专利名称：基于gpu的外辐射源雷达信号实时处理系统及处理方法
技术领域：
本发明属雷达技术领域，涉及雷达信号处理技术，具体来说是一种基于GPU的外辐射源雷达处理实时系统及实现方法，可在Visual Studio+CUDA软件集成开发平台下实现数据的实时处理，对目标进行检测与定位跟踪。
背景技术：
近年来，随着武器科技的日新月异，尤其是反辐射导弹等的出现，担负着战场“ 千里眼”角色的雷达系统本身的安全面临着日益严峻的威胁。通常以单基地形式出现的传统有源雷达面临着“四大威胁”，即电子干扰、超低空突防、反辐射导弹以及隐身武器。无源雷达作为一种特殊形式的双基地雷达，其发射站和接收站是分开的，且接收者站本身不发射电磁波，而是采用非合作式的民用机会照射源，因而隐蔽性好，面对“四大威胁”时有良好的对抗性，提高了系统的战场生命力，成为雷达领域研究的热点。基于外辐射源的无源雷达除了本身战场生命力强、反隐身外，还具有如下优点①工作频点低，分布范围广，便于多发射站联合定位；②信号形式多样，可选择性强，不易被干扰；③系统生存能力强，可多站多频段协调工作，甚至组网进行数据融合。然而由于外辐射源具有非协作、不可控、不可预知的特性，外辐射源雷达的探测性能受到较大的限制，导致外辐射源雷达探测精度明显低于传统雷达。因此工程中需采用更复杂的信号处理手段，可以采取多辐射源，多接收站综合利用，融合多站处理结果，从而更有效的完成目标检测，提高定位精度，但同时会产生计算量大，处理复杂的问题。目前无源雷达定位跟踪系统的数据处理实现算法主要是通过开发专用信号处理板进行数据处理，但这种硬件平台搭建复杂，对于运算量大的数据处理，一般只能依靠增加硬件规模来实现，开发费用相对较高。此外，信号处理板的开发、调试周期长，可操作性较差，开发难度加大，处理速度慢，难以满足对外辐射源信号实时处理的要求。

发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统及处理方法，以提高系统数据处理速度，并简化系统结构，降低开发费用，提高可操作性，更好的满足对外辐射源信号实时处理的要求。为实现上述目的，本发明提供的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统包括八阵元天线，用于同时接收8个调频广播基站的信号，得到8路输出信号；数据采集单元，用于接收八阵元天线输出的8路信号，并对这8路信号依次进行宽带放大、带通采样、A/D变换和数字下变频处理，获得8路数字基带信号，输出给数字信道化接收单元；数字信道化接收单元，用于对数据采集单元输出的8路数字基带信号进行数字化接收，将每路数字基带信号送入FPGA做数字信道化处理，在FPGA中经过抽取、多相滤波后选择输出8个频点的信号，这8个频点的信号分别对应于8个调频广播基站的信号发射频率f1; f2, -,f8,即整个数字信道化接收单元共输出8*8=64路信号给数据传输单元；数据传输单元，用于将数字信道化接收单元获得的64路数字基带信号进行打包处理，并通过2块千兆网卡写入到数据处理单元中进行信号处理； 数据处理单元，采用插有4块GPU显卡的工作站，用于读取从数据传输单元传输的64路数字基带信号，并对这64路数字基带信号先进行数字波束形成，得到8个频点的参考信号和目标回波信号，继而依次对获得的8个频点的参考信号和目标回波信号进行自适应杂波对消、距离-多普勒二维相关运算、恒虚警检测以及对目标的比幅测角处理，每块GPU显卡负责2个频点的信号处理，4块GPU并行完成8个频点的信号处理，处理结果通过·网线传输给终端显控单元；终端显控单元，它包括控制子模块和显示子模块两部分，该控制子模块，用于向信号处理单元发送控制命令并设置初始参数，该显示子模块，用于对信号处理单元获得的8个频点的目标信息进行目标融合和航迹处理,通过点迹凝聚,航迹起始、点迹与航迹的关联、航迹消亡的处理，得到目标距离-多普勒航迹信息，并根据目标角度信息解算出目标的位置，显示出目标的真实航迹。