專利名稱：基于gpu的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬雷達技術(shù)領(lǐng)域，涉及雷達信號處理技術(shù)，具體來說是一種基于GPU的外輻射源雷達處理實時系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，可在Visual Studio+CUDA軟件集成開發(fā)平臺下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理，對目標進行檢測與定位跟蹤。
背景技術(shù)：
近年來，隨著武器科技的日新月異，尤其是反輻射導彈等的出現(xiàn)，擔負著戰(zhàn)場“ 千里眼”角色的雷達系統(tǒng)本身的安全面臨著日益嚴峻的威脅。通常以單基地形式出現(xiàn)的傳統(tǒng)有源雷達面臨著“四大威脅”，即電子干擾、超低空突防、反輻射導彈以及隱身武器。無源雷達作為一種特殊形式的雙基地雷達，其發(fā)射站和接收站是分開的，且接收者站本身不發(fā)射電磁波，而是采用非合作式的民用機會照射源，因而隱蔽性好，面對“四大威脅”時有良好的對抗性，提高了系統(tǒng)的戰(zhàn)場生命力，成為雷達領(lǐng)域研究的熱點?；谕廨椛湓吹臒o源雷達除了本身戰(zhàn)場生命力強、反隱身外，還具有如下優(yōu)點①工作頻點低，分布范圍廣，便于多發(fā)射站聯(lián)合定位；②信號形式多樣，可選擇性強，不易被干擾；③系統(tǒng)生存能力強，可多站多頻段協(xié)調(diào)工作，甚至組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)融合。然而由于外輻射源具有非協(xié)作、不可控、不可預知的特性，外輻射源雷達的探測性能受到較大的限制，導致外輻射源雷達探測精度明顯低于傳統(tǒng)雷達。因此工程中需采用更復雜的信號處理手段，可以采取多輻射源，多接收站綜合利用，融合多站處理結(jié)果，從而更有效的完成目標檢測，提高定位精度，但同時會產(chǎn)生計算量大，處理復雜的問題。目前無源雷達定位跟蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)算法主要是通過開發(fā)專用信號處理板進行數(shù)據(jù)處理，但這種硬件平臺搭建復雜，對于運算量大的數(shù)據(jù)處理，一般只能依靠增加硬件規(guī)模來實現(xiàn)，開發(fā)費用相對較高。此外，信號處理板的開發(fā)、調(diào)試周期長，可操作性較差，開發(fā)難度加大，處理速度慢，難以滿足對外輻射源信號實時處理的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出了一種基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)及處理方法，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，并簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低開發(fā)費用，提高可操作性，更好的滿足對外輻射源信號實時處理的要求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)包括八陣元天線，用于同時接收8個調(diào)頻廣播基站的信號，得到8路輸出信號；數(shù)據(jù)采集單元，用于接收八陣元天線輸出的8路信號，并對這8路信號依次進行寬帶放大、帶通采樣、A/D變換和數(shù)字下變頻處理，獲得8路數(shù)字基帶信號，輸出給數(shù)字信道化接收單元；數(shù)字信道化接收單元，用于對數(shù)據(jù)采集單元輸出的8路數(shù)字基帶信號進行數(shù)字化接收，將每路數(shù)字基帶信號送入FPGA做數(shù)字信道化處理，在FPGA中經(jīng)過抽取、多相濾波后選擇輸出8個頻點的信號，這8個頻點的信號分別對應(yīng)于8個調(diào)頻廣播基站的信號發(fā)射頻率f1; f2, -,f8,即整個數(shù)字信道化接收單元共輸出8*8=64路信號給數(shù)據(jù)傳輸單元；數(shù)據(jù)傳輸單元，用于將數(shù)字信道化接收單元獲得的64路數(shù)字基帶信號進行打包處理，并通過2塊千兆網(wǎng)卡寫入到數(shù)據(jù)處理單元中進行信號處理； 數(shù)據(jù)處理單元，采用插有4塊GPU顯卡的工作站，用于讀取從數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)?4路數(shù)字基帶信號，并對這64路數(shù)字基帶信號先進行數(shù)字波束形成，得到8個頻點的參考信號和目標回波信號，繼而依次對獲得的8個頻點的參考信號和目標回波信號進行自適應(yīng)雜波對消、距離-多普勒二維相關(guān)運算、恒虛警檢測以及對目標的比幅測角處理，每塊GPU顯卡負責2個頻點的信號處理，4塊GPU并行完成8個頻點的信號處理，處理結(jié)果通過·網(wǎng)線傳輸給終端顯控單元；終端顯控單元，它包括控制子模塊和顯示子模塊兩部分，該控制子模塊，用于向信號處理單元發(fā)送控制命令并設(shè)置初始參數(shù)，該顯示子模塊，用于對信號處理單元獲得的8個頻點的目標信息進行目標融合和航跡處理,通過點跡凝聚,航跡起始、點跡與航跡的關(guān)聯(lián)、航跡消亡的處理，得到目標距離-多普勒航跡信息，并根據(jù)目標角度信息解算出目標的位置，顯示出目標的真實航跡。