一种基于GPU的射频半实物杂波模拟方法与流程

本发明涉及杂波射频半实物仿真。更具体地，涉及一种基于gpu的射频半实物杂波模拟方法。

背景技术：

雷达杂波是雷达波束在物体表面形成的后向散射，比如地表面、海洋表面等。其中包括地杂波、海杂波及气象杂波。其中，除由人造建筑物所产生的点杂波外，地杂波通常情况下是一种分布散射现象；海杂波就是指海面的回波，它表现出更强的动态特性；气象杂波主要是降雨层的后向散射。

导引头在复杂战场环境中会受到地杂波的干扰，若要检测导引头低空下视性能，需要利用半实物仿真对导引头抗杂波性能进行检测。然而，由于解算杂波模型需要巨大计算量，当前的模型计算速度远不能满足高逼真的干扰仿真实时性要求。导引头性能测试实时性要求弹道一帧数据的仿真周期为1ms，而解算一帧杂波模型需要的时间为100ms左右。这就意味着给导引头提供的杂波信号并非当前时刻导引头面临的杂波信号，而是100ms前的杂波信号，这将造成提供给导引头的电磁环境已不再逼真。因此，需要利用当前解决模型解算速度的先进并行仿真技术，提高仿真速度。

对于模型并行加速的方法很多，有利用软件算法进行改进，也有利用硬件进行加速的方法。图形处理器(gpu，graphicsprocessingunit)，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。它将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人电脑主板的重要元件，也是“人机对话”的重要设备之一。gpu面对的是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境，采用了数量众多的计算单元和超长的流水线，但只有非常简单的控制逻辑并省去了cache，擅长大规模并发计算。

因此，需要提供一种基于gpu技术对杂波模型进行加速的方法，以及一种能够通过gpu与windows、rtx(实时操作系统)组成的系统，完成gpu通过pci、光纤与硬件系统的数据交互和传输，从而建立杂波实时半实物仿真平台，实现杂波的实时半实物仿真。

技术实现要素：

为了解决至少上述问题之一，本发明的目的在于提供一种基于gpu的射频半实物杂波模拟方法，利用gpu技术实现杂波模型的并行加速，并实现gpu与rtx实时操作系统的数据交互与传输，解决了海杂波实时仿真问题，从而提高了海杂波半实物仿真逼真度。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于gpu的射频半实物杂波模拟方法，包括：

s1：构建杂波实时半实物仿真平台；

s2：基于多普勒环对杂波进行杂波元划分；

s3：利用gpu技术对划分的杂波元进行并行解算并产生基带信号；

s4：计算导弹与目标飞行参数；

s5：进行多系统数据交互与传输，完成发射杂波射频信号。

优选地，杂波为地杂波和/或海杂波。

优选地，杂波实时半实物仿真平台包括杂波模型解算计算机、射频信号模拟源、仿真主控计算机和光纤，其中

杂波模型解算计算机，利用gpu技术对杂波模型进行并行解算，产生杂波基带信号，并将每帧杂波基带信号传送至射频信号模拟源；

仿真主控计算机，用于计算当前导弹与目标的飞行参数，传送给杂波模型解算计算机进行模型解算；

射频信号模拟源，将杂波基带信号通过正交调制器生成中频信号，并与导引头信号混频发射杂波射频信号。

进一步优选地，杂波模型解算计算机通过光纤与仿真主控计算机进行数据传输，通过pci控制射频信号模拟源。

优选地，步骤s2进一步包括：

s201：对相同多普勒环范围内的杂波元，计算每个杂波元的电压幅度、多普勒角度和相位解算；

s202：对每个距离环数据在方位上进行功率叠加；

s203：重复上述步骤s201和s202，仿真一个相关处理时间间隔内所有脉冲的回波信号。

优选地，相同多普勒环是雷达回波多普勒速度相同的划分；

距离环是雷达回波距离相同的划分。

优选地，杂波模型解算流程中，杂波模型的计算包括串行计算和并行计算，其中，杂波功率计算采用并行计算。

优选地，多系统包括windows系统、rtx系统和cuda系统。

优选地，杂波实时半实物仿真平台设置用于windows与rtx间数据交互的共享内存。

进一步优选地，共享内存还用于cuda与rtx间的数据交互。

优选地，多系统数据交互与传输包括：

在cuda解算的杂波基带数据通过交互到rtx；

在rtx上开发与仿真主控机通过光纤传输数据的通信模块；

在rtx上开发与射频信号模拟源通过pci交互数据的通信模块。

本发明的有益效果如下：

本发明的基于gpu的射频半实物杂波模拟方法，通过搭建杂波实时半实物仿真平台，利用cuda中线程块、线程编程实现杂波模型中等多普勒环、等距离环地面划分上的模型并行运算，并开发cuda、windows、rtx间数据交互与传输软件模块，实现海杂波模型数据在多硬、软件系统中交互与传输，射频信号模拟源利用正交调制器将海杂波模型调制到中频信号并混频到射频发射，从而实现海杂波回波模拟，提高了仿真速度，保证了引导头电磁环境的逼真。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于gpu的射频半实物杂波模拟方法步骤图。

图2示出杂波实时半实物仿真平台结构框图。

图3示出对杂波进行杂波元划分示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一些列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