为实现上述目的，本发明提供的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理方法，包括以下步骤(I)分配内存和显存空间，进行初始化(Ia)输入信号处理所需的基本参数，该基本参数包括杂波对消阶数、恒虚警检测门限值、恒虚警类型值和天线寻北偏差角度；(Ib)在CPU上分配2块内存缓冲区A和B，并建立数据传输握手工作标志FlagA和FlagBJf FlagA和FlagB都置为0，同时，在4块GPU上分配显存空间；(Ic)启动4个接收线程，等待接收信号处理的数据；(Id)通过Socket连接传输基本参数；(2)通过八阵元天线接收调频广播基站发射的直达波信号、运动目标反射的调频广播基站回波信号、多径杂波和噪声信号，每个天线阵元输出I路信号，共输出8路信号；(3)对接收到的8路信号依次进行宽带放大、带通采样、A/D变换和数字下变频处理，得到8路数字基带信号；再通过抽取、多相滤波和信道选择，对每I路数字基带信号进行数字信道化接收，输出对应于8个频点f1; f2,…，f8的8路信号，共输出8*8=64路信号，带通采样时间间隔为ls，每Is输出64路信号为I帧数据；(4)利用WinPcap开源库将输入的I帧数据采用乒乓存储的方式依次写入到已分配的2块内存缓冲区A和B中，每次实时传输I帧数据，每次传输数据的时延间隔为Is ；(5)对已写入缓冲区中的数据进行对消检测处理，获得目标的距离、多普勒以及方位信息，并将目标信息通过Socket网络连接输出(5a)检测数据传输握手工作标志FlagA和FlagB，根据工作标志选择缓冲区读取数据，即当FlagA为I时，从缓冲区A中读取数据，当FlagB为I时，从缓冲区B中读取数据；(5b)从选择的缓冲区中读取I帧数据，并对这帧数据进行数字波束形成；(5c)依次对数字波束形成后的8个频点的数据进行数据处理，获得目标的距离、多普勒以及方位信息；(5d)将数据处理后获得的目标的距离、多普勒以及方位信息通过Socket网络连接输出；(5e)将选择的缓冲区对应的工作标志置为0，若选择的缓冲区为A，则置FlagA为0，若选择的缓冲区为B，则置FlagB为O ;(6)通过Socket网络连接接收目标的距离、多普勒以及方位信息进行终端处理，并显示目标的真实航迹(6a)设置终端处理握手计数器count，并给计数器count赋初值为O ;^b) 4个接收线程一直在等待接收数据，当每个线程接收到2个频点的数据后，计数器count加I,当计数器count等于4时,表示8个频点的数据接收完毕，即已接收到I中贞的数据； (6c)对已接收到的这I帧数据进行目标融合和航迹处理，获得目标的真实航迹，并显示目标的真实航迹；(6d)对计数器count清零，同时4个接收线程开始等待接收下一巾贞数据。本发明具有以下优点I)数据处理速度快。本发明由于采用GPU显卡进行高性能计算，能够很好地利用GI^U显卡的大量密集型数据并行处理能力，提高数据处理速度。2 )信号处理模块硬件平台搭建简单。本发明的信号处理模块由于采用工作站+GPU显卡搭建硬件平台，没有传统信号处理中专用开发处理板的设计，搭建和调试等诸多问题，硬件平台搭建简单。3)开发费用低。本发明由于采用工作站+GPU的硬件平台完成8个频点的外辐射源雷达信号的实时处理任务，所用费用远远低于传统的信号开发板硬件平台完成相同处理任务所需的费用。4)处理实时性好。本发明由于采用2块千兆以太网卡传输数据，采用多块GPU显卡进行并行计算，能对从天线接收到的信号进行实时传输、实时处理，并且能对目标进行实时跟踪检测和航迹显示。5)目标检测与跟踪精确度提高。本发明由于接收8个调频广播站点的信号进行处理，并进行多站点目标信息融合，目标检测与跟踪的精确度大大提高。


