CN105182331A - 基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，首先将雷达系统的计算机作为服务器，处理雷达数据的计算机作为客户端，组成服务器至客户端的局域网；服务器端计算机接收原始雷达数据，并对原始雷达数据进行预处理和重组；再在客户端计算机中并发的实现接收雷达数据和处理雷达数据；最后在客户端计算机中，协同利用CPU和图形处理器完成机载前视雷达成像算法实现。本发明充分利用了局域网高速、实时的数据传输能力和图形处理器的强大并行处理能力，实现了机载前雷达的实时成像。

Description

基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种机载前视雷达实时信号处理方法。

背景技术

机载雷达具有前视高分辨率成像探测能力，可实现对飞行前方地面区域目标侦察、定位、识别和打击，能够有效提高战机的对地、对海的作战能力。前视实孔径雷达方位分辨率与发射波束宽度及探测距离成反比，方位分辨率随着波束宽度或作用距离的增加而急剧下降，不能对前视区域实现高分辨成像；单脉冲前视成像技术，仅适应于干净背景下的强点目标成像；正侧视合成孔径雷达和斜前视多普勒波束锐化技术，对前视区域存在成像盲区。然而由于前视雷达距离向回波可以视为雷达天线方向图垂直面和目标距离散射信息的卷积，方位向回波为雷达天线方向图与目标方位散射信息的卷积，因此可以通过解卷积技术来实现前视雷达方位向的高分辨成像。文献“Bayesiandeconvolutionforangularsuper-resolutioninforwardlookingscanningradar”(Sensors,2015,15(3),pp:6924-6946)中提出了一种基于贝叶斯准则的解卷积方法，有效的提高了前视扫描雷达的方位分辨率。

在雷达信号实时处理领域中，目前，国内外一般的处理手段是采用DSP、FPGA或者其他专用处理器进行并行集群来获得大的通信带宽和高的数据处理效率，这些方法能够达到实时处理，但是这些设计方案具有开发难度高、系统复杂性高、工程量大、灵活性较低等弊端。图形处理器(GPU)近年来广泛应用于雷达数据的实时处理中，文献“ParallelprocessingtechniquesfortheprocessingofsyntheticapertureradardataonGPUs”(Signalprocessingandinformationtechnology,2011,pp:573-580)中，在GPU中并行实现了SAR中的BP成像算法，文献“ProcessingofsyntheticapertureradardatawithGPGPU”(SignalProcessingSystems(SiPS),2009,pp:309-314)利用GPU并行实现了距离多普勒SAR成像算法，达到了加速处理SAR雷达数据的目的。

发明内容

本发明针对机载前视雷达实时成像的问题，提出一种机载前视雷达实时信号处理方法及系统。

本发明的技术方案为：基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，包括以下步骤：

S1：将雷达系统的计算机作为服务器，处理雷达数据的计算机作为客户端，并且服务器与客户端通过网线电缆连接，组成服务器至客户端的局域网；

S2：服务器接收原始雷达数据，并对原始雷达数据进行第一预处理和重组；

S3：服务器通过局域网数据传输通道，将经预处理和数据重组的原始雷达数据实时传输给客户端计算机；

S4：在客户端中并发地接收雷达数据和处理雷达数据，然后协同采用CPU和图形处理器实现机载前视雷达成像。

进一步地，步骤S1中所述雷达系统的计算机为具备网卡的计算机，所述处理雷达数据的计算机为具备网卡和图形处理器的计算机。

进一步地，所述步骤S2中的服务器端计算机对原始雷达数据进行第一预处理具体为：将服务器接收到的原始雷达数据进行雷达回波数据和惯导数据分割，并转化雷达回波数据和惯导数据的数据格式。

更进一步地，所述步骤S2中的服务器端计算机对原始雷达数据进行重组具体为：雷达回波数据和惯导数据的重组处理。

进一步地，步骤S3中所述的局域网数据传输通道具体为：采用套接字接口，建立基于TCP/IP协议的局域网数据传输通道。

进一步地，所述步骤S4中在客户端中并发地接收雷达数据和处理雷达数据在客户端雷达信号处理进程中实现，在客户端雷达信号处理进程中创建两个线程，第一线程用于接收服务器传输过来的经第一预处理和重组的原始雷达数据，第二线程用于处理第一线程接收的原始雷达数据，并且第一线程与第二线程之间通过CPU全局内存进行通信。

更进一步地，所述的第一线程与第二线程之间通过CPU全局内存进行通信具体为：第一线程将接收的原始雷达数据，以循环入队列的形式存入CPU全局内存中；第二线程以循环出队列的形式从CPU全局内存中取出原始雷达数据。

