一种同时SAR/GMT回波模拟方法及其系统与流程

一种同时sar/gmt回波模拟方法及其系统
技术领域
1.本发明涉及雷达性能测试技术领域，具体涉及一种同时sar/gmt回波模拟方法及其系统。


背景技术：

2.合成孔径雷达（synthtic aperture radar，sar）是一种利用脉冲压缩技术和合成孔径原理获取两维（距离维和方位维）高分辨率的雷达系统。相比于光学雷达系统它不受天气和遮盖物的影响，可以穿透云层和植被探测地物信息，是地形地物探测装备的最重要和主要的手段。几十年来越来越广泛地应用到民用、军事领域，是各个国家雷达技术和信号处理技术的重点研究方向。
3.在常规的sar图像中，地面运动目标（ground moving target，gmt）会出现距离走动、散焦、方位位置偏移等现象，gmt往往只能以模糊的形式叠加在静止场景sar图像上。sar/gmt回波模拟系统采用gpu架构，将sar场景和gmt进行分离处理，利用散射面元计算法同时计算sar场景和gmt的回波，最后对sar场景和分布式gmt回波进行合成得到总的sar回波。sar/gmt回波模拟系统相比于常规的sar回波模拟系统应用场景更加广泛，相比对多通道gmt回波模拟系统它减少了硬件资源，极大地节约了设备成本。
4.同时sar/gmt回波模拟系统是检验雷达对环境感知性能的重要装置，特别对具有地面运动目标检测（ground moving target indication，gmti）功能的雷达具有重要意义。回波模拟系统主要用于在sar/gmti雷达上，用于检测该类雷达在sar图像上显示运动目标的位置，检测运动目标个数、对运动目标进行测速、对运动目标进行定位等的性能测试。但sar回波信号仿真的计算量非常大，加上多个运动目标的回波信号仿真，计算量倍增，无法满足sar/gmti雷达性能测试需求。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种同时sar/gmt回波模拟方法及其系统，采用gpu并行计算架构，能够在单通道中模拟同时sar/gmt合成的sar雷达回波信号，应用场景更加广泛，极大地节约了设备成本。
6.技术方案：本发明提供的同时sar/gmt回波模拟方法，包括：步骤1：在上位机中设置试验参数；步骤2：导入试验参数，运行gpu架构下对sar/gmt分布式散射面源并行算法，得到独立的以及合并后的sar/gmt一维距离像数据和回波数据；步骤3：将试验参数和对应的一维距离像数据和回波数据打包发送至存储板中；步骤4：上位机输出包含回波类型的试验参数至实时控制系统，实时控制系统根据试验参数实时控制信号处理板卡；步骤5：信号处理板卡根据回波类型选择调用存储板中的数据，并将选择的数据打包后通过光纤网络输出；
步骤6：若试验参数的回波类型为直接回放，实时控制系统控制信号处理板卡接收雷达参考信号，对光纤网络传输的一维距离像数据进行特征调制，然后进行数字上变频、数字模拟变换，再通过射频上变分系统处理后输出；步骤7：若试验参数的回波类型为卷积回放，实时控制系统控制信号处理板卡接收光纤网络传输的回波数据，然后对该回波数据进行数字上变频、数字模拟变换，再通过射频上变分系统处理后输出。
7.进一步完善上述技术方案，所述雷达参考信号由外部产生，经射频下变分系统处理后输入至所述信号处理板卡；或由所述实时控制系统根据试验参数输出波形信息至信号处理板卡，信号处理板卡对波形信息实时计算基带波形生成雷达参考信号。