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理方法，包括以下步驟(I)分配內(nèi)存和顯存空間，進行初始化(Ia)輸入信號處理所需的基本參數(shù)，該基本參數(shù)包括雜波對消階數(shù)、恒虛警檢測門限值、恒虛警類型值和天線尋北偏差角度；(Ib)在CPU上分配2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B，并建立數(shù)據(jù)傳輸握手工作標志FlagA和FlagBJf FlagA和FlagB都置為0，同時，在4塊GPU上分配顯存空間；(Ic)啟動4個接收線程，等待接收信號處理的數(shù)據(jù)；(Id)通過Socket連接傳輸基本參數(shù)；(2)通過八陣元天線接收調(diào)頻廣播基站發(fā)射的直達波信號、運動目標反射的調(diào)頻廣播基站回波信號、多徑雜波和噪聲信號，每個天線陣元輸出I路信號，共輸出8路信號；(3)對接收到的8路信號依次進行寬帶放大、帶通采樣、A/D變換和數(shù)字下變頻處理，得到8路數(shù)字基帶信號；再通過抽取、多相濾波和信道選擇，對每I路數(shù)字基帶信號進行數(shù)字信道化接收，輸出對應(yīng)于8個頻點f1; f2,…，f8的8路信號，共輸出8*8=64路信號，帶通采樣時間間隔為ls，每Is輸出64路信號為I幀數(shù)據(jù)；(4)利用WinPcap開源庫將輸入的I幀數(shù)據(jù)采用乒乓存儲的方式依次寫入到已分配的2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B中，每次實時傳輸I幀數(shù)據(jù)，每次傳輸數(shù)據(jù)的時延間隔為Is ；(5)對已寫入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行對消檢測處理，獲得目標的距離、多普勒以及方位信息，并將目標信息通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接輸出(5a)檢測數(shù)據(jù)傳輸握手工作標志FlagA和FlagB，根據(jù)工作標志選擇緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，即當FlagA為I時，從緩沖區(qū)A中讀取數(shù)據(jù)，當FlagB為I時，從緩沖區(qū)B中讀取數(shù)據(jù)；(5b)從選擇的緩沖區(qū)中讀取I幀數(shù)據(jù)，并對這幀數(shù)據(jù)進行數(shù)字波束形成；(5c)依次對數(shù)字波束形成后的8個頻點的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，獲得目標的距離、多普勒以及方位信息；(5d)將數(shù)據(jù)處理后獲得的目標的距離、多普勒以及方位信息通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接輸出；(5e)將選擇的緩沖區(qū)對應(yīng)的工作標志置為0，若選擇的緩沖區(qū)為A，則置FlagA為0，若選擇的緩沖區(qū)為B，則置FlagB為O ;(6)通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接接收目標的距離、多普勒以及方位信息進行終端處理，并顯示目標的真實航跡(6a)設(shè)置終端處理握手計數(shù)器count，并給計數(shù)器count賦初值為O ;^b) 4個接收線程一直在等待接收數(shù)據(jù)，當每個線程接收到2個頻點的數(shù)據(jù)后，計數(shù)器count加I,當計數(shù)器count等于4時,表示8個頻點的數(shù)據(jù)接收完畢，即已接收到I中貞的數(shù)據(jù)； (6c)對已接收到的這I幀數(shù)據(jù)進行目標融合和航跡處理，獲得目標的真實航跡，并顯示目標的真實航跡；(6d)對計數(shù)器count清零，同時4個接收線程開始等待接收下一巾貞數(shù)據(jù)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點I)數(shù)據(jù)處理速度快。本發(fā)明由于采用GPU顯卡進行高性能計算，能夠很好地利用GI^U顯卡的大量密集型數(shù)據(jù)并行處理能力，提高數(shù)據(jù)處理速度。2 )信號處理模塊硬件平臺搭建簡單。本發(fā)明的信號處理模塊由于采用工作站+GPU顯卡搭建硬件平臺，沒有傳統(tǒng)信號處理中專用開發(fā)處理板的設(shè)計，搭建和調(diào)試等諸多問題，硬件平臺搭建簡單。3)開發(fā)費用低。本發(fā)明由于采用工作站+GPU的硬件平臺完成8個頻點的外輻射源雷達信號的實時處理任務(wù)，所用費用遠遠低于傳統(tǒng)的信號開發(fā)板硬件平臺完成相同處理任務(wù)所需的費用。4)處理實時性好。本發(fā)明由于采用2塊千兆以太網(wǎng)卡傳輸數(shù)據(jù)，采用多塊GPU顯卡進行并行計算，能對從天線接收到的信號進行實時傳輸、實時處理，并且能對目標進行實時跟蹤檢測和航跡顯示。5)目標檢測與跟蹤精確度提高。本發(fā)明由于接收8個調(diào)頻廣播站點的信號進行處理，并進行多站點目標信息融合，目標檢測與跟蹤的精確度大大提高。


