基于GPU的人体微波回波模拟方法及系统与流程

本发明属于回波模拟技术领域，尤其涉及一种基于GPU(Graphics Processing Unit，图形处理单元)的人体微波回波模拟方法及系统。

背景技术：

基于微波、毫米波或者太赫兹波的近距离人体三维扫描成像安检系统因其能够穿透人体衣物，对人体辐射剂量小，能够识别藏匿于人体周身的金属或非金属违禁品等优点，在近些年来受民众关注，并且受到部分机场、法院、监狱等需要安检的组织机构的推崇。在人体三维扫描成像安检系统的研制和测试阶段，通常需要进行回波模拟仿真生成，以便支撑系统参数验证分析、系统成像机理研究、成像算法设计与验证等环节。而由于人体三维扫描成像系统的回波维度较高，系统中通道较多，导致回波模拟仿真时计算量大、复杂度高，因此通常无法使用当前常规计算机或者工作站中的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)来实时计算生成仿真回波。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于GPU的人体微波回波模拟方法及系统，旨在解决上述由于人体三维扫描成像系统的回波维度较高，系统中通道较多，导致回波模拟仿真时计算量大、复杂度高，因此通常无法使用当前常规计算机或者工作站中的CPU来实时计算生成仿真回波的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于GPU的人体微波回波模拟方法，该方法包括：

将仿真输入参数由CPU主机端的内存传送至GPU设备端的显存中；

在所述CPU主机端设置运行在所述GPU设备端的并行计算网络参数；

启动所述CPU主机端内预置的用于人体微波回波模拟的内核函数；

所述内核函数根据所述并行计算网络参数以多线程的方式在所述GPU设备端的多个处理核中并行运行计算得出人体微波的模拟回波；

所述GPU端将计算得出的人体微波的模拟回波回传至所述GPU主机端。

本发明实施例的另一目的在于提供一种基于GPU的人体微波回波模拟系统，包括CPU主机端和GPU设备端，所述CPU主机端包括仿真参数发送单元、并行参数设置单元以及内核函数启动单元，所述GPU设备端包括并行计算单元和回波数据返回单元，其中：

所述仿真参数发送单元，用于将仿真输入参数由CPU主机端的内存传送至GPU设备端的显存中；

所述并行参数设置单元，用于在所述CPU主机端设置运行在所述GPU设备端的并行计算网络参数；

内核函数启动单元，用于启动所述CPU主机端内预置的用于人体微波回波模拟的内核函数；

所述并行计算单元，用于在所述内核函数控制下根据所述并行计算网络参数以多线程的方式在所述GPU设备端的多个处理核中并行运行计算得出人体微波的模拟回波；

所述回波数据返回单元，用于将所述GPU设备端计算得出的人体微波的模拟回波回传至所述GPU主机端。

实施本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟方法及系统具有以下有益效果：

本发明实施例通过将仿真输入参数由CPU主机端的内存传送至GPU设备端的显存中；在所述CPU主机端设置运行在所述GPU设备端的并行计算网络参数；启动所述CPU主机端内预置的用于人体微波回波模拟的内核函数；所述内核函数根据所述并行计算网络参数以多线程的方式在所述GPU设备端的多个处理核中并行运行计算得出人体微波的模拟回波；所述GPU端将计算得出的人体微波的模拟回波回传至所述GPU主机端，从而可以充分利用GPU可进行并行计算的特点，加速回波模拟过程，大大提高了人体微波扫描成像系统回波模拟的实时性。

附图说明

图1是本发明实施例中人体三维扫描成像安检系统的柱面扫描几何示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟方法中利用GPU进行并行计算的架构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟方法的示意流程图；

图4是本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟方法中步骤S304的示意流程图；

图5是本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟系统的示意性框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例是针对近距离人体三维扫描成像安检系统中实现人体微波三维回波模拟的，近距离人体三维扫描成像安检系统根据发射接收天线单元的相位中心所形成的扫描面可分为平面扫面系统和柱面扫描系统，本发明实施例中主要是针对柱面扫几何的情况，但本发明提供的回波模拟方法同样可用于平面扫描几何情况。