8.进一步地，所述步骤1中的试验参数包括sar场景参数、gmt个数、gmt与sar场景的初始几何关系、雷达位置初始信息；所述步骤2中运行gpu架构下对sar/gmt分布式散射面源并行算法包括：步骤a：读取上位机设置的试验参数，导入雷达gps航迹解析文件、导入sar场景后向散射图像，导入gmt的后向散射图像，设计gmt航迹；步骤b、根据预设的sar场景、gmt轨迹范围以及雷达信号参数，对gmt后向散射图像进行插值处理，使其与sar场景的像素比例相融合；步骤c、调节sar场景与gmt后向散射系数强度以及相位，使目标的信杂比满足试验需求；步骤d、将雷达航迹文件、sar/gmt后向散射数据、gmt航迹文件从cpu搬移到gpu显存中；步骤e、将sar场景与gmt按照各自的散射面源个数设置grid的大小，并将它们独立、离散分布到gpu的计算内核上：步骤f、利用gpu的并行计算性能，分别对sar和每个gmt的散射面源同时进行矢量并行计算，计算当前脉冲所有散射面源的幅度相位信息，并判断其所在的距离门；步骤g、对当前脉冲的sar场景的所有散射面源的幅度相位信息进行累积得到sar场景一维距离像信息，同时对当前脉冲的每个gmt分别进行所有散射面源的幅度相位信息累积得到每个gmt的一维距离像信息，合并当前脉冲的sar/gmt的一维距离像信息；步骤h：根据导入的试验设置对步骤g产生的一维距离像数据进行卷积处理，生成并保存当前脉冲的sar场景回波数据、每个gmt的回波数据以及合并后的sar/gmt回波数据；步骤i：重复步骤f~h，直到所有脉冲的一维距离像数据和回波数据计算完成。
9.进一步地，所述步骤e中包括：步骤e-a：据雷达航迹起始位置、雷达波束照射参数、雷达信号参数计算两维分辨率，计算波束照射区域的大小，根据分辨率的一半计算初始波束照射区的距离向和方位向的散射面源个数；步骤e-b：根据、、的大小以及gpu计算资源的限制，设置并行计算的线程个数，并将散射面源的计算分布在尽可能多的gpu的计算核心上，表示合成孔径雷达的单个孔径累计脉冲个数。
10.进一步地，所述、的计算过程如下：；其中，表示雷达到波束照射中心的作用距离，h表示雷达距离地面的高度，、分别表示方位向、距离向波束宽度，为波束下俯角；、分别表示方位向、距离向散射面源的尺寸，计算过程如下；其中，和分别表示方位向和距离向的分辨率，计算过程如下；其中，表示雷达平台飞行速度，表示雷达发射信号工作频率，表示光速单位m/s，表示雷达发射信号的带宽；选取、的最小值作为散射面源的尺寸：所述步骤e-b中合成孔径雷达的单个孔径累计脉冲个数的计算过程如下：其中，表示脉冲重复周期。
11.进一步地，所述步骤f包括：对于sar散射面源，sar场景的计算输入参数有场景后向散射系数、雷达航迹数据、雷达波束照射参数、以及场景散射面源的位置坐标，其计算公式如下：； 以雷达第一个航迹位置时的波束照射中心建立北天东直角坐标系，其中，表示第p个脉冲北向第n个天向第a个东向第e个散射面源的sar的幅度相位信息；表示第p个脉冲北向第n个天向第a个东向第e个散射面源的后向散射系数；表示雷达发射
信号的波长；、、分别表示雷达平台第p个脉冲时刻的北、天、东位置；、、分别表示sar场景中北向第n个天向、第a个东向、第e个散射面源的位置坐标，j是指复数运算中取虚数部分；对于gmt散射面源，gmt的计算输入参数有场景后向散射系数、雷达航迹数据、雷达波束照射参数、gmt插值后的散射面源的位置坐标，每个gmt的航迹，其计算公式如下：； 其中，表示第p个脉冲第i个gmt的北向第n个天向第a个东向第e个散射面源幅度相位信息；表示第p个脉冲第i个gmt的北向第n个天向第a个东向第e个散射面源的后向散射系数；、、分别表示第i个gmt的中北向第n个天向、第a个东向、第e个散射面源的位置坐标，这三个位置信息根据目标运动轨迹插值得到。
12.进一步地，所述步骤g中合并前脉冲的sar/gmt的一维距离像信息过程如下：所述步骤g中合并前脉冲的sar/gmt的一维距离像信息过程如下：所述步骤g中合并前脉冲的sar/gmt的一维距离像信息过程如下：。
13.进一步地，所述步骤h中当前脉冲的sar场景回波数据、每个gmt的回波数据以及合并后的sar/gmt回波数据分别如下：； ； 其中，lfm为雷达参考信号。