圖I是本發(fā)明的雷達信號實時處理系統(tǒng)的使用場景圖；圖2是本發(fā)明的雷達信號實時處理系統(tǒng)方框圖；圖3是本發(fā)明的雷達信號實時處理系統(tǒng)中的八陣元天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的雷達信號實時處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元原理示意圖；圖5是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集單元中的數(shù)字下變頻處理模塊原理示意圖；圖6是本發(fā)明的雷達信號實時處理系統(tǒng)中的數(shù)字信道化接收單元原理示意圖；圖7是本發(fā)明的雷達信號實時處理方法總流程圖；圖8是本發(fā)明的雷達信號實時處理方法中的對消檢測處理子流程圖；圖9是本發(fā)明的雷達信號實時處理方法中的終端處理子流程圖10是本發(fā)明實驗中檢測到的目標航跡顯示圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的內(nèi)容和效果。參照圖1，本發(fā)明基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，其使用場景包括三部分，分別是8個調(diào)頻廣播基站、雷達信號實時處理系統(tǒng)和運動目標，8個調(diào)頻廣播基站在雷達信號實時處理系統(tǒng)周邊隨機分布，并發(fā)射調(diào)頻廣播基站信號，當運動目標位于8個調(diào)頻廣播基站的照射范圍內(nèi)時，會反射調(diào)頻廣播基站信號，雷達信號實時系統(tǒng)中的接收天線接收信號，并對接收的信號進行實時處理，實現(xiàn)對目標的實時檢測跟蹤，其中天線接收的信號中主要包括直達波信號、目標回波信號、多徑雜波及噪聲。參照圖2，本發(fā)明基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，主要由八陣元天 線、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字信道化接收單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元和終端顯控單元組成。其中八陣元天線，是由8根半波振子天線以相等的方位排列組成的圓陣陣列天線，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，天線陣中心高度距地面約7m，圓陣直徑3. 06m，方位間隔45°，天線陣總共覆蓋范圍為360°，八陣元天線8路信號，每路輸出信號包括調(diào)頻廣播基站的直達波信號，經(jīng)運動目標反射的調(diào)頻廣播基站回波信號，以及多徑雜波和噪聲信號。數(shù)據(jù)采集單元，包括8路低噪聲放大器、帶通濾波器、A/D變換器和數(shù)字下變頻處理模塊，圖4所示。8路低噪聲放大器對八陣元天線輸出的8路信號進行寬帶放大，經(jīng)放大后的每路信號送入20M的帶通濾波器進行帶通采樣，得到8路模擬中頻信號，再通過22位的A/D變換器對模擬中頻信號進行數(shù)字化，并將數(shù)字化后的中頻信號通過下變頻處理模塊進行數(shù)字下變頻處理，得到8路數(shù)字基帶信號。其中，數(shù)字下變頻處理模塊工作原理如圖5所示，它是將A/D變換后的數(shù)字中頻信號與NCO數(shù)控本振產(chǎn)生的正交混頻信號分別進行相乘，再將相乘后的信號通過低通濾波器，得到零中頻數(shù)字正交I、Q信號。數(shù)字信道化接收單元，其工作原理如圖6所示，用于對數(shù)據(jù)采集單元得到的8路數(shù)字基帶信號進行數(shù)字化接收，將每路數(shù)字基帶信號送入FPGA做數(shù)字信道化處理，數(shù)字信道化處理包括抽取、低通濾波、FFT變換和信道選擇，對輸入FPGA的I路數(shù)字基帶信號進行延時抽取，設(shè)抽取率為D，則有D-I個延時單元z—1，對每I路經(jīng)過延時單元z—1后的信號進行D倍抽取，抽取結(jié)果通過低通濾波器進行低通濾波，共輸出D路信號，分別為yi(m)，y2(m)，…，yD (m),由D路輸出信號Y1 (m)，J2 (m)，...，yD (m)構(gòu)成一個D*m維的矩陣單元,對該矩陣單元進行FFT變換，再對變換結(jié)果進行信道選擇，根據(jù)8個調(diào)頻廣播基站的發(fā)射頻率f1;f2，…，f8選擇輸出8個頻點的信號，這8個頻點的信號分別對應(yīng)于8個調(diào)頻廣播基站的信號發(fā)射頻率f\，f2,-,f8,即整個數(shù)字信道化接收單元共輸出8*8=64路信號。數(shù)字信道化將20MHz帶寬信號進行分割，設(shè)抽取率D=100，則經(jīng)數(shù)字信道化接收單元輸出的信號帶寬為200KHZ，在數(shù)據(jù)采集單元中使用22位的A/D變換器，帶通采樣時間間隔為ls，則數(shù)字信道化接收單元每Is輸出I幀數(shù)據(jù)，這I幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為200X3X2X8X8 + 1. 024=75MB。