图1示出了本发明实施例中人体三维扫描成像安检系统的柱面扫描的几何示意图。参见图1所示，收发天线单元在垂直高度Z方向组成线性阵列，距柱面扫面集合中心轴线距离为ρ，同时，该线性阵列还经旋转扫描，最后等效形成在柱面上分布的等防伪间隔、等高度向坐标的多个天线等效相位中心。以柱面坐标表示某个天线相位中心的位置，其中表示方位角方向等间隔采样条件下第m个方位角方向采样点的方位角坐标值，m的范围是0≤m≤M-1，其中M表示天线相位中心沿方位角方向扫描的总点数；z_n表示高度方向等间隔采样条件下第n个高度向采样点的高度坐标值，n的取值范围是0≤n≤N-1，其中N表示天线相位中心沿高度方向扫描的总点数。人体微波三维回波模拟即是通过数据仿真的手段计算所有天线相位中心处的回波数据。

本发明实施例提供的回波模拟方法是基于GPU进行的，因此在详细介绍本发明的实施方式的细节之前，先简单描述利用GPU进行并行计算的一些概念和步骤。

GPU是在有限的板卡上集成大量的计算单元，主要负责计算密度高的运算任务，相比于常规计算机或工作站中的CPU，GPU具有更强的浮点数运算能力和更大的存储宽带。通常情况下，将GPU作为主机端，将GPU作为协助处理的设备端，从而让GPU来运行一些能够被高度线程化的程序。如图2所示，为利用GPU进行并行加速计算的架构示意图，高度线程化的程序组成一个所谓的内核函数被并行执行在GPU上，内核函数以线程块的组织方式运行在CPU的一个运算核心上，而每个线程块又包含多个并行执行的线程。在实际运行中，需根据并行优化的需要设置并行计算网络参数，包括GPU设备端进行并行计算的线程块的维度以及一个线程块内线程的维度。

图3是本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟方法的示意流程图。参见图3所示，该方法可以包括以下步骤：

在S301中，将仿真输入参数由CPU主机端的内存传送至GPU设备端的显存中。

在本实施例中，所述仿真输入参数包括：人体扫描成像系统的扫描参数、天线相位中心位置参数以及人体模型分布式目标参数。

其中，所述人体扫描成像系统的扫描参数包括发射脉冲信号中心频率f_c，脉冲宽度T_S、带宽B以及回波采样频率f_s。

其中，天线相位中心位置参数为ρ表示在柱面扫描几何下的人体微波安检系统天线相位中心距柱面中轴线的距离大小；表示方位角方向等间隔采样条件下第m个方位角方向采样点的方位角坐标值，m的范围是0≤m≤M-1，其中M表示天线相位中心沿方位角方向扫描的总点数；z_n表示高度方向等间隔采样条件下第n个高度向采样点的高度坐标值，n的取值范围是0≤n≤N-1，其中N表示天线相位中心沿高度方向扫描的总点数。

其中，人体模型分布式目标参数表示人体模型上第k个散射点的距离、方位角和高度坐标，表示人体模型上第k个散射点的散射系数大小，k的取值范围为0≤k≤K-1，其中K表示人体模型分布式目标中散射点的总个数。

在S302中，在所述CPU主机端设置运行在所述GPU设备端的并行计算网络参数。

在本实施例中，所述并行计算网络参数包括所述GPU设备端进行并行计算的线程块的维度以及每个线程块内线程的维度。

优选的，所述线程块的维度为M×N，其中M表示天线相位中心沿方位角方向扫描的总点数，N表示天线相位中心沿高度方向扫描的总点数，所述一个线程块内的维度是K×1，其中K表示人体模型分布式目标中散射点的总个数。

