基于GPU的SAR回波模擬與成像方法.pdf

1、合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天候、全天時、遠距離、高分辨的成像特點，在民用和軍用領域發(fā)揮著巨大作用。在SAR系統(tǒng)的方案設計與驗證、成像算法的研究、相關軟件與硬件設計等方面，需要制備符合某種特定條件的SAR回波數據，但這不可能直接通過掛飛實驗來獲取，因此關于高效精確的SAR回波模擬技術的研究至關重要。另一方面，隨著雷達平臺運動模式復雜性的提高，高效精確的時域成像技術的研究也愈發(fā)重要。

2、>　　本文以“×××”973課題為背景，對 SAR回波模擬及成像方法和基于圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）的并行設計進行了深入研究，系統(tǒng)而深入地研究了逆向法SAR回波模擬、三維地面場景的正向法SAR回波模擬和后向投影（Back Projection，BP）成像算法等方面的內容?；贕PU的方法設計，有效地提高了運算效率，解決了實際工程面臨的技術難題。
　　本文的主要內容如下：
　　1.簡

3、單介紹了GPU的特點及其統(tǒng)一計算設備架構（Compute Unified Device Architecture，CUDA）的軟硬件編程模型，為文中關于GPU的并行設計作好了鋪墊；詳細討論了SAR回波模型和SAR成像原理，包括線性調頻信號的脈沖壓縮原理、SAR空間幾何模型及回波信號模型、二維高分辨率成像原理、距離-多普勒算法等內容，為全文打好了理論基礎。
　　2.深入研究了逆向法SAR回波模擬技術。分析了利用基準SAR圖像確定后向

4、散射系數的方法，討論了SAR回波模擬的傳統(tǒng)算法與工程上實用的同心圓算法，并針對同心圓算法從線程分布、內存分配、流處理等方面進行了并行設計與優(yōu)化，實現了雙GPU上的設計工作。同時，用真實場景的SAR圖像進行了仿真實驗，驗證了算法及其并行設計的正確性；對單個 GPU的運算進行了加速比測量，大約是 CPU的193倍。
　　3.研究了三維地面場景的正向法SAR回波模擬技術。詳細討論并解決了利用數字高程模型（Digital Elevatio

5、n Model，DEM）數據進行SAR回波模擬時面臨的問題：(1)基于分形布朗運動（Fractional Brownian Motion，FBM）模型的分形插值方法，對DEM數據進行精細化處理以滿足SAR回波仿真要求；(2)基于小面元模型的后向散射系數計算方法，將DEM數據剖分成大量精度滿足要求的小面元，結合后向散射的實驗數據和小面元模型計算得到每個小面元的后向散射系數；(3)基于下視角比較法的陰影區(qū)域判定，對雷達波束作扇形近似并進行精

6、細劃分，在每個細小波束角范圍內用下視角比較的方法確定陰影區(qū)域。每一部分內容詳細討論了方法原理和具體流程，給出了的仿真實驗驗證。之后，詳細分析了該正向SAR回波模擬方法的并行性，實現了雙GPU上的設計工作，用某地區(qū)的實測DEM數據進行了仿真實驗，驗證了該方法及其并行設計的正確性，大大提高了大范圍三維地面場景SAR回波模擬的運算效率。
　　4.研究了BP成像算法的基本原理，并針對算法的低效率問題進行了并行設計與優(yōu)化，實現了雙GPU上的