14.所述步骤i的计算过程如下：。
15.用于实现上述同时sar/gmt回波模拟方法的模拟系统，包括上位机、实时控制系统、gpu加速模拟单元，存储板、射频上变分系统、射频下变分系统、信号处理板卡，信号处理板卡与实时控制系统、射频上变分系统、射频下变频分系统、存储板分别相连；所述上位机用于设置试验参数；所述gpu加速模拟单元用于接收试验参数、调用试验参数，计算得到独立的以及合并后的sar/gmt一维距离像数据和回波数据并存储至所述存储板；所述实时控制系统用于接受上位机输出的试验参数并输出控制信息至所述信号处理板卡；
所述信号处理板卡接收射频下变分系统输入的外部雷达参考信号或根据实时控制系统输出的控制信息产生对应的雷达参考信号，读取存储卡的一维距离像数据和回波数据，按照回波类型进行输出选择：将一维距离像数据和回波数据进行数据打包后通过光纤网络发送到指定终端；直接回放，实时读取回波数据并进行数字上变频、数字模拟变换，再经所述射频上变分系统处理后输出；卷积回放，对一维距离像数据进行特征调制后进行数字上变频、数字模拟变换，再经所述射频上变分系统处理后输出。
16.在本发明中，先将预设的试验参数放在上位机的数据管理中心，gpu矢量并行计算程序调用该接口文件对sar场景和gmt数据、航迹文件数据对散射元进行并行加速计算，得到独立的以及合并后sar/gmt一维距离像数据和回波数据，这几组数据通过光纤接口/万兆以太网传输到存储板卡中，待试验开始时，通过pcie总线将数据传输到信号处理板卡中，根据试验设置选择回波数据对其进行duc和da处理或者选择一维距离像数据进行目标特征调制再对回波做duc和da，最后进行上变频生成sar/gmt回波信号。
17.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对sar/gmti雷达性能测试需求而提供的一种回波仿真模拟系统，采用gpu并行计算架构，能够在单通道中模拟同时sar/gmt合成的sar雷达回波信号，应用场景更加广泛，相比对多通道gmt回波模拟系统减少了硬件资源，极大地节约了设备成本；本系统在gpu平台上采用分布式散射面源并行算法大大提高了同时sar/gmt回波模拟的速度，将运动目标模拟与sar场景模拟分离开来，采用了场景目标分离式的处理方法离线计算数据然后实时回放的方式模拟回波信号，降低了并行计算的计算量且有利于系统扩展。
18.考虑到试验过程中在轨迹不同时刻存在工作模式切换的可能，因而需要在离线计算数据时，把不同时刻不同模式的数据都准备完成，以便试验中根据指令来切换回放的数据。本系统采用gpu并行计算架构计算sar场景和gmt的一维距离像数据/回波数据，采用sysbios的实时操作系统与上位机进行光纤通讯，采用pcie高速传输接口与信号处理板卡和存储板卡进行数据传输。这种方法有利于控制运动目标个数，实时切换雷达工作模式、适应任意雷达发射信号波形，使得回波模拟能够适应sar/gmti雷达性能测试需求，其一维距离像的计算加速比可达10的三次方量级。
附图说明
19.图1是同时sar/gmt回波模拟系统框图；图2是基于gpu的sar/gmt分布式散射面源并行算法计算流程图；图3是sar场景图像；图4是gmt图像及运动轨迹；图5是某时刻同时sar/gmt合成图像。
具体实施方式
20.下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
21.如图1所示，本发明提供的同时sar/gmt回波模拟系统，先将预设的试验参数放在上位机的数据管理中心，gpu矢量并行计算程序调用接口文件对sar场景、gmt数据、航迹文