在S303中，启动所述CPU主机端内预置的用于人体微波回波模拟的内核函数。

在S304中，所述内核函数根据所述并行计算网络参数以多线程的方式在所述GPU设备端的多个处理核中并行运行计算得出人体微波的模拟回波。

图4示出了步骤S304的具体实现流程，参见图4所示，步骤S304的具体实现流程如下：

在S401中，根据当前GPU线程所在的线程块在所有线程块中所处的编号确定该线程块内所有线程共同使用的天线相位中心位置。

其中，令当前GPU线程所在的线程块在所述线程块中所处的编号为(m',n')，则确定当前线程块内所有线程共同使用的天线相位中心位置为其中ρ表示在柱面扫描几何下的人体微波安检系统天线相位中心距柱面中轴线的距离大小；表示方位角方向等间隔采样条件下第m'个方位角方向采样点的方位角坐标值，m'的取值范围是0≤m'≤M-1，其中M表示天线相位中心沿方位角方向扫描的总点数；z_n'表示高度向等间隔采样条件下第n'个高度采样点的高度坐标值，n'的取值范围是0≤n'≤N-1，其中N表示天线相位中心沿高度方向扫描的总点数。

在S402中，根据当前GPU线程在其所属线程块中所处的编号确定当前GPU线程计算所用到的人体模型分布式目标散射点的位置坐标和散射系数大小。

在本实施例中，另当前GPU在其所属线程块中所处的编号为k'，那么确定当前线程计算所用到的第k'个人体模型分布式目标散射点的位置坐标为散射系数大小为其中k'的范围是0≤k'≤K-1，其中K表示人体模型分布式目标中散射点的总个数。

在S403中，计算所述天线相位中心位置和所述人体模型分布式目标散射点之间的距离，并根据所述距离计算出从所述人体模型分布式目标散射点到所述天线相位中心位置的时延。

在本实施例中，所述天线相位中心位置和第k'个散射点之间的距离大小为R,所述目标散射点所所述天线相位中心位置的时延为τ_d，那么有：τ_d＝2R/c，其中c为电磁波在真空中的传播速度。

在S404中，确定所述人体分布式目标散射点到所述天线相位中心位置的时延在回波中所处的距离门单元位置。

在本实施例中，所述第k'个散射点到天线相位中心的时延τ_d在回波中所处的距离门单位位置即为其中f_s为回波采样频率，为向下取整算子。

在S405中，将所述距离门单元内的回波信号加上来自所述人体分布式目标散射点的多普勒相位得到所述天线相位中心收到的所述距离门单元的回波信号数据。

在本实施例中，令位于处的天线相位中心收到的回波数据为那么有：

在S406中，重复执行上述步骤S402～S405，直到当前线程块内所有的线程均执行完毕，得到所述天线相位中心位置收到的所有距离门单元的回波信号数据。

在本实施例中，重复执行上述步骤S402～S405，知道当前线程块内所有的线程均执行完毕，得到位于处的天线相位中心收到的所有距离门单元的回波数据

在S407中，将所述回波信号数据与所述人体扫描成像系统的发射信号脉冲进行卷积计算，得到最终输出的采用该发射信号脉冲的回波信号数据。

在本实施例中，所述人体扫描成像系统的发射信号脉冲为线性调频信号脉冲，其表达式为：

其中，t表示时间坐标，f_c、T_S和B分别表示仿真输入的人体微波、三维成像安检系统的中心频率、脉冲宽度和带宽参数。

在S408中，在所述GPU设备端执行的其它线程块内并行执行上述步骤S401～步骤S407，最终得到对应所有天线相位中心位置的回波信号数据。

在本实施例中，在所述GPU设备端的其他线程块并行的执行上述步骤S401～步骤S407即可得到对应所有天线相位中心位置的回波信号数据其中，0≤m≤M-1；0≤n≤N-1。

在S305中，所述GPU端将计算得出的人体微波的模拟回波回传至所述GPU主机端。

在本实施例中，所述CPU主机端接收到所述人体微波的模拟回波后将所述模拟回波送往后续成像处理流程，或者根据存储格式和路径要求将模拟回波数据保存至硬盘。

以上可以看出，本实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟方法由于通过将仿真输入参数由CPU主机端的内存传送至GPU设备端的显存中；在所述CPU主机端设置运行在所述GPU设备端的并行计算网络参数；启动所述CPU主机端内预置的用于人体微波回波模拟的内核函数；所述内核函数根据所述并行计算网络参数以多线程的方式在所述GPU设备端的多个处理核中并行运行计算得出人体微波的模拟回波；所述GPU端将计算得出的人体微波的模拟回波回传至所述GPU主机端，从而可以充分利用GPU可进行并行计算的特点，加速回波模拟过程，大大提高了人体微波扫描成像系统回波模拟的实时性，此外，由于使用GPU替代CPU进行回波模拟，从而可节省出CPU资源进行系统控制、资源调度、逻辑分析等功能，另外，回波模拟时可根据需要更改仿真参数，使整个回波模拟仿真过程便捷易用，有助于一高系统研制和调试效率，降低成本。