图I是本发明的雷达信号实时处理系统的使用场景图；图2是本发明的雷达信号实时处理系统方框图；图3是本发明的雷达信号实时处理系统中的八阵元天线结构示意图；图4是本发明的雷达信号实时处理系统中的数据采集单元原理示意图；图5是本发明的数据采集单元中的数字下变频处理模块原理示意图；图6是本发明的雷达信号实时处理系统中的数字信道化接收单元原理示意图；图7是本发明的雷达信号实时处理方法总流程图；图8是本发明的雷达信号实时处理方法中的对消检测处理子流程图；图9是本发明的雷达信号实时处理方法中的终端处理子流程图10是本发明实验中检测到的目标航迹显示图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的内容和效果。参照图1，本发明基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，其使用场景包括三部分，分别是8个调频广播基站、雷达信号实时处理系统和运动目标，8个调频广播基站在雷达信号实时处理系统周边随机分布，并发射调频广播基站信号，当运动目标位于8个调频广播基站的照射范围内时，会反射调频广播基站信号，雷达信号实时系统中的接收天线接收信号，并对接收的信号进行实时处理，实现对目标的实时检测跟踪，其中天线接收的信号中主要包括直达波信号、目标回波信号、多径杂波及噪声。参照图2，本发明基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，主要由八阵元天 线、数据采集单元、数字信道化接收单元、数据传输单元、数据处理单元和终端显控单元组成。其中八阵元天线，是由8根半波振子天线以相等的方位排列组成的圆阵阵列天线，其结构如图3所示，天线阵中心高度距地面约7m，圆阵直径3. 06m，方位间隔45°，天线阵总共覆盖范围为360°，八阵元天线8路信号，每路输出信号包括调频广播基站的直达波信号，经运动目标反射的调频广播基站回波信号，以及多径杂波和噪声信号。数据采集单元，包括8路低噪声放大器、带通滤波器、A/D变换器和数字下变频处理模块，图4所示。8路低噪声放大器对八阵元天线输出的8路信号进行宽带放大，经放大后的每路信号送入20M的带通滤波器进行带通采样，得到8路模拟中频信号，再通过22位的A/D变换器对模拟中频信号进行数字化，并将数字化后的中频信号通过下变频处理模块进行数字下变频处理，得到8路数字基带信号。其中，数字下变频处理模块工作原理如图5所示，它是将A/D变换后的数字中频信号与NCO数控本振产生的正交混频信号分别进行相乘，再将相乘后的信号通过低通滤波器，得到零中频数字正交I、Q信号。数字信道化接收单元，其工作原理如图6所示，用于对数据采集单元得到的8路数字基带信号进行数字化接收，将每路数字基带信号送入FPGA做数字信道化处理，数字信道化处理包括抽取、低通滤波、FFT变换和信道选择，对输入FPGA的I路数字基带信号进行延时抽取，设抽取率为D，则有D-I个延时单元z—1，对每I路经过延时单元z—1后的信号进行D倍抽取，抽取结果通过低通滤波器进行低通滤波，共输出D路信号，分别为yi(m)，y2(m)，…，yD (m),由D路输出信号Y1 (m)，J2 (m)，...，yD (m)构成一个D*m维的矩阵单元,对该矩阵单元进行FFT变换，再对变换结果进行信道选择，根据8个调频广播基站的发射频率f1;f2，…，f8选择输出8个频点的信号，这8个频点的信号分别对应于8个调频广播基站的信号发射频率f\，f2,-,f8,即整个数字信道化接收单元共输出8*8=64路信号。数字信道化将20MHz带宽信号进行分割，设抽取率D=100，则经数字信道化接收单元输出的信号带宽为200KHZ，在数据采集单元中使用22位的A/D变换器，带通采样时间间隔为ls，则数字信道化接收单元每Is输出I帧数据，这I帧数据的数据量为200X3X2X8X8 + 1. 024=75MB。数据传输单元，采用2块千兆以太网卡，这2块千兆以太网卡分别为网卡I和网卡2，在工作站中预先分配2块内存缓冲区A和B，其中，缓冲区A用于存储通过网卡I写入的数据，缓冲区B用于存储通过网卡2写入的数据，数据传输单元在数字化信道接收单元输出的64路信号获取I帧75MB的数据量并进行打包，利用WinPcap开源库通过网线，以乒乓存储的形式，依次将每次打包好的数据写入到工作站中分配的这2块内存缓冲区A和B中，数据传输单元每次实时传输I帧数据，只有当已写入在缓冲区中的数据被取出后，该缓冲区才能存储下一帧数据，否则丢弃当前传输的这帧数据。