件数据对散射元进行并行加速计算，得到独立的以及合并后的sar/gmt一维距离像数据和回波数据，这几组数据通过光纤接口/万兆以太网传输到存储板卡中。待试验开始时，通过pcie总线将数据传输到fpga信号处理板卡中。信号处理板卡功能包括：根据雷达参考信号对一维距离像数据进行特征调制，实时回放目标回波数据，对回波数据进行duc及da变换。回波类型输出选择由上位机试验设置，发送到实时控制系统接收，然后控制转发至信号处理板卡进行实现。这里的雷达参考信号是外部的输入，它不由本系统产生，当没有外部输入的这个雷达参考信号时，则由上位机设置雷达波形参数，并发送给实时控制系统交由信号处理板卡模拟产生一个理想的雷达参考信号替代外部雷达参考信号。
22.信号处理板卡根据试验设置选择回波数据，包括两种类型：1-回波数据直接回放，这种设置条件下对该数据进行数字上变频+数字模拟转换（duc+da）处理即可输出中频回波信号；2-卷积回放，这种设置条件下选择一维距离像数据进行目标特征调制然后再进行duc+da处理即可输出中频回波信号，最后进行上变频生成sar/gmt回波信号。
23.基于同时sar/gmt回波模拟系统的模拟方法，包括：步骤1：在上位机中设置试验初始状态：sar场景参数，gmt个数，gmt与sar场景的初始几何关系，雷达位置初始信息，步骤2：导入试验参数，运行gpu架构的下对sar/gmt分布式散射面源并行算法，生成多组待试验的sar/gmt合路一维距离像数据/回波数据，主要步骤如下：a、读取上位机试验参数，导入雷达gps航迹解析文件、导入sar场景后向散射图像，导入gmt的后向散射图像，设计gmt航迹；b、根据预设的sar场景参数、gmt航迹范围，以及雷达信号参数，对gmt后向散射图像进行插值处理，使其与sar场景的像素比例相融合；c、调节sar场景与gmt的后向散射系数强度以及相位，使gmt的信杂比满足测试需求；d、将雷达航迹文件、sar/gmt后向散射数据、gmt的航迹文件从cpu搬移到gpu显存中；e、将sar场景与gmt按照各自的散射面源个数设置grid的大小，并将它们独立、离散分布到gpu的计算内核上：f、假设sar场景的散射面源个数为4096
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4096，gmt数目为2个，gmt插值后的散射面源个数均为32*32，累计方位向脉冲个数为4096个，脉冲重复周期为1000us。这里选用nvidia公司的rtxa2000系列的显卡，其cuda核心数为3328个，每个sm上运行的线程个数最大为256。
24.将sar场景的散射面源与每个gmt的散射面源分别独立地加载到不同的gpu计算核心上，同时并发地所有面源的一维距离像进行计算。理论上，在不受共享内存限制的条件下gpu有多少可控并发执行的线程就能对算法进行相应数量的加速，但由于sar场景的计算量级是4096
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4096
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4096，可并发执行的线程显然是不够用的，下面按照分布式散射面源并行算法将散射面源的计算自动分布到并发的线程中，其算法计算流程如下：a、根据雷达航迹起始位置、雷达波束照射参数、雷达信号参数计算两维分辨率，计算波束照射区域的大小，根据分辨率的一半计算初始波束照射区的距离向和方位向的散射面源个数：
；其中、分别表示方位向和距离向散射面源的个数，、分别表示方位向、距离向波束宽度，、分别表示方位向、距离向散射面源的尺寸，单位m，表示雷达到波束照射中心的作用距离，表示雷达距离地面的高度，为波束下俯角。
