一种基于GPU后向投影双站合成孔径雷达成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GPU后向投影双站合成孔径雷达成像方法，它通过优化了传统快速因式分解后向投影方法的分级参数的方法，与传统快速因式分解后向投影方法相比，提升了成像处理效率；另一方面，它通过将成像任务分离成若干个互不相关的子任务群，以便GPU对子任务群进行并行处理，并通过新颖的并行策略再次提升了处理效率。相较现有的双站SAR成像方法，本发明专利技术既保持了时域方法内存开销小、易进行运动补偿等优点，实现了大数据处理量的双站SAR快速成像，处理效率也大幅提升，同时还能够获得高质量的成像结果。

【技术实现步骤摘要】

本技术专利技术属于雷达
，它特别涉及了双站合成孔径雷达成像

技术介绍
双站合成孔径雷达(Bistaticsynthetic aperture radar,简写为 BSAR)是指收发天线分置于两个不同平台的SAR系统。与传统的单站SAR相比，双站SAR具有隐蔽性好，安全性高，抗干扰能力强的优点，并且能够实现一些单站SAR所无法实现的特殊应用模式，如前视成像，前视成像是一种非常具有应用价值的成像模式，可应用于导航、恶劣天气下的飞机导航及着陆等方面。鉴于双站SAR的多种优势，对双站SAR技术的研究具有重要意义。快速因式分解后向投影方法(Fast Factorized Backprojection,简称SFFBP)是一种运算量低、适用于任意双站构型的SAR成像方法，它是后向投影方法(Backprojection，简称为BP)的一种快速实现。该方法首先对合成孔径进行子孔径分 解，由于子孔径在方位向具有较低的分辨率，于是可以减少成像区域在方位向的采样点数，达到降低运算量的目的。详细请见文献Ulander, L. , Hellsten, H. , and Stenstrom, G.Synthetic aperture radar processing using fast factorized back-projection. IEEETransactions on Aerospace and Electronic Systems, 39, 3 (July 2003)，760-776。然而在实时导航等一些实际应用中，快速因式分解后向投影方法还不能满足所要求的高实时性处理。近年来，图形处理器(简称GPU)被引入SAR图像处理领域，由于GPU具有并行化处理数据的能力，而且硬件成本较低，所以可以用来提高SAR数据处理效率，如文献Ponce, 0. , P. Prats, M. Rodriguez-Cassola, R. Scheiber, and A. Reigbe r, "Processing ofcircular SAR traj ectories with fast factorized back-projection, 〃Proc. IGARSS,3692-3695，Vancouver, Canada, 2011.中便提到利用GPU进行数据处理，但是该文献并没有指出其具体实现过程。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有双站SAR成像方法中存在的处理效率低的问题，提出改进快速因式分解后向投影方法与GPU相结合的一种基于GPU后向投影双站合成孔径雷达成像方法，它一方面优化了传统快速因式分解后向投影方法的分级参数，与传统快速因式分解后向投影方法相比，本专利技术提升了成像处理效率；另一方面，将成像任务分离成若干个互不相关的子任务群，以便GPU对子任务群进行并行处理，并通过新颖的并行策略再次提升了处理效率。相较现有的双站SAR成像方法，本专利技术成像处理效率大幅提升，能够满足双基地前视合成孔径雷达(Bistatic forward synthetic aperture radar,简写为 BFSAR)的高实时性、高分辨要求。为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义定义I、距离史、距离门距离史是指接收机和发射机的天线相位中心到场景中散射点的距离之和。距离门是指对应距离史的回波数据在整个回波数据中的位置。