数据处理单元，采用插有4块GPU显卡的工作站，它包括数字波束形成模块、杂波对消模块、距离-多普勒处理模块、恒虚警检测模块和比幅测角模块；数字波束形成模块接收到终端显控单元发送的控制命令和参数信息后，先从工作站的内存缓冲区A中取出第I帧的数据进行数字波束形成，得到8个频点的参考数据和目标回波数据，每个频点的参考数据和目标回波数据通过杂波对消模块进行杂波对消处理，将杂波对消处理结果输入给距离-多普勒处理模块进行距离-多普勒二维相关运算，并将运算结果输入给恒虚警检测模块进行恒虚警检测处理，再通过比幅测角模块对恒虚警检测处理结果进行比幅测角处理，获得目标的距离、多普勒和方位信息，整个处理时延为ls，在对第I帧数据进行处理的同时，接收的到第2帧数据将被写入到内存缓冲区B中，当第I帧数据处理完后再从缓冲区B中读取第2帧数据进行处理，依此类推，读取缓冲区中的数据并对数据进行处理，处理每帧数据后获得的目标的距离、多普勒以及方位信息通过Socket网络连接传送至终端显控单
J Li ο终端显控单元，它包括控制子模块和显示子模块两部分，该控制子模块，用于向数据处理单元发送控制命令并设置初始参数，该显示子模块，用于对数据处理单元获得的8个频点的目标信息进行目标融合和航迹处理,通过点迹凝聚,航迹起始、点迹与航迹的关联、航迹消亡的处理，得到目标距离-多普勒航迹信息，并根据目标角度信息解算出目标的位置，显示出目标的真实航迹。整个系统的工作过程原理是八阵元天线接收来自8个调频广播基站的直达波信号，目标回波信号以及多径杂波、噪声信号；数据采集单元对八阵元天线接收的信号进行宽 带放大、带通采样、A/D变换和数字下变频处理，得到8路数字基带信号；数字信道化接收单元对8路数字基带信号进行抽取、多相滤波和信道选择后输出64路信号，每Is输出数据的数据量为75MB ;数据传输单元对每Is的数据量进行实时传输，通过工作站中2块内置的千兆以太网卡及WinPcap开源库将数据依次写入工作站中的2块内存缓冲区中；数据处理单元读取工作站的内存缓冲区中的数据进行实时处理，处理时延为ls，处理结果通过网线传输给终端显控单元；终端显控单元与数据处理单元进行交互，发送信号处理所需的参数信息，接收每Is的信号处理结果，对每Is接收的目标的距离、多普勒以及方位信息进行目标融合和航迹处理，并实时显示目标航迹。参照图7，本发明基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理方法，其实现步骤如下步骤1，分配内存和显存空间，进行初始化(Ia)输入信号处理所需的基本参数，该基本参数包括杂波对消阶数、恒虚警检测门限值、恒虚警类型值和天线寻北偏差角度；(Ib)在CPU上分配2块内存缓冲区A和B，并建立数据传输握手工作标志FlagA和FlagBJf FlagA和FlagB都置为0，同时，在4块GPU上分配显存空间；(Ic)启动4个接收线程，等待接收信号处理的数据；(Id)通过Socket连接传输基本参数，该Socket连接采用网络TCP/IP传输协议，以客户端/服务器的方式，建立TCP可靠连接，通过网线传输数据。步骤2，通过八阵元天线接收调频广播基站发射的直达波信号，运动目标反射的调频广播基站回波信号、多径杂波和噪声信号，每个天线阵元输出I路信号，共输出8路信号。步骤3，对接收到的8路信号进行放大和带通采样，得到模拟中频信号，将模拟中频信号通过A/D变换器进行数字化，并将数字化后的中频信号进行数字下变频处理，得到8路数字基带信号；再通过抽取、多相滤波和信道选择，对每I路数字基带信号进行数字信道化接收，输出对应于8个频点f1; f2，…，f8的8路信号，共输出8*8=64路信号，带通采样时间间隔为ls，每Is输出64路信号为I帧数据。步骤4，利用WinPcap开源库将输入的I帧数据采用乒乓存储的方式依次写入到已分配的2块内存缓冲区A和B中，每次实时传输I帧数据，每次传输数据的时延间隔为Is。