更进一步地，步骤S4中所述协同采用CPU和图形处理器实现机载前视雷达成像具体包括以下步骤：

S41：第二线程从CPU全局内存中读取一扫原始雷达数据；

S42：在CPU中对原始雷达数据进行第二预处理，所述第二预处理包括：将经第一预处理得到的原始雷达数据进行雷达回波数据和惯导数据分割，并转化雷达回波数据和惯导数据的数据格式；

S43：将经第二预处理得到的雷达回波数据和惯导数据复制到图形处理器的全局存储器中，通过CPU控制成像算法处理流程，在图形处理器中并行实现雷达回波数据的距离向脉冲压缩、基于惯导数据的距离走动矫正和方位向处理，得到图形处理器的前视雷达成像结果；

S44：将图形处理器的前视雷达成像结果复制到CPU中，最后通过CPU控制进行显示。

本发明有益效果：本发明的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，通过将雷达系统的计算机作为服务器，处理雷达数据的计算机作为客户端，组成服务器至客户端的局域网；服务器端计算机接收原始雷达数据，并对原始雷达数据进行预处理和重组；再在客户端计算机中并发的实现接收雷达数据和处理雷达数据；最后在客户端计算机中，协同利用CPU和图形处理器完成机载前视雷达成像算法实现。充分利用局域网的高速数据传输能力和GPU强大的并行处理能力，实现对机载前视雷达的实时成像和显示，与传统基于FPGA/DSP的实时成像方法相比，本发明具有系统复杂度低、开发难度低、工程量低、灵活度高等特点。

附图说明

图1为本发明的一种机载前视雷达实时信号处理系统示意图。

图2为本发明的一种机载前视雷达实时信号处理方法流程图。

具体实施方式

为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释：

术语1：局域网

局域网是在某一区域内，将各种计算机、外部设备和数据库等互相连接组成的计算机通信网，可以实现文件传输、文件管理、电子邮件、传真通信等功能。

术语2：图形处理器

图形处理器(GraphicsProcessingUnit(GPU))是一种专门用来进行图像运算工作的微处理器，近年逐渐广泛应用于医学、雷达、石油等领域的通用并行计算。

术语3：网卡

网卡就是以太网适配器，是局域网中连接计算机和传输介质的接口。

术语4：套接字接口

套接字接口是指一系列的套接字(Sockets)的接口函数，套接字是源IP地址、目的IP地址、传输层协议、源端口号、目的端口号的组合，用来区分来自不同应用程序和网络连接的通信，实现互联电子设备间的数据传输的并发服务。

术语5：TCP/IP

TCP/IP即Transmissioncontrolprotocol/Internetprotocol的缩写，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成，定义了电子设备如何接入因特网和数据如何在互联的电子设备之间传输的标准。

术语6：进程

进程是进程实体的运行过程，是计算机操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位，进程实体则由程序段、相关数据段和进程控制块组成。

术语7：线程

线程是进程中的一个执行单元，进程是一个应用程序的执行过程，一个进程中可以有多个线程独立的执行。

为了更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明做进一步详细描述。

本发明具体实施实例中雷达系统计算机采用的CPU型号为Inteli7-820QM，和网卡型号为Intel(R)I350GigabitNetworkConnection，客户端计算机采用CPU型号为Intel(R)Xeon(R)E5-2690,GPU型号为英伟达teslaK40c,网卡型号为Intel(R)I350GigabitNetworkConnection,连接雷达系统计算机和客户端计算机的网线为传输速率100Mbps的双绞线电缆。如图1所示为本发明系统示意图，具体方法流程如图2所示，包括如下步骤：

S1：将带有网卡的雷达系统计算机作为服务器，带有图形处理器和网卡的计算机作为客户端，通过双绞线电缆，将服务器和客户端计算机连接起来，组成服务器至客户端的局域网。

S2：当雷达系统开始工作时，雷达系统服务器端接收到原始雷达数据后，对原始雷达数据进行预处理，预处理主要包括雷达回波数据距离向或方位向数据降采样处理、惯导数据插值处理、雷达回波数据和惯导数据的重组处理。预处理后的惯导数据采样率和雷达回波方位向采样率相同，数据重组的数据格式为雷达当前接收一个回波时刻的惯导数据+当前时刻的一个雷达回波数据。

S3：雷达系统服务器和客户端计算机利用套接字接口，建立起基于TCP/IP协议的局域网数据传输通道，先让客户端计算机一直处于尝试连接雷达系统服务器的状态，雷达系统工作后，客户端计算机再连接到雷达系统服务器，雷达系统服务器通过局域网数据传输通道，将经预处理和数据重组的原始雷达数据实时传输给客户端计算机。

S4：在客户端中并发地接收雷达数据和处理雷达数据，然后协同采用CPU和图形处理器实现机载前视雷达成像。具体为：在客户端计算机雷达信号处理进程中创建两个线程，分别记为ThreadA、ThreadB，并且创建一个用于两个线程通信的CPU全局内存存储空间，ThreadA线程用于接收服务器端发送过来的原始雷达数据，并以循环入队列的形式将原始雷达数据存入全局内存中，ThreadB线程从全局内存中，以循环出队列的形式从全局内存中取出原始雷达数据。利用循环队列避免ThreadA、ThreadB之间的数据存取冲突，实现ThreadA接收原始雷达数据缓存的方法如下：