本发明的一种基于gpu的射频半实物杂波模拟方法，利用gpu技术实现杂波模型的并行加速，并实现gpu与rtx实时操作系统的数据交互与传输。本发明通过搭建杂波实时半实物仿真平台，利用cuda中线程块、线程编程实现杂波模型中等多普勒环、等距离环地面划分上的模型并行运算，并开发cuda、windows、rtx间数据交互与传输软件模块，实现海杂波模型数据在多硬、软件系统中交互与传输，射频信号模拟源利用正交调制器将海杂波模型调制到中频信号并混频到射频发射，从而实现海杂波回波模拟。

应注意的是，本发明中杂波可以地杂波和/或海杂波，下面将以地杂波为例进行说明。

如图1所示，一种基于gpu的射频半实物杂波模拟方法，包括：

第一步构建地杂波实时半实物仿真平台

如图2所示，地杂波实时半实物仿真平台由地杂波模型解算计算机、射频信号模拟源、仿真主控计算机、光纤等系统组成。优选地，地杂波模型解算计算机为高性能计算机，其pcie插槽上装有gtx780nvidia显卡。地杂波模型解算计算机通过光纤与仿真主控计算机传输数据，通过pci控制射频信号模拟源。地杂波模型解算计算机负责利用gpu技术对地杂波模型进行并行解算，产生地杂波基带信号，并将每帧地杂波基带信号传送到射频信号模拟源。仿真主控计算机用于计算当前导弹与目标的飞行参数，传送给地杂波模型解算计算机用于模型解算。射频信号模拟源将地杂波基带信号通过正交调制器生成中频信号，并于与导引头信号混频发射地杂波射频信号。

应注意的是，本发明中，引导头信号发送至射频信号模拟源，该实时半实物仿真平台还可以包括频谱仪，用于对射频信号模拟源进行监测。

本发明中，图形处理器(英语：graphicsprocessingunit，缩写：gpu)，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。rtx是(realtimeexpert)是腾讯公司推出的企业级实时通信平台，致力于帮助企业提高运作效率、降低沟通成本、拓展商业机会，是一种高度可管理、低成本、易部署的it平台。rtx集成了丰富的沟通方式，包括文本会话、语音/视频交流、手机短信、文件传输、ip电话、网络会议、以及应用程序共享、电子白板等远程协作方式。cuda一种由nvidia推出的通用并行计算架构，该架构使gpu能够解决复杂的计算问题。它包含了cuda指令集架构(isa)以及gpu内部的并行计算引擎。

第二步利用gpu进行地杂波模型并行解算

具体包括：

2.1地杂波地面划分平行计算

如图3所示，对地面进行有效地杂波元划分：对相同多普勒环范围内地杂波元，计算每个地杂波元的电压幅度、多普勒角频率和相位解算；然后对每个距离环数据在方位上进行叠加；假设在一个相关处理时间间隔(cpi)内，导引头和目标位置变化忽略不计，就可以重复上面步骤仿真一个cpi内所有脉冲的回波信号。于该计算过程是将地面按照环状划分成块，在环与环、块与块之间数据相互独立，属于典型的密集型数据和并行数据，采用cuda大规模并行计算加速。

本发明中，相同多普勒环是雷达回波多普勒速度相同的地面划分，如图3中的虚线划分；每个距离环是雷达回波距离相同的地面划分，如图3中的实线划分；在方位上进行叠加是指将距离环这一圈的功率加起来。

2.2地杂波模型解算流程

在采用了cuda并行计算加速地面杂波元解算基础上，地杂波模型的计算由串行和并行组成，算法整体上是串行执行的，其中的地杂波功率计算等部分采用并行计算。cuda程序开始部分任务都是由gpu完成，其它部分由cpu完成，其中的内核计算部分需要人工编写程序，fft直接调用cudasdk提供的接口函数完成。

应注意的是，杂波元解算是指在每个杂波元划分中进行杂波模型计算；杂波模型计算是指计算杂波元与雷达相对关系，计算杂波回波功率。在杂波计算流程中，参数设置和杂波元划分为串行执行，杂波元功率计算和载波调制信号的生成可为并行计算。

第三步多系统数据交互与传输模块开发

本申请方法中有效设计了地杂波信号产生过程中，多软、硬件系统间的数据交互与传输模块。windows与rtx间数据交互数据通过开辟一块共享内存进行交互。由于nvida公司目前没有为rtx系统提供显卡或gpu计算卡驱动，并且gpu的复杂度过高及接口的不公开，用户不可能自行开发rtx下的显卡驱动，因此cuda与rtx间的数据交互也通过与windows相同的共享内存进行数据交互。在cuda解算的地杂波基带数据通过交互到rtx，在rtx上开发与仿真主控机通过光纤传输数据的通信模块，在rtx上开发与射频信号模拟源通过pci交互数据的通信模块。

本发明中，实现了由地杂波模型解算计算机接收由仿真主控机解算的弹目飞行参数作为地杂波模型解算输入，在地杂波模型解算计算机上利用gpu并行加速地杂波模型，开发多系统数据交互与传输模块，实现gpu、windows、rtx等软件系统，以及地杂波并行计算模型与光纤、pci等硬件系统间的数据交互与传输，从而将地杂波基带信号输入射频信号模拟器，利用其中的正交调制器将地杂波模型调制到中频信号，并与导引头信号混频到射频发射，从而实现地杂波回波信号1ms的实时半实物仿真。

值得注意的是，终端设备实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各方法实施例中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。