进行数据传输时，第I帧数据通过网卡I写入到工作站的缓冲区A中，传输完成后置工作标志FlagA为1，传输时延为ls，Is后传输第2帧数据，将其通过网卡2写入到工作站的缓冲区B中，传输完成后置工作标志FlagB为1，并开始下一帧数据的传输，依此类推，奇数帧的数据写入缓冲区A中，并置工作标志FlagA为1，偶数帧的数据写入缓冲区B中，并置工作标志FlagB为1，在传输数据的同时，对前Is已写入缓冲区的数据进行对消检测处理，处理时延也为ls，处理完成后置相应的工作标志为0，若对缓冲区A写入数据，则置FlagA为O，若对缓冲区B写入数据，则置FlagB为O。步骤5，对已写入缓冲区中的数据进行对消检测处理，获得目标的距离、多普勒以及方位信息，并将目标信息通过Socket网络连接输出。参照图8，本步骤的具体实现如下(5a)检测数据传输握手工作标志FlagA和FlagB，选择相应的缓冲区读取数据进行信号处理，当FlagA为I时，从缓冲区A中读取数据进行处理，当FlagB为I时，从缓冲区B中读取数据进行处理；(5b)从选择的缓冲区中读取I帧数据，并对这帧数据进行数字波束形成5bl)对读取的I帧数据进行分组，将数据中频点号一致的数据分为I组，共得到8组数据；5b2)将得到的8组数据分别与给定的8*18组8*1维的权值进行相乘，共获得8个频点的数据，每个频点包含18路的波束数据，这18路波束数据中，I路为参考数据refj，其余17路为目标回波数据echop，其中j为频点号，j = 1,2,-,8, i为波束号，i =1，2，…，17;(5c)依次对数字波束形成后的8个频点的数据按照如下步骤进行数据处理，获得目标的距离、多普勒以及方位信息5cl)启动4个处理线程，分别控制4块GPU的运算操作，每块GPU负责处理2个频点的数据；5c2)读取数字波束形成后获得的8个频点的数据到GPU显存中，每块GPU读取2个频点的数据，每个频点的数据包括I路参考数据ref^_和17路目标回波数据echo^ ；5c3)每块GPU对读取的数据进行杂波对消处理，杂波对消采用直接矩阵求逆DMI运算，依次将每个频点中的17路目标回波数据echop与对应的I路参考数据ref^_进行杂波对消，滤除目标数据echop中的调频广播基站直达波、多径杂波和噪声分量，得到17路对消数据err^i ；5c4)对杂波对消后获得的17路对消数据err^进行距离-多普勒二维相关运算，依次对每路对消数据进行脉压、抽取滤波、快速傅里叶变换、移位fftshift和求模运算，获得距离-多普勒矩阵形式的检测单元；5c5)对距离-多普勒二维相关运算获得的距离-多普勒矩阵形式的检测单元，采用单元平均恒虚警算法CA-CFAR进行恒虚警检测处理，获得17路检测数据Cfarj,,；5c6)对恒虚警检测后获得的17路检测数据cfarp进行比幅测角处理，得到目标的距离、多普勒和方位信息；(5d)将数据处理后获得的目标的距离、多普勒以及方位信息通过Socket网络连接输出；
(5e)将选择的缓冲区对应的工作标志置为0，若选择的缓冲区为A，则置FlagA为0，若选择的缓冲区为B，则置FlagB为O。步骤6通过Socket网络连接接收目标的距离、多普勒以及方位信息进行终端处理，并显示目标的真实航迹。参照图9，本步骤的具体实现如下(6a)设置终端处理握手计数器count，并给计数器count赋初值为O ;(6b) 4个接收线程一直循环检测Socket网络连接中是否有数据到达，如没有数据达到，则循环等待，否则开始接收数据，当每个线程接收到2个频点的数据后，计数器count加1，当计数器count等于4时，表示8个频点的数据接收完毕，即已接收到I帧的数据；(6c)对已接收到的这I帧数据进行目标融合，即对这I帧数据中8个频点的目标信息进行求和取平均；(6d)对融合后的目标信息进行航迹处理，即通过点迹凝聚、航迹起始、点迹与航迹的关联和航迹消亡，获得目标的真实航迹，并显示目标的真实航迹；(6e)计数器count清零，同时4个接收线程开始等待接收下一巾贞数据。