[發(fā)明專利]基于GPU的高分辨率寬測繪帶機載SAR實時成像處理系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2013-04-12
• 公開（公告）號: CN103207385A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 石濤;孟大地;胡玉新;孫蕊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01S7/02
• 分類號: G01S7/02;G01S13/90
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李愛英;高燕燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于GPU的高分辨率寬測繪帶機載SAR實時成像處理系統(tǒng)，涉及SAR信號處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

GPU是近年來新興的一種處理核心技術(shù)（參見《GPU高性能運算之CUDA》，中國水利水電出版社，第一版，張舒，褚艷利，2010），基于GPU的成像處理設(shè)備較基于CPU的設(shè)備具有更高的處理效率和更小的體積，便于運輸和部署。在GPU設(shè)備中，以NVIDIA公司的設(shè)備最為成熟，目前Tesla型號的GPU處理器是專門為高性能計算設(shè)計的，可以采用CUDA進行程序設(shè)計。但該型號GPU處理器僅有商業(yè)版本的，無法滿足機上設(shè)備的環(huán)境指標要求。

SAR（Synthetic?Aperture?Radar，合成孔徑雷達）是目前廣泛應(yīng)用的機載傳感器之一，不同于光學圖像，SAR數(shù)據(jù)處理需要較為復(fù)雜的成像處理運算過程，無法滿足實時處理的需求，目前的SAR處理方式主要為飛行過后將存儲的數(shù)據(jù)回放到基于CPU的地面處理系統(tǒng)，再進行事后成像處理（參見合成孔徑雷達成像——算法與實現(xiàn)，Ian?G.Cumming,Frank?H.Wong，洪文、胡東輝等譯，電子工業(yè)出版社,2007）。在SAR成像處理廣泛運用的三種算法中，Omega-K算法相對于RD算法和CS算法，更加適用于機載SAR環(huán)境（參見R.Bamler.A?Comparison?of?Rage-Doppler?and?Wavenumber?Domain?SAR?Focusing?Algorithms.IEEE?Trans.on?Geoscience?and?Remote?Sensing,30(4),pp.706-713,July1992.）。

對于具備0.3米高分辨率，65536距離向點數(shù)的寬測繪帶的SAR成像處理設(shè)備目前僅有地面事后成像處理設(shè)備，還沒有機上實時成像處理設(shè)備的先例，無法滿足在減災(zāi)、探測過程中的數(shù)據(jù)實時性要求，綜合考慮機上高分辨率寬測繪帶實時處理的應(yīng)用情況，地面事后成像處理設(shè)備存在如下缺點：

1)目前的基于CPU或基于GPU的Omega-K成像處理算法無法滿足實時處理要求：(a)針對于傳統(tǒng)的基于CPU的成像處理，速度無法滿足實時處理要求;(b)在SAR成像處理過程中，數(shù)據(jù)以脈沖的形式存儲的，成像時需要將特定數(shù)量的脈沖組成一景數(shù)據(jù)進行處理，為了避免因數(shù)據(jù)分景造成的邊緣圖像質(zhì)量下降，實際分景過程中各景數(shù)據(jù)交界處需要有一定的重疊區(qū)域，該重疊區(qū)域大小與每景數(shù)據(jù)大小無關(guān)，只受到SAR脈沖特性的限制。而由于GPU顯存容量限制了一景數(shù)據(jù)量，目前重疊區(qū)域在每景數(shù)據(jù)所占的比例較大，降低GPU成像處理效率;

在本發(fā)明針對的寬測繪帶SAR成像處理環(huán)境下，會因為各景數(shù)據(jù)重疊區(qū)域過大（本應(yīng)用情況下約為40%）而過多的進行了無效的數(shù)據(jù)處理，極大的限制成像處理效率，使得其無法滿足實時成像處理的要求。

2)事后成像處理設(shè)備所處理的原始數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等均為經(jīng)過回放后的數(shù)據(jù)文件，當需要對某塊數(shù)據(jù)進行處理時，可以直接讀取該數(shù)據(jù)文件的相關(guān)位置獲取數(shù)據(jù)處理，并可以根據(jù)實際數(shù)據(jù)處理速度控制讀取數(shù)據(jù)的速度。而實時環(huán)境下數(shù)據(jù)是被動接收的方式，數(shù)據(jù)流入速度是固定的。另外事后POS數(shù)據(jù)為根據(jù)全程POS實時數(shù)據(jù)進行精細處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)，精度較實時數(shù)據(jù)會提高一至兩個數(shù)量級。因此實時處理相對于事后處理，需要對實時POS數(shù)據(jù)進行額外的運算。

總之，現(xiàn)有地面事后成像處理設(shè)備的成像處理流程、成像處理算法均無法滿足機上環(huán)境的高分辨率寬測繪帶實時成像處理要求。因此需要一種基于GPU的高分辨率寬測繪帶機載SAR實時成像處理設(shè)備以滿足數(shù)據(jù)使用需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于GPU的高分辨率寬測繪帶機載SAR實時成像處理系統(tǒng)，通過優(yōu)化的Omega-K成像處理算法，提高了數(shù)據(jù)處理效率，可以支持于機上0.3m分辨率，64K距離向采樣點，最高600MBps碼率的實時成像處理。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：該方法將主服務(wù)器和從服務(wù)器設(shè)置在飛機上；主服務(wù)器集成了2塊CPU、2塊NVIDIA?Tesla系列GPU、96GB?DDR3內(nèi)存和1塊數(shù)據(jù)接收卡；從服務(wù)器集成了2塊CPU、2塊NVIDIA?Tesla系列GPU、96GB?DDR3內(nèi)存；

該方法的具體步驟為：

步驟一，主服務(wù)器實時的獲取雷達原始數(shù)據(jù)、定位系統(tǒng)POS/慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU數(shù)據(jù)以及授時數(shù)據(jù)，并進行緩存；其中在獲取雷達原始數(shù)據(jù)時進行降采樣處理，在獲取定位系統(tǒng)POS/慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU數(shù)據(jù)以及授時數(shù)據(jù)時進行插值處理；