數(shù)據(jù)傳輸單元，采用2塊千兆以太網(wǎng)卡，這2塊千兆以太網(wǎng)卡分別為網(wǎng)卡I和網(wǎng)卡2，在工作站中預先分配2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B，其中，緩沖區(qū)A用于存儲通過網(wǎng)卡I寫入的數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)B用于存儲通過網(wǎng)卡2寫入的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸單元在數(shù)字化信道接收單元輸出的64路信號獲取I幀75MB的數(shù)據(jù)量并進行打包，利用WinPcap開源庫通過網(wǎng)線，以乒乓存儲的形式，依次將每次打包好的數(shù)據(jù)寫入到工作站中分配的這2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B中，數(shù)據(jù)傳輸單元每次實時傳輸I幀數(shù)據(jù)，只有當已寫入在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)被取出后，該緩沖區(qū)才能存儲下一幀數(shù)據(jù)，否則丟棄當前傳輸?shù)倪@幀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理單元，采用插有4塊GPU顯卡的工作站，它包括數(shù)字波束形成模塊、雜波對消模塊、距離-多普勒處理模塊、恒虛警檢測模塊和比幅測角模塊；數(shù)字波束形成模塊接收到終端顯控單元發(fā)送的控制命令和參數(shù)信息后，先從工作站的內(nèi)存緩沖區(qū)A中取出第I幀的數(shù)據(jù)進行數(shù)字波束形成，得到8個頻點的參考數(shù)據(jù)和目標回波數(shù)據(jù)，每個頻點的參考數(shù)據(jù)和目標回波數(shù)據(jù)通過雜波對消模塊進行雜波對消處理，將雜波對消處理結(jié)果輸入給距離-多普勒處理模塊進行距離-多普勒二維相關(guān)運算，并將運算結(jié)果輸入給恒虛警檢測模塊進行恒虛警檢測處理，再通過比幅測角模塊對恒虛警檢測處理結(jié)果進行比幅測角處理，獲得目標的距離、多普勒和方位信息，整個處理時延為ls，在對第I幀數(shù)據(jù)進行處理的同時，接收的到第2幀數(shù)據(jù)將被寫入到內(nèi)存緩沖區(qū)B中，當?shù)贗幀數(shù)據(jù)處理完后再從緩沖區(qū)B中讀取第2幀數(shù)據(jù)進行處理，依此類推，讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理，處理每幀數(shù)據(jù)后獲得的目標的距離、多普勒以及方位信息通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接傳送至終端顯控單
J Li ο終端顯控單元，它包括控制子模塊和顯示子模塊兩部分，該控制子模塊，用于向數(shù)據(jù)處理單元發(fā)送控制命令并設(shè)置初始參數(shù)，該顯示子模塊，用于對數(shù)據(jù)處理單元獲得的8個頻點的目標信息進行目標融合和航跡處理,通過點跡凝聚,航跡起始、點跡與航跡的關(guān)聯(lián)、航跡消亡的處理，得到目標距離-多普勒航跡信息，并根據(jù)目標角度信息解算出目標的位置，顯示出目標的真實航跡。整個系統(tǒng)的工作過程原理是八陣元天線接收來自8個調(diào)頻廣播基站的直達波信號，目標回波信號以及多徑雜波、噪聲信號；數(shù)據(jù)采集單元對八陣元天線接收的信號進行寬 帶放大、帶通采樣、A/D變換和數(shù)字下變頻處理，得到8路數(shù)字基帶信號；數(shù)字信道化接收單元對8路數(shù)字基帶信號進行抽取、多相濾波和信道選擇后輸出64路信號，每Is輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為75MB ;數(shù)據(jù)傳輸單元對每Is的數(shù)據(jù)量進行實時傳輸，通過工作站中2塊內(nèi)置的千兆以太網(wǎng)卡及WinPcap開源庫將數(shù)據(jù)依次寫入工作站中的2塊內(nèi)存緩沖區(qū)中；數(shù)據(jù)處理單元讀取工作站的內(nèi)存緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行實時處理，處理時延為ls，處理結(jié)果通過網(wǎng)線傳輸給終端顯控單元；終端顯控單元與數(shù)據(jù)處理單元進行交互，發(fā)送信號處理所需的參數(shù)信息，接收每Is的信號處理結(jié)果，對每Is接收的目標的距離、多普勒以及方位信息進行目標融合和航跡處理，并實時顯示目標航跡。參照圖7，本發(fā)明基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理方法，其實現(xiàn)步驟如下步驟1，分配內(nèi)存和顯存空間，進行初始化(Ia)輸入信號處理所需的基本參數(shù)，該基本參數(shù)包括雜波對消階數(shù)、恒虛警檢測門限值、恒虛警類型值和天線尋北偏差角度；(Ib)在CPU上分配2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B，并建立數(shù)據(jù)傳輸握手工作標志FlagA和FlagBJf FlagA和FlagB都置為0，同時，在4塊GPU上分配顯存空間；(Ic)啟動4個接收線程，等待接收信號處理的數(shù)據(jù)；(Id)通過Socket連接傳輸基本參數(shù)，該Socket連接采用網(wǎng)絡(luò)TCP/IP傳輸協(xié)議，以客戶端/服務(wù)器的方式，建立TCP可靠連接，通過網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)。