本发明的效果可通过以下实验结果进一步说明I)实验条件实验中采用的软件平台为Visual Studio+CUDA的集成开发平台，仿真数据采用100帧的信号数据，每帧数据中包括8个调频广播基站直达波、运动目标回波、多径杂波和噪声分量，数据中包含2个目标，其中，目标I沿北偏东38°直线飞行，目标2沿南偏东20°直线飞行2)实验内容及效果实验对仿真数据中2个目标进行探测和跟踪，在整个探测和跟踪的过程中要对检测到的目标进行航迹处理，比幅测角，目标方向角拟合，目标真实位置解算和目标航迹显示,结果如图10所示。图10中圆周径向长度表示距离，单位为Km,圆周角表示方位,单位为。，竖直方向代表南北方向，水平方向代表东西方向，天线基线为正北方向，沿顺时针方向覆盖360° ;图10中检测到的目标I的航迹在北偏东38°的方向上，由A点被截获，一直追踪到B点位置，检测到的目标2的航迹在南偏东20°的方向上，由C点被截获，一直追踪到D点位置。可见，本发明能够有效的探测和跟踪目标，实现对外辐射源雷达信号的实时处理。
权利要求
1.一种基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，其特征在于它包括 八阵元天线，用于同时接收8个调频广播基站的信号，得到8路输出信号； 数据采集单元，用于接收八阵元天线输出的8路信号，并对这8路信号依次进行宽带放大、带通采样、A/D变换和数字下变频处理，获得8路数字基带信号，输出给数字信道化接收单元； 数字信道化接收单元，用于对数据采集单元输出的8路数字基带信号进行数字化接收，将每路数字基带信号送入FPGA做数字信道化处理，在FPGA中经过抽取、多相滤波后选择输出8个频点的信号，这8个频点的信号分别对应于8个调频广播基站的信号发射频率f\，f2，…，f8，即整个数字信道化接收单元共输出8*8=64路信号给数据传输单元； 数据传输单元，用于将数字信道化接收单元获得的64路数字基带信号进行打包处理，并通过2块千兆网卡写入到工作站中进行信号处理； 数据处理单元，采用插有4块GPU显卡的工作站，用于读取从数据传输单元传输的64路数字基带信号，并对这64路数字基带信号先进行数字波束形成，得到8个频点的参考信号和目标回波信号，继而依次对获得的8个频点的参考信号和目标回波信号进行自适应杂波对消、距离-多普勒二维相关运算、恒虚警检测以及对目标的比幅测角处理，每块GPU显卡负责2个频点的信号处理，4块GPU并行完成8个频点的信号处理，处理结果通过网线传输给终端显控单元； 终端显控单元，它包括控制子模块和显示子模块两部分，该控制子模块，用于向信号处理单元发送控制命令并设置初始参数，该显示子模块，用于对信号处理单元获得的8个频点的目标信息进行目标融合和航迹处理，通过点迹凝聚，航迹起始、点迹与航迹的关联、航迹消亡的处理，得到目标距离-多普勒航迹信息，并根据目标角度信息解算出目标的位置，显示出目标的真实航迹。
2.根据权利要求书I所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，其特征在于八阵元天线，是由8根半波振子天线以相等的方位排列组成的圆阵阵列天线，天线阵中心高度距地面约7m，圆阵直径3. 06m，方位间隔45°，天线阵总共覆盖范围为360°。
3.根据权利要求书I所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，其特征在于八阵元天线的8路输出信号，包括调频广播基站的直达波信号，经运动目标反射的调频广播基站回波信号，以及多径杂波和噪声信号。
