高性能计算在雷达信号处理中的设计及实现

蔡 昌

(广州民航职业技术学院，广东 广州510403)

0 引 言

雷达信号处理技术在雷达系统中发挥着至关重要的作用，其主要的任务就是通过运用各种信号处理与分析的技术，在干扰背景下(电磁干扰、噪声干扰、电磁干扰等)发现目标和获取目标的相关信息。随着雷达系统技术的快速发展以及应用需求的不断增加，对雷达信号处理技术的要求也越来越高。在本文中，为了提高舰载雷达信号处理相关算法的处理性，在相关算法的实现过程中结合了高性能计算技术。本文首先对几种常用的雷达信号处理算法进行介绍，然后提出运用高性能计算技术进行舰载雷达信号处理的设计，并以CUDA 平台为基础，实现了舰载雷达目标捕获算法的高性能计算。

1 雷达信号处理算法

雷达信号通常用实窄带信号表示，表示方法如下

设窄带信号为:

其能量为:

1)复解析

复解析是指在频域中对信号(任意实信号)进行解析过程如下:

2)复指数

复指数是指在时域对信号(窄带信号)进行解析，其过程如下:

在雷达信号处理中，关键的技术主要有脉冲压缩技术、自适应旁瓣消除技术以及杂波抑制技术［1］。

1.1 脉冲压缩

在雷达系统中，距离与精度一直相互矛盾，而脉冲压缩技术的最大作用就是解决这一矛盾。脉冲压缩通过调制宽时间脉冲，然后再采用匹配压缩得到窄脉冲，从而解决距离与分辨力的矛盾。以线性调频信号［2］为例，设信号的时域表达式为:

其中μ = B/τ，相关参数详见表1

表1 参数Tab.1 Parameters

则信息包络为:

式中D 为脉冲压缩比，D=Bτ=μτ。匹配滤波效果如图1 所示。

图1 压缩脉冲技术效果示意图Fig.1 Plus compression results

1.2 自适应旁瓣消除

自适应旁瓣消除的目的是为了对抗有源干扰，属于一种空域滤波方法。通过修正波束的旁瓣来抑制干扰。开环算法［3］的自适应旁瓣消除原理如图2所示。

图2 原理图Fig.2 Schematic diagram

在旁瓣消除的过程中，需要进行矩阵求逆，矩阵求逆的算法有很多种，例如QR 分解方法过程如下:

设，Rrr=［r1，r2，r3，…，rn］，Schmidt 正交化后有:

则Q 和R 为:

1.3 杂波抑制

杂波抑制主要是在雷达发现运动目标及获取目标分析的时候，消除杂波的干扰。较为常用的技术有MTI、MTD、AMTI。在本文中以MTD 为例进行介绍。

MTD 利用滤波器组尽量去覆盖多普勒范围，进而起到抑制杂波的效果。滤波器组［4］如图3 所示。

图3 滤波器组Fig.3 Filter banks

设N 个输出的权值表示方法如下:

则滤波器的频率响应为:

2 高性能计算在雷达信号的实现

高性能计算技术是指通过体系结构、并行算法及软件开发等方面来进行研发高性能计算机的技术。随着信息化的快速发展，高性能计算在新能源、新材料、气象预报、生物医药、遥感数据处理等方面得到了广泛应用。在本文中，通过利用CUDA 平台［5］，将GPU 作为舰载雷达信号的处理器，实现了舰载雷达信号高性能计算的解决方案。以舰载雷达系统中的目标捕获过程为例，捕获算法流程如图4 所示。

图4 算法流程Fig.4 Algorithm flow

CUDA 优化方法如下:

1)算法优化

进行算法优化的目的有2 点:一是使计算量减少到最少;二是增加算法中能够并能计算的部分。针对目标捕获中存在搜索循环与大量FFT 变换运算的提点，算法优化方案详见表2。

表2 优化方法Tab.2 Optimization methods

2)架构优化

架构优化的主要目的是为了充分利用存储设备多线程并行计算技术，增加提高GPU 的计算能力。本文中采用的架构优化方案详见表3。优化后的实验结果如表4 所示。

表3 优化方法Tab.3 Optimization methods

表4 优化结果Tab.4 Optimization result

从表4 中可看到，通过CUDA 高性能优化后，大大降低了算法的计算量，加快了计算速度。

3 结 语

舰载雷达信号处理在海洋探测、目标跟踪、引航等方面更发挥着至关重要的作用，本文对舰载雷达信号处理的高效计算方法进行了研究，提出了利用高性能计算技术进行舰载雷达信号处理的设计。高性能计算技术是计算机科学的一个分支，通过高效利用存储设备、并行计算实现相关算法的高效计算。在本文中，首先对几种常见的雷达信号处理算法进行介绍，然后提出了应用CUDA 平台进行高性能计算的方法，并对舰载雷达系统中目标捕获算法进行实现，通过CUDA 的算法优化与架构优化，充分的利用了GPU 的计算能力。实验结果表明，通过利用高性能计算技术，能够有效提高舰载雷达信号处理的计算量，大大加快处理速度。

［1］丁岚，李蕾．舰载超视距雷达信号处理的问题与对策［J］．舰船科学技术，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．雷达手册(2 版)［M］．王军，等译．北京:电子工业出版社，2003．

［3］马晓岩，向家彬，朱裕生，等．雷达信号处理［M］．长沙:湖南科学技术出版社．

［4］丁鹭飞，耿富录．雷达原理［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2001．

［5］熊超，程翥，王壮．利用CUDA 加速连续波雷达测速算法［D］．长沙:国防科技大学，2011．