步驟2，通過八陣元天線接收調(diào)頻廣播基站發(fā)射的直達波信號，運動目標反射的調(diào)頻廣播基站回波信號、多徑雜波和噪聲信號，每個天線陣元輸出I路信號，共輸出8路信號。步驟3，對接收到的8路信號進行放大和帶通采樣，得到模擬中頻信號，將模擬中頻信號通過A/D變換器進行數(shù)字化，并將數(shù)字化后的中頻信號進行數(shù)字下變頻處理，得到8路數(shù)字基帶信號；再通過抽取、多相濾波和信道選擇，對每I路數(shù)字基帶信號進行數(shù)字信道化接收，輸出對應(yīng)于8個頻點f1; f2，…，f8的8路信號，共輸出8*8=64路信號，帶通采樣時間間隔為ls，每Is輸出64路信號為I幀數(shù)據(jù)。步驟4，利用WinPcap開源庫將輸入的I幀數(shù)據(jù)采用乒乓存儲的方式依次寫入到已分配的2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B中，每次實時傳輸I幀數(shù)據(jù)，每次傳輸數(shù)據(jù)的時延間隔為Is。
進行數(shù)據(jù)傳輸時，第I幀數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡I寫入到工作站的緩沖區(qū)A中，傳輸完成后置工作標志FlagA為1，傳輸時延為ls，Is后傳輸?shù)?幀數(shù)據(jù)，將其通過網(wǎng)卡2寫入到工作站的緩沖區(qū)B中，傳輸完成后置工作標志FlagB為1，并開始下一幀數(shù)據(jù)的傳輸，依此類推，奇數(shù)幀的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)A中，并置工作標志FlagA為1，偶數(shù)幀的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)B中，并置工作標志FlagB為1，在傳輸數(shù)據(jù)的同時，對前Is已寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行對消檢測處理，處理時延也為ls，處理完成后置相應(yīng)的工作標志為0，若對緩沖區(qū)A寫入數(shù)據(jù)，則置FlagA為O，若對緩沖區(qū)B寫入數(shù)據(jù)，則置FlagB為O。步驟5，對已寫入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行對消檢測處理，獲得目標的距離、多普勒以及方位信息，并將目標信息通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接輸出。參照圖8，本步驟的具體實現(xiàn)如下(5a)檢測數(shù)據(jù)傳輸握手工作標志FlagA和FlagB，選擇相應(yīng)的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)進行信號處理，當FlagA為I時，從緩沖區(qū)A中讀取數(shù)據(jù)進行處理，當FlagB為I時，從緩沖區(qū)B中讀取數(shù)據(jù)進行處理；(5b)從選擇的緩沖區(qū)中讀取I幀數(shù)據(jù)，并對這幀數(shù)據(jù)進行數(shù)字波束形成5bl)對讀取的I幀數(shù)據(jù)進行分組，將數(shù)據(jù)中頻點號一致的數(shù)據(jù)分為I組，共得到8組數(shù)據(jù)；5b2)將得到的8組數(shù)據(jù)分別與給定的8*18組8*1維的權(quán)值進行相乘，共獲得8個頻點的數(shù)據(jù)，每個頻點包含18路的波束數(shù)據(jù)，這18路波束數(shù)據(jù)中，I路為參考數(shù)據(jù)refj，其余17路為目標回波數(shù)據(jù)echop，其中j為頻點號，j = 1,2,-,8, i為波束號，i =1，2，…，17;(5c)依次對數(shù)字波束形成后的8個頻點的數(shù)據(jù)按照如下步驟進行數(shù)據(jù)處理，獲得目標的距離、多普勒以及方位信息5cl)啟動4個處理線程，分別控制4塊GPU的運算操作，每塊GPU負責處理2個頻點的數(shù)據(jù)；5c2)讀取數(shù)字波束形成后獲得的8個頻點的數(shù)據(jù)到GPU顯存中，每塊GPU讀取2個頻點的數(shù)據(jù)，每個頻點的數(shù)據(jù)包括I路參考數(shù)據(jù)ref^_和17路目標回波數(shù)據(jù)echo^ ；5c3)每塊GPU對讀取的數(shù)據(jù)進行雜波對消處理，雜波對消采用直接矩陣求逆DMI運算，依次將每個頻點中的17路目標回波數(shù)據(jù)echop與對應(yīng)的I路參考數(shù)據(jù)ref^_進行雜波對消，濾除目標數(shù)據(jù)echop中的調(diào)頻廣播基站直達波、多徑雜波和噪聲分量，得到17路對消數(shù)據(jù)err^i ；5c4)對雜波對消后獲得的17路對消數(shù)據(jù)err^進行距離-多普勒二維相關(guān)運算，依次對每路對消數(shù)據(jù)進行脈壓、抽取濾波、快速傅里葉變換、移位fftshift和求模運算，獲得距離-多普勒矩陣形式的檢測單元；5c5)對距離-多普勒二維相關(guān)運算獲得的距離-多普勒矩陣形式的檢測單元，采用單元平均恒虛警算法CA-CFAR進行恒虛警檢測處理，獲得17路檢測數(shù)據(jù)Cfarj,,；5c6)對恒虛警檢測后獲得的17路檢測數(shù)據(jù)cfarp進行比幅測角處理，得到目標的距離、多普勒和方位信息；(5d)將數(shù)據(jù)處理后獲得的目標的距離、多普勒以及方位信息通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接輸出；