4.根据权利要求书I所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，其特征在于数据采集单元，包括低噪声放大器、带通滤波器、A/D变换器和数字下变频处理模块，八阵元天线输出的8路信号通过低损耗电缆送入8路低噪声放大器进行宽带放大，经放大后的每路信号送入带通滤波器进行带通采样，得到8路模拟中频信号，再通过A/D变换器对模拟中频信号进行数字化，并将数字化后的中频信号通过数字下变频处理模块进行数字下变频处理，得到8路数字基带。
5.根据权利要求书I所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，其特征在于数据传输单元，采用2块千兆以太网卡，利用WinPcap开源库将前端数据进行打包，通过网线将数据直接写入到工作站中分配的内存缓冲区中。
6.根据权利要求书I所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统，其特征在于数据处理单元，包括数字波束形成模块、杂波对消模块、距离-多普勒处理模块、恒虚警检测模块和比幅测角模块；数字波束形成模块对数据传输单元传输的64路信号进行数字波束形成，得到8个频点的参考信号和目标回波信号，每个频点的参考信号和目标回波信号通过杂波对消模块进行杂波对消处理，将杂波对消处理结果输入给距离-多普勒处理模块进行距离-多普勒二维相关运算，并将运算结果输入给恒虚警检测模块进行恒虚警检测处理，再通过比幅测角模块对恒虚警检测处理结果进行比幅测角处理，获得目标的距离、多普勒和方位信息。
7.一种基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理方法，包括以下步骤 (1)分配内存和显存空间，进行初始化 (Ia)输入信号处理所需的基本参数，该基本参数包括杂波对消阶数、恒虚警检测门限值、恒虚警类型值和天线寻北偏差角度； (Ib)在CPU上分配2块内存缓冲区A和B，并建立数据传输握手工作标志FlagA和FlagBJf FlagA和FlagB都置为O，同时，在4块GPU上分配显存空间； (Ic)启动4个接收线程，等待接收信号处理的数据； (Id)通过Socket连接传输基本参数； (2)通过八阵元天线接收调频广播基站发射的直达波信号、运动目标反射的调频广播基站回波信号、多径杂波和噪声信号，每个天线阵元输出I路信号，共输出8路信号； (3)对接收到的8路信号依次进行宽带放大、带通采样、A/D变换和数字下变频处理，得到8路数字基带信号；再通过抽取、多相滤波和信道选择，对每I路数字基带信号进行数字信道化接收，输出对应于8个频点f\，f2,…，f8的8路信号，共输出8*8=64路信号，带通采样时间间隔为Is,每Is输出64路信号为I巾贞数据； (4)利用WinPcap开源库将输入的I帧数据采用乒乓存储的方式依次写入到已分配的·2块内存缓冲区A和B中，每次实时传输I帧数据，每次传输数据的时延间隔为Is ； (5)对已写入缓冲区中的数据进行对消检测处理，获得目标的距离、多普勒以及方位信息，并将目标信息通过Socket网络连接输出 (5a)检测数据传输握手工作标志FlagA和FlagB，根据工作标志选择缓冲区读取数据，即当FlagA为I时，从缓冲区A中读取数据，当FlagB为I时，从缓冲区B中读取数据； (5b)从选择的缓冲区中读取I帧数据，并对这帧数据进行数字波束形成； (5c)依次对数字波束形成后的8个频点的数据进行数据处理，获得目标的距离、多普勒以及方位信息； (5d)将数据处理后获得的目标的距离、多普勒以及方位信息通过Socket网络连接输出； (5e)将选择的缓冲区对应的工作标志置为0，若选择的缓冲区为A，则置FlagA为0，若选择的缓冲区为B，则置FlagB为0 ; (6)通过Socket网络连接接收目标的距离、多普勒以及方位信息进行终端处理，并显示目标的真实航迹 (6a)设置终端处理握手计数器count，并给计数器count赋初值为0 ; (6b)4个接收线程一直循环检测Socket网络连接中是否有数据到达，如没有数据达至IJ，则循环等待，否则开始接收数据，当每个线程接收到2个频点的数据后，计数器count加·1，当计数器count等于4时，表示8个频点的数据接收完毕，即已接收到I帧的数据；(6c)对已接收到的这I帧数据进行目标融合和航迹处理，获得目标的真实航迹，并显示目标的真实航迹； (6d)对计数器count清零，同时4个接收线程开始等待接收下一巾贞数据。
