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基于图形处理器的合成孔径雷达成像算法

作　者: 杨彬
导　师: 刘兴钊
学　校: 上海交通大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 合成孔径雷达 成像算法 图形处理器 GPU通用计算
分类号: TN957.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)系统应用领域的拓广,要求SAR系统可以在更加灵活多样的模式下工作,具有更高的分辨率,在更为严酷的条件下仍然可以获得较为满意的图像结果等,这些都为SAR的信号处理提出了新的挑战。要应对这些挑战,势必既要增加SAR成像算法的复杂程度,但同时又要降低成像算法的运行时间,保证图像的实时性。因此,需要探索新的SAR成像算法的运算平台并且研究与之相适应的更为高效高性能的SAR成像算法。高速发展的图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)为高效SAR成像算法提供了具有发展前景的新型运算平台。GPU是为了应对3D时代高复杂的图形图像处理运算而诞生的,与CPU相比,利用GPU芯片进行通用计算具有成本低、性能高的特点。本文的目的在于研究并提出基于GPU的SAR成像算法,该成像算法并非简单的把原有运行在CPU的成像算法移植到GPU上,而是对原有算法进行改进,让它与GPU的架构和编程模型相适应,充分利用GPU的运算资源,提高计算效率。本文首先简要总结基于CPU的经典SAR成像算法,作为研究的理论基础,接着介绍了目前GPU通用计算的发展现状,优势和限制以及编程环境,在此基础之上,针对基于GPU的SAR成像算法的实现进行了详细的讨论。本文的创新性工作主要体现在:第一,提出了利用OpenGL与Cg实现的,基于GPU的SAR成像算法,该成像算法利用OpenGL与Cg的可移植性,可以实现跨GPU平台。第二,提出了利用CUDA实现的,基于GPU的SAR成像算法,该成像算法的实现利用了GPU最新的开发环境,可以充分的发挥GPU的计算优势。第三,提出了利用纹理贴图来实现距离徙动校正的方法。纹理贴图原本是计算机图形学中的重要概念,它可以获得GPU硬件加速的支持,本文提出的两种基于GPU的SAR成像算法均采用纹理贴图来实现距离徙动校正。第四,提出了自行设计的GPU通用计算的框架。在利用OpenGL与Cg开发SAR成像算法时,必须深入理解GPU图形渲染流水线和编程接口,为了开发的便捷,本文对OpenGL与Cg的图形编程接口进行一定的封装,提出了一个具有一定适用性的GPU通用计算的开发框架。通过仿真实验表明,本文提出的两种基于GPU的SAR成像算法的结果与理论值吻合,具有较好的成像效果。通过处理真实的SAR数据表明,这两种基于GPU的SAR成像算法比传统的基于CPU的成像算法有效率上的提高。特别是基于CUDA的成像算法,有两位数以上的效率提升。因此,本文提出的基于GPU的SAR成像算法具有高效高性能的特点,为应对SAR信号处理领域新的挑战提供具有前景的研究方向。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 课题背景与研究内容  10-13
  1.2 GPU 通用计算的研究现状  13-14
  1.3 本文工作介绍  14-15
  1.4 本文组织结构  15
  1.5 本章小结  15-16
第二章 SAR 成像算法简介  16-27
  2.1 SAR 回波信号分析  16-19
  2.2 距离-DOPPLER 算法  19-22
  2.3 CHIRP SCALING 算法  22-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章 GPU 通用计算简介  27-36
  3.1 GPU 产生与发展  27-29
  3.2 GPU 与CPU 对比  29-30
  3.3 GPU 通用计算的迅速发展和广泛使用  30-32
  3.4 GPU 通用计算的限制与难点  32-33
  3.5 GPU 通用计算适用于SAR 成像算法  33-34
  3.6 GPU 通用计算的编程模型  34-35
  3.7 本章小结  35-36
第四章 基于OPENGL 的SAR 成像算法  36-55
  4.1 OPENGL 和CG 简介  36-38
  4.2 编程模型  38-41
  4.3 FFT 的实现  41-44
  4.4 距离徙动校正的实现  44-45
  4.5 成像算法的实现  45-46
  4.6 仿真实验与结果  46-50
  4.7 效率测试  50-52
  4.8 SAR 图像样例  52-53
  4.9 本章小结  53-55
第五章 基于CUDA 的SAR 成像算法  55-69
  5.1 CUDA 的产生背景和实用性  55-56
  5.2 编程模型  56-60
  5.3 成像算法的实现  60-62
  5.4 仿真实验与结果  62-66
  5.5 效率测试  66-67
  5.6 SAR 图像样例  67-68
  5.7 本章小结  68-69
第六章 全文总结  69-72
  6.1 主要结论  69-70
  6.2 研究展望  70-72
参考文献  72-75
附录1 符号与标记  75-76
附录2 图表索引  76-78
附录3 表格索引  78-79
致谢  79-80
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  80-82

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 雷达 > 雷达设备、雷达站 > 雷达接收设备 > 数据、图像处理及录取
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