(5e)將選擇的緩沖區(qū)對應(yīng)的工作標志置為0，若選擇的緩沖區(qū)為A，則置FlagA為0，若選擇的緩沖區(qū)為B，則置FlagB為O。步驟6通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接接收目標的距離、多普勒以及方位信息進行終端處理，并顯示目標的真實航跡。參照圖9，本步驟的具體實現(xiàn)如下(6a)設(shè)置終端處理握手計數(shù)器count，并給計數(shù)器count賦初值為O ;(6b) 4個接收線程一直循環(huán)檢測Socket網(wǎng)絡(luò)連接中是否有數(shù)據(jù)到達，如沒有數(shù)據(jù)達到，則循環(huán)等待，否則開始接收數(shù)據(jù)，當每個線程接收到2個頻點的數(shù)據(jù)后，計數(shù)器count加1，當計數(shù)器count等于4時，表示8個頻點的數(shù)據(jù)接收完畢，即已接收到I幀的數(shù)據(jù)；(6c)對已接收到的這I幀數(shù)據(jù)進行目標融合，即對這I幀數(shù)據(jù)中8個頻點的目標信息進行求和取平均；(6d)對融合后的目標信息進行航跡處理，即通過點跡凝聚、航跡起始、點跡與航跡的關(guān)聯(lián)和航跡消亡，獲得目標的真實航跡，并顯示目標的真實航跡；(6e)計數(shù)器count清零，同時4個接收線程開始等待接收下一巾貞數(shù)據(jù)。本發(fā)明的效果可通過以下實驗結(jié)果進一步說明I)實驗條件實驗中采用的軟件平臺為Visual Studio+CUDA的集成開發(fā)平臺，仿真數(shù)據(jù)采用100幀的信號數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)中包括8個調(diào)頻廣播基站直達波、運動目標回波、多徑雜波和噪聲分量，數(shù)據(jù)中包含2個目標，其中，目標I沿北偏東38°直線飛行，目標2沿南偏東20°直線飛行2)實驗內(nèi)容及效果實驗對仿真數(shù)據(jù)中2個目標進行探測和跟蹤，在整個探測和跟蹤的過程中要對檢測到的目標進行航跡處理，比幅測角，目標方向角擬合，目標真實位置解算和目標航跡顯示,結(jié)果如圖10所示。圖10中圓周徑向長度表示距離，單位為Km,圓周角表示方位,單位為。，豎直方向代表南北方向，水平方向代表東西方向，天線基線為正北方向，沿順時針方向覆蓋360° ;圖10中檢測到的目標I的航跡在北偏東38°的方向上，由A點被截獲，一直追蹤到B點位置，檢測到的目標2的航跡在南偏東20°的方向上，由C點被截獲，一直追蹤到D點位置?？梢?，本發(fā)明能夠有效的探測和跟蹤目標，實現(xiàn)對外輻射源雷達信號的實時處理。
權(quán)利要求
1.一種基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，其特征在于它包括 八陣元天線，用于同時接收8個調(diào)頻廣播基站的信號，得到8路輸出信號； 數(shù)據(jù)采集單元，用于接收八陣元天線輸出的8路信號，并對這8路信號依次進行寬帶放大、帶通采樣、A/D變換和數(shù)字下變頻處理，獲得8路數(shù)字基帶信號，輸出給數(shù)字信道化接收單元； 數(shù)字信道化接收單元，用于對數(shù)據(jù)采集單元輸出的8路數(shù)字基帶信號進行數(shù)字化接收，將每路數(shù)字基帶信號送入FPGA做數(shù)字信道化處理，在FPGA中經(jīng)過抽取、多相濾波后選擇輸出8個頻點的信號，這8個頻點的信號分別對應(yīng)于8個調(diào)頻廣播基站的信號發(fā)射頻率f\，f2，…，f8，即整個數(shù)字信道化接收單元共輸出8*8=64路信號給數(shù)據(jù)傳輸單元； 數(shù)據(jù)傳輸單元，用于將數(shù)字信道化接收單元獲得的64路數(shù)字基帶信號進行打包處理，并通過2塊千兆網(wǎng)卡寫入到工作站中進行信號處理； 數(shù)據(jù)處理單元，采用插有4塊GPU顯卡的工作站，用于讀取從數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)?4路數(shù)字基帶信號，并對這64路數(shù)字基帶信號先進行數(shù)字波束形成，得到8個頻點的參考信號和目標回波信號，繼而依次對獲得的8個頻點的參考信號和目標回波信號進行自適應(yīng)雜波對消、距離-多普勒二維相關(guān)運算、恒虛警檢測以及對目標的比幅測角處理，每塊GPU顯卡負責2個頻點的信號處理，4塊GPU并行完成8個頻點的信號處理，處理結(jié)果通過網(wǎng)線傳輸給終端顯控單元； 終端顯控單元，它包括控制子模塊和顯示子模塊兩部分，該控制子模塊，用于向信號處理單元發(fā)送控制命令并設(shè)置初始參數(shù)，該顯示子模塊，用于對信號處理單元獲得的8個頻點的目標信息進行目標融合和航跡處理，通過點跡凝聚，航跡起始、點跡與航跡的關(guān)聯(lián)、航跡消亡的處理，得到目標距離-多普勒航跡信息，并根據(jù)目標角度信息解算出目標的位置，顯示出目標的真實航跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，其特征在于八陣元天線，是由8根半波振子天線以相等的方位排列組成的圓陣陣列天線，天線陣中心高度距地面約7m，圓陣直徑3. 