图5是本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟系统的示意性框图，该系统用于运行本发明图3～图4所示实施例提供的方法。为了便于说明仅仅示出了与本实施例相关的部分。

参见图5所示，本实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟系统，包括CPU主机端1和GPU设备端2，所述CPU主机端1包括仿真参数发送单元12、并行参数设置单元11以及内核函数启动单元13，所述GPU设备端2包括并行计算单元21和回波数据返回单元22，其中：

所述仿真参数发送单元12，用于将仿真输入参数由CPU主机端1的内存传送至GPU设备端2的显存中；

所述并行参数设置单元11，用于在所述CPU主机端1设置运行在所述GPU设备端2的并行计算网络参数；

内核函数启动单元13，用于启动所述CPU主机端1内预置的用于人体微波回波模拟的内核函数；

所述并行计算单元21，用于在所述内核函数控制下根据所述并行计算网络参数以多线程的方式在所述GPU设备端2的多个处理核中并行运行计算得出人体微波的模拟回波；

所述回波数据返回单元22，用于将所述GPU设备端2计算得出的人体微波的模拟回波回传至所述GPU主机端。

可选的，所述仿真输入参数包括：人体扫描成像系统的扫描参数、天线相位中心位置参数以及人体模型分布式目标参数。

可选的，所述并行计算网络参数包括所述GPU设备端2进行并行计算的线程块的维度以及每个线程块内线程的维度。

可选的，所述并行计算单元21具体用于：

根据当前GPU线程所在的线程块在所有线程块中所处的编号确定该线程块内所有线程共同使用的天线相位中心位置；

根据当前GPU线程在其所属线程块中所处的编号确定当前GPU线程计算所用到的人体模型分布式目标散射点的位置坐标和散射系数大小；

计算所述天线相位中心位置和所述人体模型分布式目标散射点之间的距离，并根据所述距离计算出从所述人体模型分布式目标散射点到所述天线相位中心位置的时延；

确定所述人体分布式目标散射点到所述天线相位中心位置的时延在回波中所处的距离门单元位置；

将所述距离门单元内的回波信号加上来自所述人体分布式目标散射点的多普勒相位得到所述天线相位中心收到的所述距离门单元的回波信号数据；

返回所述根据当前GPU线程在其所属线程块中所处的编号确定当前GPU线程计算所用到的人体模型分布式目标散射点的位置坐标和散射系数大小的步骤，重复执行上述流程直到当前线程块内所有的线程均执行完毕，从而得到所述天线相位中心位置收到的所有距离门单元的回波信号数据；

将所述回波信号数据与所述人体扫描成像系统的发射信号脉冲进行卷积计算，得到最终输出的采用该发射信号脉冲的回波信号数据；

在所述GPU设备端2执行的其它线程块内并行执行上述流程，最终得到对应所有天线相位中心位置的回波信号数据。

可选的，所述人体扫描成像系统的发射信号脉冲为线性调频信号脉冲。

需要说明的是，本实施例提供的系统中的各个单元由于本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

因此，可以看出本发明实施例提供的一种基于GPU的人体微波回波模拟系统同样可以充分利用GPU可进行并行计算的特点，加速回波模拟过程，大大提高了人体微波扫描成像系统回波模拟的实时性；此外，由于使用GPU替代CPU进行回波模拟，从而可节省出CPU资源进行系统控制、资源调度、逻辑分析等功能，另外，回波模拟时可根据需要更改仿真参数，使整个回波模拟仿真过程便捷易用，有助于一高系统研制和调试效率，降低成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。