25.理论上，；其中，和分辨表示方位向和距离向的分辨率，表示雷达平台飞行速度（雷达平台的飞行方向为方位向），；其中表示光速单位m/s，表示雷达发射信号工作频率，表示雷达发射信号的带宽），实际计算过程中为了场景的比例协调且符合观测视觉效果，选取、的最小值作为散射面源的尺寸：b、根据、、（表示合成孔径雷达的单个孔径累计脉冲个数）的大小、gpu计算资源的限制，设置并行计算的线程个数（须为2的幂指数个，且大于128），并将散射面源的计算分布在尽可能多的gpu的计算核心上；，其中，表示脉冲重复周期。
26.c、利用gpu的并行计算性能，分别对sar和各个gmt的散射面源同时进行矢量并行计算，计算当前脉冲所有散射面源的幅度相位特征信息，并判断其所在的距离门：d、如图2所示，对于sar散射面源，sar场景的计算输入参数有场景后向散射系数、雷达航迹数据、雷达波束照射参数、以及场景散射面源的位置坐标，其计算公式如下：； 公式中j表示复数中的虚部，以雷达第一个航迹位置时的波束照射中心建立北天
东直角坐标系，其中，表示第p个脉冲北向第n个天向第a个东向第e个散射面源的sar的幅度相位信息；表示第p个脉冲北向第n个天向第a个东向第e个散射面源的后向散射系数；表示雷达发射信号的波长；、、分别表示雷达平台第p个脉冲时刻的北、天、东位置；、、分别表示sar场景中北向第n个天向、第a个东向、第e个散射面源的位置坐标；对于gmt散射面源，gmt的计算输入参数有场景后向散射系数、雷达航迹数据、雷达波束照射参数、目标插值后的散射面源的位置坐标、每个gmt的航迹，其计算公式如下：其计算公式如下：其计算公式如下：表示第p个脉冲第i个gmt的北向第n个天向第a个东向第e个散射面源幅度相位信息；表示第p个脉冲第i个gmt的北向第n个天向第a个东向第e个散射面源的后向散射系数；、、分别表示第i个gmt的中北向第n个天向、第a个东向、第e个散射面源的位置坐标，这个三个位置信息根据目标运动轨迹插值得到；g、对当前脉冲的sar场景的所有散射面源的幅度相位信息进行累积得到sar场景一维距离像信息，同时对当前脉冲的所有gmt的所有散射面源的幅度相位信息分别进行累积得到每个gmt的一维距离像信息；合并当前脉冲的sar/gmt的一维距离像信息：； ；；h、根据导入的试验设置对上一步骤产生的一维距离像数据进行卷积处理，生成并保存当前脉冲的sar场景回波数据、每个gmt的回波数据以及合并后的sar/gmt回波数据：； ； ；其中，lfm为雷达参考信号。
27.i、重复步骤f~h，直到所有脉冲的一维距离像数据和回波数据计算完成；。
28.步骤3：将试验参数和对应的一维距离像数据/回波数据打包发送到存储板中；步骤4：上位机输出试验参数至实时控制系统，实时控制系统根据试验参数实时控制信号处理板卡；
步骤5：在sysbios实时控制系统中，根据试验参数的回波类型输出选择调用存储板中的一维距离像数据/回波模拟数据发送到信号处理板卡，信号处理板卡将数据打包通过光纤网络发送到指定终端；步骤6：信号处理板卡根据实时控制系统的实时控制命令，接收外部输入的雷达参考信号或根据实时控制系统输出波形信息生成基带波形，然后按照工作模式对一维距离像数据进行流水卷积调制；或对回波数据的逐脉冲读取，最后将回波数据进行duc及da变换得到中频回波信号；步骤7：中频回波信号注入到射频上变分系统中，经上变频和功率放大等处理后形成同时sar/gmt射频回波信号在射频端输出，如图5所示。
29.本发明采用了分布式散射面源并行算法，大大提高了同时sar/gmt回波模拟的速度的同时，将运动目标模拟与sar场景模拟分离开来，降低了并行计算的计算量且有利于系统扩展；能够在单通道中模拟同时sar/gmt合成的sar雷达回波信号，应用场景更加广泛，相比对多通道gmt回波模拟系统减少了硬件资源，极大地节约了设备成本。
30.如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。