06m，方位間隔45°，天線陣總共覆蓋范圍為360°。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，其特征在于八陣元天線的8路輸出信號，包括調(diào)頻廣播基站的直達波信號，經(jīng)運動目標反射的調(diào)頻廣播基站回波信號，以及多徑雜波和噪聲信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)采集單元，包括低噪聲放大器、帶通濾波器、A/D變換器和數(shù)字下變頻處理模塊，八陣元天線輸出的8路信號通過低損耗電纜送入8路低噪聲放大器進行寬帶放大，經(jīng)放大后的每路信號送入帶通濾波器進行帶通采樣，得到8路模擬中頻信號，再通過A/D變換器對模擬中頻信號進行數(shù)字化，并將數(shù)字化后的中頻信號通過數(shù)字下變頻處理模塊進行數(shù)字下變頻處理，得到8路數(shù)字基帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)傳輸單元，采用2塊千兆以太網(wǎng)卡，利用WinPcap開源庫將前端數(shù)據(jù)進行打包，通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)直接寫入到工作站中分配的內(nèi)存緩沖區(qū)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)處理單元，包括數(shù)字波束形成模塊、雜波對消模塊、距離-多普勒處理模塊、恒虛警檢測模塊和比幅測角模塊；數(shù)字波束形成模塊對數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)?4路信號進行數(shù)字波束形成，得到8個頻點的參考信號和目標回波信號，每個頻點的參考信號和目標回波信號通過雜波對消模塊進行雜波對消處理，將雜波對消處理結(jié)果輸入給距離-多普勒處理模塊進行距離-多普勒二維相關(guān)運算，并將運算結(jié)果輸入給恒虛警檢測模塊進行恒虛警檢測處理，再通過比幅測角模塊對恒虛警檢測處理結(jié)果進行比幅測角處理，獲得目標的距離、多普勒和方位信息。
7.一種基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理方法，包括以下步驟 (1)分配內(nèi)存和顯存空間，進行初始化 (Ia)輸入信號處理所需的基本參數(shù)，該基本參數(shù)包括雜波對消階數(shù)、恒虛警檢測門限值、恒虛警類型值和天線尋北偏差角度； (Ib)在CPU上分配2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B，并建立數(shù)據(jù)傳輸握手工作標志FlagA和FlagBJf FlagA和FlagB都置為O，同時，在4塊GPU上分配顯存空間； (Ic)啟動4個接收線程，等待接收信號處理的數(shù)據(jù)； (Id)通過Socket連接傳輸基本參數(shù)； (2)通過八陣元天線接收調(diào)頻廣播基站發(fā)射的直達波信號、運動目標反射的調(diào)頻廣播基站回波信號、多徑雜波和噪聲信號，每個天線陣元輸出I路信號，共輸出8路信號； (3)對接收到的8路信號依次進行寬帶放大、帶通采樣、A/D變換和數(shù)字下變頻處理，得到8路數(shù)字基帶信號；再通過抽取、多相濾波和信道選擇，對每I路數(shù)字基帶信號進行數(shù)字信道化接收，輸出對應(yīng)于8個頻點f\，f2,…，f8的8路信號，共輸出8*8=64路信號，帶通采樣時間間隔為Is,每Is輸出64路信號為I巾貞數(shù)據(jù)； (4)利用WinPcap開源庫將輸入的I幀數(shù)據(jù)采用乒乓存儲的方式依次寫入到已分配的·2塊內(nèi)存緩沖區(qū)A和B中，每次實時傳輸I幀數(shù)據(jù)，每次傳輸數(shù)據(jù)的時延間隔為Is ； (5)對已寫入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行對消檢測處理，獲得目標的距離、多普勒以及方位信息，并將目標信息通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接輸出 (5a)檢測數(shù)據(jù)傳輸握手工作標志FlagA和FlagB，根據(jù)工作標志選擇緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，即當FlagA為I時，從緩沖區(qū)A中讀取數(shù)據(jù)，當FlagB為I時，從緩沖區(qū)B中讀取數(shù)據(jù)； (5b)從選擇的緩沖區(qū)中讀取I幀數(shù)據(jù)，并對這幀數(shù)據(jù)進行數(shù)字波束形成； (5c)依次對數(shù)字波束形成后的8個頻點的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，獲得目標的距離、多普勒以及方位信息； (5d)將數(shù)據(jù)處理后獲得的目標的距離、多普勒以及方位信息通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接輸出； (5e)將選擇的緩沖區(qū)對應(yīng)的工作標志置為0，若選擇的緩沖區(qū)為A，則置FlagA為0，若選擇的緩沖區(qū)為B，則置FlagB為0 ; (6)通過Socket網(wǎng)絡(luò)連接接收目標的距離、多普勒以及方位信息進行終端處理，并顯示目標的真實航跡 (6a)設(shè)置終端處理握手計數(shù)器count，并給計數(shù)器count賦初值為0 ; (6b)4個接收線程一直循環(huán)檢測Socket網(wǎng)絡(luò)連接中是否有數(shù)據(jù)到達，如沒有數(shù)據(jù)達至IJ，則循環(huán)等待，否則開始接收數(shù)據(jù)，當每個線程接收到2個頻點的數(shù)據(jù)后，計數(shù)器count加·1，當計數(shù)器count等于4時，表示8個頻點的數(shù)據(jù)接收完畢，即已接收到I幀的數(shù)據(jù)；(6c)對已接收到的這I幀數(shù)據(jù)進行目標融合和航跡處理，獲得目標的真實航跡，并顯示目標的真實航跡； (6d)對計數(shù)器count清零，同時4個接收線程開始等待接收下一巾貞數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理方法，其特征在于所述步驟(5b)中的數(shù)字波束形成，按如下步驟進行 (5bl)對讀取的I幀數(shù)據(jù)進行分組，將數(shù)據(jù)中頻點號一致的數(shù)據(jù)分為I組，共得到8組數(shù)據(jù)； (5b2)將得到的8組數(shù)據(jù)分別與給定的8*18組8*1維的權(quán)值進行相乘，共獲得8個頻點的數(shù)據(jù)，每個頻點包含18路的波束數(shù)據(jù)，這18路波束數(shù)據(jù)中，I路為參考數(shù)據(jù)refp其余17路為目標回波數(shù)據(jù)echOj.i，其中j為頻點號，j = 1,2,…，8，i為波束號，i = 1,2,…，17。
9.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理方法，其特征在于所述步驟(5c)中的數(shù)據(jù)處理，按如下步驟進行 (5cl)啟動4個處理線程，分別控制4塊GPU的運算操作，每塊GPU負責處理2個頻點的數(shù)據(jù)； (5c2)讀取數(shù)字波束形成后獲得的8個頻點的數(shù)據(jù)到GPU顯存中，每塊GPU讀取2個頻點的數(shù)據(jù)，每個頻點的數(shù)據(jù)包括I路參考數(shù)據(jù)ref^_和17路目標回波數(shù)據(jù)echoy ； (5c3)每塊GPU對讀取的數(shù)據(jù)進行雜波對消處理，雜波對消采用直接矩陣求逆DMI運算，依次將每個頻點中的17路目標回波數(shù)據(jù)echop與對應(yīng)的I路參考數(shù)據(jù)進行雜波對消，濾除目標數(shù)據(jù)echop中的調(diào)頻廣播基站直達波、多徑雜波和噪聲分量，得到17路對消數(shù)據(jù)err^ ； (5c4)對雜波對消后獲得的17路對消數(shù)據(jù)err」,,進行距離-多普勒二維相關(guān)運算，依次對每路對消數(shù)據(jù)進行脈壓、抽取濾波、快速傅里葉變換、移位fftshift和求模運算，獲得距離-多普勒矩陣形式的檢測單元； (5c5)對距離-多普勒二維相關(guān)運算獲得的距離-多普勒矩陣形式的檢測單元，采用單元平均恒虛警算法CA-CFAR進行恒虛警檢測處理，獲得17路檢測數(shù)據(jù)Cfarj,,； (5c6)對恒虛警檢測后獲得的17路檢測數(shù)據(jù)cfarM進行比幅測角處理，得到目標的距離、多普勒和方位信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理方法，其特征在于所述步驟^c)中的目標融合和航跡處理，按如下步驟進行 (6cl)對獲得8個頻點的目標信息進行求和取平均，得到融合后的目標信息； (6c2)對融合后的目標信息進行依次進行點跡凝聚、航跡起始、點跡與航跡的關(guān)聯(lián)和航跡消亡，獲得目標的真實航跡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于GPU的外輻射源雷達信號實時處理系統(tǒng)及處理方法，主要解決傳統(tǒng)技術(shù)處理速度慢，開發(fā)費用高的問題。本系統(tǒng)包括八陣元天線、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字信道化接收單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元和終端顯控單元。數(shù)據(jù)采集單元對八陣元天線接收的8個調(diào)頻廣播基站信號進行放大、采樣、A/D變換和下變頻處理，并經(jīng)數(shù)字信道化接收單元進行數(shù)字化接收；再將接收的信號由數(shù)據(jù)傳輸單元通過以太網(wǎng)卡傳輸至數(shù)據(jù)處理單元進行數(shù)字波束形成、雜波對消、距離-多普勒二維相關(guān)、恒虛警檢測和比幅測角，后端顯控單元對該處理結(jié)果進行目標融合和航跡處理，得到目標位置。本發(fā)明數(shù)據(jù)處理速度快，可用較低的成本實現(xiàn)外輻射源雷達信號的實時處理。
文檔編號G01S7/41GK102707272SQ20121019271
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者何春娟, 劉田, 夏斌, 武勇, 王俊, 董亮玉, 謝夢瑤, 賈永勝 申請人:西安電子科技大學