定义2、雷达成像空间雷达成像空间是指将场景空间中的散射点投影到距离向一方位向的二维空间坐标系，该空间由合成孔径雷达成像空间中的两个具有一定角度的坐标基确定。本专利技术中用以下数学关系表示成像空间M 权利要求1. 一种基于GPU后向投影双站合成孔径雷达成像方法，其特征是它包括以下步骤 步骤I :初始化参数 初始化成像系统参数包括雷达系统工作的信号波长，记做λ，雷达系统发射信号带宽，记做B，雷达系统发射脉冲时宽，记做 ；，雷达系统采样频率，记做Fs，雷达系统脉冲重复频率，记做PRF，雷达发射平台速度矢量，记做T雷达接收平台速度矢量，记做E，雷达发射平台初始位置矢量，记做,雷达接收平台初始位置矢量，记做^ ,场景参考点位置矢量，记做;ξ,雷达系统距离向采样点数，记做队，雷达系统方位向采样点数，记做Na，光的传播速度，记做C，插值长度，记做W。； 初始化场景参数子图像距离向像素点间隔，记做4，第一级子图像方位向像素点间隔，记做#，子图像距离向总的像素点数，记做Sr，第一级子图像方位向总的像素点数，记做Sm，子孔径长度，记做b，即子孔径内有b个方位向采样点数； 雷达原始回波数据，记做是一个二维的数据矩阵，雷达原始回波数据g数据矩阵每列数据是方位向回波信号的采样，每行的数据是逐个单脉冲距离向回波信号的采样； 线程块的第一维维度，记做Nblt5d5x,线程块中线程的第一维索弓I,记做threadldx. x,threadldx. x = O, . . . , Nblockx,线程块的第二维维度,记做Nbl(X；ky,线程块中线程的第二维索弓I，记做threadldx. y, threadldx. y = O, . . . , Nblocky ;初始化成像系统参数均由雷达系统提供，均为已知。步骤2 :计算天线相位中心历史位置 采用公式(I)计算得到雷达发射平台第η个PRF时刻的天线相位中心矢量， Ii(J1) = Kll/ PRF(I) 公式(I)中^是步骤I提供的雷达发射平台初始位置矢量，■^是步骤I提供的雷达发射平台速度矢量，PRF是步骤I提供的雷达系统脉冲重复频率，η = I,..., Na，n表示第η个PRF时刻，Na是步骤I提供的雷达系统方位向采样点数； 采用公式(2)计算得到雷达接收平台第η个PRF时刻的天线相位中心矢量耳(《)， Pr{n) = P^ + Vr-nl PRF(2) 公式(2)中，是步骤I提供的雷达接收平台初始位置矢量，f是步骤I提供的雷达接收平台速度矢量，PRF是步骤I提供的雷达系统脉冲重复频率，η = I,..., Na，n表示第η个雷达系统脉冲重复频率PRF时刻，Na是步骤I提供的雷达系统方位向采样点数；发射平台所有Na个PRF时刻的天线相位中心矢量占用的存储空间大小，记做Pt size，接收平台所有Na个PRF时刻的天线相位中心矢量占用的存储空间大小，记做Pyize ； 步骤3 :雷达原始回波数据距离压缩 对步骤I中的雷达原始回波数据§采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法进行压缩，得到距离压缩后的数据it, 占用的存储空间大小记做SK—size ； 步骤4 :为图形处理器GPU准备数据 步骤4. I :采用传统的GPU内存分配方法，在图形处理器GPU的全局存储器上分配大小为Pt—size的存储空间，记做瓦―β ; 采用传统的GPU内存分配方法，在图形处理器GPU的全局存储器上分配大小为Pl的存储空间，记做Λ—￡>; 采用传统的GPU内存分配方法，在图形处理器GPU的全局存储器上分配大小为Skc size的存储空间，记做S —D; 步骤4. 