術(shù)的最大作用就是解決這一矛盾。脈沖壓縮通過(guò)調(diào)制寬時(shí)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(diào)頻信號(hào)［2］為例，設(shè)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為:

其中μ = B/τ，相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表1

表1 參數(shù)Tab.1 Parameters

則信息包絡(luò)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(shù)效果示意圖Fig.1 Plus compression results

1.2 自適應(yīng)旁瓣消除

自適應(yīng)旁瓣消除的目的是為了對(duì)抗有源干擾，屬于一種空域?yàn)V波方法。通過(guò)修正波束的旁瓣來(lái)抑制干擾。開(kāi)環(huán)算法［3］的自適應(yīng)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(guò)程中，需要進(jìn)行矩陣求逆，矩陣求逆的算法有很多種，例如QR 分解方法過(guò)程如下:

設(shè)，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(dá)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及獲取目標(biāo)分析的時(shí)候，消除雜波的干擾。較為常用的技術(shù)有MTI、MTD、AMTI。在本文中以MTD 為例進(jìn)行介紹。

MTD 利用濾波器組盡量去覆蓋多普勒范圍，進(jìn)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(shè)N 個(gè)輸出的權(quán)值表示方法如下:

則濾波器的頻率響應(yīng)為:

2 高性能計(jì)算在雷達(dá)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

高性能計(jì)算技術(shù)是指通過(guò)體系結(jié)構(gòu)、并行算法及軟件開(kāi)發(fā)等方面來(lái)進(jìn)行研發(fā)高性能計(jì)算機(jī)的技術(shù)。隨著信息化的快速發(fā)展，高性能計(jì)算在新能源、新材料、氣象預(yù)報(bào)、生物醫(yī)藥、遙感數(shù)據(jù)處理等方面得到了廣泛應(yīng)用。在本文中，通過(guò)利用CUDA 平臺(tái)［5］，將GPU 作為艦載雷達(dá)信號(hào)的處理器，實(shí)現(xiàn)了艦載雷達(dá)信號(hào)高性能計(jì)算的解決方案。以艦載雷達(dá)系統(tǒng)中的目標(biāo)捕獲過(guò)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(yōu)化方法如下:

1)算法優(yōu)化

進(jìn)行算法優(yōu)化的目的有2 點(diǎn):一是使計(jì)算量減少到最少;二是增加算法中能夠并能計(jì)算的部分。針對(duì)目標(biāo)捕獲中存在搜索循環(huán)與大量FFT 變換運(yùn)算的提點(diǎn)，算法優(yōu)化方案詳見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化方法Tab.2 Optimization methods

2)架構(gòu)優(yōu)化

架構(gòu)優(yōu)化的主要目的是為了充分利用存儲(chǔ)設(shè)備多線程并行計(jì)算技術(shù)，增加提高GPU 的計(jì)算能力。本文中采用的架構(gòu)優(yōu)化方案詳見(jiàn)表3。優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表3 優(yōu)化方法Tab.3 Optimization methods

表4 優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Optimization result

從表4 中可看到，通過(guò)CUDA 高性能優(yōu)化后，大大降低了算法的計(jì)算量，加快了計(jì)算速度。

3 結(jié) 語(yǔ)

艦載雷達(dá)信號(hào)處理在海洋探測(cè)、目標(biāo)跟蹤、引航等方面更發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，本文對(duì)艦載雷達(dá)信號(hào)處理的高效計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出了利用高性能計(jì)算技術(shù)進(jìn)行艦載雷達(dá)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)。高性能計(jì)算技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，通過(guò)高效利用存儲(chǔ)設(shè)備、并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法的高效計(jì)算。在本文中，首先對(duì)幾種常見(jiàn)的雷達(dá)信號(hào)處理算法進(jìn)行介紹，然后提出了應(yīng)用CUDA 平臺(tái)進(jìn)行高性能計(jì)算的方法，并對(duì)艦載雷達(dá)系統(tǒng)中目標(biāo)捕獲算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過(guò)CUDA 的算法優(yōu)化與架構(gòu)優(yōu)化，充分的利用了GPU 的計(jì)算能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)利用高性能計(jì)算技術(shù)，能夠有效提高艦載雷達(dá)信號(hào)處理的計(jì)算量，大大加快處理速度。

［1］丁嵐，李蕾．艦載超視距雷達(dá)信號(hào)處理的問(wèn)題與對(duì)策［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，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(dá)手冊(cè)(2 版)［M］．王軍，等譯．北京:電子工業(yè)出版社，2003．

［3］馬曉巖，向家彬，朱裕生，等．雷達(dá)信號(hào)處理［M］．長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社．

［4］丁鷺飛，耿富錄．雷達(dá)原理［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001．

［5］熊超，程翥，王壯．利用CUDA 加速連續(xù)波雷達(dá)測(cè)速算法［D］．長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，2011．