《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于GPU的視頻SAR加速處理架構(gòu)
電子技術(shù)應(yīng)用
朱爽1，2，劉彥斌1，劉亞波1
1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院；2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院
摘要： 視頻合成孔徑雷達(dá)（Video Synthetic Aperture Radar， ViSAR）可對目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，具備低時延、高分辨率的特點(diǎn)。高性能計算是ViSAR系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。為滿足ViSAR系統(tǒng)的實(shí)時性要求，提出了一種基于圖形處理器（Graphics Processing Unit， GPU）的ViSAR成像方案。該方案將極坐標(biāo)格式算法（Polar Format Algorithm， PFA）部署到GPU上，使用并發(fā)流技術(shù)、異步并行技術(shù)等方法進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合SAR成像的幀率與數(shù)據(jù)重疊率之間的關(guān)系，充分發(fā)揮GPU的計算性能。結(jié)果表明：本架構(gòu)處理單張尺寸大小為2 048×2 048的數(shù)據(jù)耗時0.17 s，較中央處理器（Central Processing Unit， CPU）平均加速32.8倍，有效解決了ViSAR系統(tǒng)的實(shí)時成像問題。
中圖分類號：TN957.51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234738
中文引用格式： 朱爽，劉彥斌，劉亞波. 基于GPU的視頻SAR加速處理架構(gòu)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(6)：18-22.
英文引用格式： Zhu Shuang，Liu Yanbin，Liu Yabo. GPU-based processing architecture for video SAR acceleration[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(6)：18-22.
GPU-based processing architecture for video SAR acceleration
Zhu Shuang1，2，Liu Yanbin1，Liu Yabo1
1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences； 2.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences
Abstract： Video Synthetic Aperture Radar (ViSAR) systems enable dynamic monitoring of the target area with low latency and high resolution. High performance computing is the key technology of ViSAR system. In order to meet the real-time requirements of ViSAR system, a ViSAR imaging scheme based on Graphics Processing Unit (GPU) is proposed. The scheme deploys the Polar Format Algorithm (PFA) to the GPU. Optimization using multi-stream processing techniques, asynchronous parallelism, etc., which take full advantage of the GPU's computational performance. The results show that the architecture takes 0.17 seconds to process a single 2 048×2 048 size, which is 32.8 times faster than the average acceleration of the Central Processing Unit (CPU). It effectively solves the real-time imaging problem of ViSAR system.
Key words : ViSAR；high performance computing；GPU；real-time imaging

引言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種高分辨率雷達(dá)，具備穿透云霧、全天時全天候監(jiān)測的能力[1-2]。

傳統(tǒng)的SAR只能獲取靜態(tài)目標(biāo)信息，無法及時獲取運(yùn)動目標(biāo)變化狀態(tài)[3]。視頻合成孔徑雷達(dá)（Video Synthetic Aperture Radar, ViSAR）具備低時延、高分辨率的特點(diǎn)，有效擴(kuò)展了時間維度的信息[4]，能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域持續(xù)動態(tài)監(jiān)測。為獲取被監(jiān)測目標(biāo)的位置、速度、變化趨勢等信息，ViSAR系統(tǒng)的成像幀率需不小于5 Hz[5]。ViSAR系統(tǒng)需在短時間內(nèi)處理大量SAR數(shù)據(jù)，這給機(jī)載系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為滿足ViSAR系統(tǒng)低時延和高分辨率的要求，需要設(shè)計一種高效精確的成像算法，并結(jié)合高效的硬件平臺快速處理SAR回波數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[6]通過將監(jiān)測區(qū)域分為感興趣區(qū)域和一般區(qū)域減少后向投影算法的計算量,但無法滿足視頻SAR對于成像實(shí)時性的要求。文獻(xiàn)[7]使用數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）提升實(shí)時成像能力，將SAR數(shù)據(jù)處理時間減少了80%，但并未滿足視頻SAR系統(tǒng)實(shí)時處理需求。文獻(xiàn)[8]使用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）結(jié)合極坐標(biāo)格式算法（Polar Format algorithm，PFA）構(gòu)建ViSAR成像系統(tǒng)，該方法有效減少了SAR數(shù)據(jù)的處理時間，但仍無法滿足視頻SAR系統(tǒng)的實(shí)時性要求。文獻(xiàn)[9]和[10]將ViSAR成像問題建模為低秩張量和稀疏張量的和，有效減少了ViSAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量。但在實(shí)際的應(yīng)用場景中，張量的真實(shí)值無法獲取，秩值的誤差對算法的精確性產(chǎn)生了影響，只適合于特定場景，通用性較差。為了提升SAR回波數(shù)據(jù)處理效率，文獻(xiàn)[11]提出了一種基于應(yīng)用DSP的ViSAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)的成像幀率達(dá)到了5 Hz，滿足了視頻SAR系統(tǒng)的實(shí)時性要求，但是圖像尺寸大小為1K×1K，導(dǎo)致其在真實(shí)應(yīng)用場景中觀測范圍較小，限制了該方法的應(yīng)用場景。隨著硬件架構(gòu)的發(fā)展，圖形處理器（Graphics Processing Unit, GPU）已成為多線程、多核心、高度并行、超大帶寬的高性能計算設(shè)備[12-13]，適用于可并行化計算任務(wù)。英偉達(dá)公司推出的統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)（Compute Unified Device Architecture, CUDA）使得GPU易于處理計算密集型問題[14-15]，適合ViSAR系統(tǒng)的開發(fā)。


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作者信息：

朱爽1，2，劉彥斌1，劉亞波1

（1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京 100094；2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院， 北京 100049）


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