2 :采用传统的GPU数据拷贝方法，将步骤2中得到雷达发射平台天线相位中心矢量^( )复制到步骤4. I得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GPU后向投影双站合成孔径雷达成像方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1：初始化参数初始化成像系统参数包括：雷达系统工作的信号波长，记做λ，雷达系统发射信号带宽，记做B，雷达系统发射脉冲时宽，记做Tr，雷达系统采样频率，记做Fs，雷达系统脉冲重复频率，记做PRF，雷达发射平台速度矢量，记做雷达接收平台速度矢量，记做雷达发射平台初始位置矢量，记做雷达接收平台初始位置矢量，记做场景参考点位置矢量，记做雷达系统距离向采样点数，记做Nr，雷达系统方位向采样点数，记做Na，光的传播速度，记做C，插值长度，记做W0；初始化场景参数：子图像距离向像素点间隔，记做dr，第一级子图像方位向像素点间隔，记做子图像距离向总的像素点数，记做sr，第一级子图像方位向总的像素点数，记做子孔径长度，记做b，即子孔径内有b个方位向采样点数；雷达原始回波数据，记做是一个二维的数据矩阵，雷达原始回波数据数据矩阵每列数据是方位向回波信号的采样，每行的数据是逐个单脉冲距离向回波信号的采样；线程块的第一维维度，记做Nblockx，线程块中线程的第一维索引，记做threadIdx.x，threadIdx.x＝0,...,Nblockx，线程块的第二维维度，记做Nblocky，线程块中线程的第二维索引，记做threadIdx.y，threadIdx.y＝0,...,Nblocky；初始化成像系统参数均由雷达系统提供，均为已知。步骤2：计算天线相位中心历史位置采用公式（1）计算得到雷达发射平台第n个PRF时刻的天线相位中心矢量P‾t(n)=Pt0‾+V‾t·n/PRF---(1)公式（1）中，是步骤1提供的雷达发射平台初始位置矢量，是步骤1提供的雷达发射平台速度矢量，PRF是步骤1提供的雷达系统脉冲重复频率，n＝1,...,Na，n表示第n个PRF时刻，Na是步骤1提供的雷达系统方位向采样点数；采用公式（2）计算得到雷达接收平台第n个PRF时刻的天线相位中心矢量P‾r(n)=Pr0‾+V‾r·n/PRF---(2)公式（2）中，是步骤1提供的雷达接收平台初始位置矢量，是步骤1提供的雷达接收平台速度矢量，PRF是步骤1提供的雷达系统脉冲重复频率，n＝1,...,Na，n表示第n个雷达系统脉冲重复频率PRF时刻，Na是步骤1提供的雷达系统方位向采样点数；发射平台所有Na个PRF时刻的天线相位中心矢量占用的存储空间大小，记做Pt_size，接收平台所有Na个PRF时刻的天线相位中心矢量占用的存储空间大小，记做Pr_size；步骤3：雷达原始回波数据距离压缩对步骤1中的雷达原始回波数据采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法进行压缩，得到距离压缩后的数据占用的存储空间大小记做SRC_size；步骤4：为图形处理器GPU准备数据步骤4.1：采用传统的GPU内存分配方法，在图形处理器GPU的全局存储器上分配大小为Pt_size的存储空间，记做采用传统的GPU内存分配方法，在图形处理器GPU的全局存储器上分配大小为Pr_size的存储空间，记做采用传统的GPU内存分配方法，在图形处理器GPU的全局存储器上分配大小为SRC_size的存储空间，记做步骤4.2：采用传统的GPU数据拷贝方法，将步骤2中得到雷达发射平台天线相位中心矢量复制到步骤4.1得到的图形处理器GPU的存储空间 中；采用传统的GPU数据拷贝方法，将步骤2中得到雷达接收平台天线相位中心矢量复制到步骤4.1得到的图形处理器GPU的存储空间中，n＝1,...,Na，Na为雷达系统方位向采样点数；采用传统的GPU数据拷贝方法，将步骤3中得到的距离压缩后的数据复制到步骤4.1得到的图形处理器GPU的存储空间中；步骤5：第一级子图像生成步骤5.1：采用公式（3）计算得到第一级子图像中像素点P(1)(a(1),r(1))的位置矢量P‾(1)(a(1),r(1))=P‾0+(r(1)-1)·dr·ζ‾u+(a(1)-1)·da(1)·ζ‾v---(3)公式（3）中，是步骤1提供的场景参考点位置矢量，和表示构成雷达成像空间M的坐标基，r(1)表示像素点位于子图像距离向的第r(1)个位置，r(1)＝1,...，sr，sr为子图像距离向总的像素...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，于淼，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：