8.根据权利要求书7所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理方法，其特征在于所述步骤(5b)中的数字波束形成，按如下步骤进行 (5bl)对读取的I帧数据进行分组，将数据中频点号一致的数据分为I组，共得到8组数据； (5b2)将得到的8组数据分别与给定的8*18组8*1维的权值进行相乘，共获得8个频点的数据，每个频点包含18路的波束数据，这18路波束数据中，I路为参考数据refp其余17路为目标回波数据echOj.i，其中j为频点号，j = 1,2,…，8，i为波束号，i = 1,2,…，17。
9.根据权利要求书7所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理方法，其特征在于所述步骤(5c)中的数据处理，按如下步骤进行 (5cl)启动4个处理线程，分别控制4块GPU的运算操作，每块GPU负责处理2个频点的数据； (5c2)读取数字波束形成后获得的8个频点的数据到GPU显存中，每块GPU读取2个频点的数据，每个频点的数据包括I路参考数据ref^_和17路目标回波数据echoy ； (5c3)每块GPU对读取的数据进行杂波对消处理，杂波对消采用直接矩阵求逆DMI运算，依次将每个频点中的17路目标回波数据echop与对应的I路参考数据进行杂波对消，滤除目标数据echop中的调频广播基站直达波、多径杂波和噪声分量，得到17路对消数据err^ ； (5c4)对杂波对消后获得的17路对消数据err」,,进行距离-多普勒二维相关运算，依次对每路对消数据进行脉压、抽取滤波、快速傅里叶变换、移位fftshift和求模运算，获得距离-多普勒矩阵形式的检测单元； (5c5)对距离-多普勒二维相关运算获得的距离-多普勒矩阵形式的检测单元，采用单元平均恒虚警算法CA-CFAR进行恒虚警检测处理，获得17路检测数据Cfarj,,； (5c6)对恒虚警检测后获得的17路检测数据cfarM进行比幅测角处理，得到目标的距离、多普勒和方位信息。
10.根据权利要求书7所述的基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理方法，其特征在于所述步骤^c)中的目标融合和航迹处理，按如下步骤进行 (6cl)对获得8个频点的目标信息进行求和取平均，得到融合后的目标信息； (6c2)对融合后的目标信息进行依次进行点迹凝聚、航迹起始、点迹与航迹的关联和航迹消亡，获得目标的真实航迹。
全文摘要
本发明公开了一种基于GPU的外辐射源雷达信号实时处理系统及处理方法，主要解决传统技术处理速度慢，开发费用高的问题。本系统包括八阵元天线、数据采集单元、数字信道化接收单元、数据传输单元、数据处理单元和终端显控单元。数据采集单元对八阵元天线接收的8个调频广播基站信号进行放大、采样、A/D变换和下变频处理，并经数字信道化接收单元进行数字化接收；再将接收的信号由数据传输单元通过以太网卡传输至数据处理单元进行数字波束形成、杂波对消、距离-多普勒二维相关、恒虚警检测和比幅测角，后端显控单元对该处理结果进行目标融合和航迹处理，得到目标位置。本发明数据处理速度快，可用较低的成本实现外辐射源雷达信号的实时处理。
文档编号G01S7/41GK102707272SQ20121019271
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月13日 优先权日2012年6月13日
发明者何春娟, 刘田, 夏斌, 武勇, 王俊, 董亮玉, 谢梦瑶, 贾永胜 申请人:西安电子科技大学