假设一扫原始雷达回波数据大小为M字节，CPU全局内存存储器中包含了一个数据字节计数器Counter、一个接收完n扫雷达回波数据的标志数组F[n]和能存储n扫原始雷达数据CPU内存空间Queue，Queue内存空间的首地址为StartAdress，ThreadB中设置一个读取原始雷达数据扫数的记数器CounterB，Counter的初始值为0，CounterB初值为0。ThreadA线程每接收到一个字节的原始雷达数据，就写入内存空间StartAdress+Counter地址中，并将Counter加1，当Counter的值为M的k倍时，且Counter≤M×n，k为正整数，将标志数组F[n]的第k-1个元素置1，当Counter＝M×n时，将Counter置0，然后ThreadA继续将接收的原始雷达数据，并写入地址为StartAdress+Counter内存中，将Counter加1，覆盖以前原始雷达数据；同时，启动程序后，ThreadB线程一直处于读取标志数组F[n]的第CounterB个元素F[CounterB]的值，当ThreadB检测到标志数组F[CounterB]为1时，就从内存空间Queue中，取出内存地址范围为StartAdress+CounterB×M～StartAdress+(CounterB+1)×M-1的一扫原始雷达数据，并将F[CounterB]置0，CounterB加1，然后协同利用CPU和GPU进行并行前视雷达成像算法处理，当ThreadB处理完一扫原始雷达数据后，继续读取F[CounterB]的状态，当F[CounterB]为1时，又从内存空间Queue中取出地址范围为StartAdress+CounterB×M～StartAdress+(CounterB+1)×M-1一扫原始雷达数据，当CounterB＝n-1时，将CounterB置0。

ThreadB线程从内存空间Queue中取出一扫原始雷达数据后，在CPU中对原始雷达数据进行第二预处理，所述第二预处理包括将原始雷达数据进行雷达回波数据和惯导数据分割，并转化雷达回波数据和惯导数据的数据格式，这里的第二预处理主要是为GPU图像处理得到前视雷达成像结果做数据准备。

将经CPU预处理后的雷达回波数据和惯导数据复制到GPU的全局内存中，接着由CPU控制成像算法处理流程，在GPU中并行实现雷达回波数据的距离向脉冲压缩、基于惯导数据的距离走动矫正和基于贝叶斯准则的方位向解卷积处理，这里具体的算法过程可通过现有的图像处理方法实现，此处不做详细描述。

再将GPU处理的前视雷达成像结果复制到CPU中，由CPU控制雷达显控软件显示出来。ThreadB线程循环的从S4中的内存空间Queue中取出一扫原始雷达数据，并协同利用CPU和GPU实现前视雷达成像算法并行处理，便可实现机载前视雷达数据连续的实时处理和成像结果显示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将雷达系统的计算机作为服务器，处理雷达数据的计算机作为客户端，并且服务器与客户端通过网线电缆连接，组成服务器至客户端的局域网；

S2：服务器接收原始雷达数据，并对原始雷达数据进行第一预处理和重组；

S3：服务器通过局域网数据传输通道，将经第一预处理和重组的原始雷达数据实时传输给客户端计算机；

S4：在客户端中并发地接收雷达数据和处理雷达数据，然后协同采用CPU和图形处理器实现机载前视雷达成像。

2.根据权利要求1所述的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，步骤S1中所述雷达系统的计算机为具备网卡的计算机，所述处理雷达数据的计算机为具备网卡和图形处理器的计算机。

3.根据权利要求1所述的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，所述步骤S2中的服务器端计算机对原始雷达数据进行第一预处理具体为：将服务器接收到的原始雷达数据进行雷达回波数据和惯导数据分割，并转化雷达回波数据和惯导数据的数据格式。

4.根据权利要求3所述的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，所述步骤S2中的服务器端计算机对原始雷达数据进行重组具体为：雷达回波数据和惯导数据的重组处理。

5.根据权利要求1所述的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，步骤S3中所述的局域网数据传输通道具体为：采用套接字接口，建立基于TCP/IP协议的局域网数据传输通道。

6.根据权利要求1所述的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，所述步骤S4中在客户端中并发地接收雷达数据和处理雷达数据在客户端雷达信号处理进程中实现，具体为：在客户端雷达信号处理进程中创建两个线程，第一线程用于接收服务器传输过来的经第一预处理和重组的原始雷达数据，第二线程用于处理第一线程接收的原始雷达数据，并且第一线程与第二线程之间通过CPU全局内存进行通信。

7.根据权利要求6所述的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，所述的第一线程与第二线程之间通过CPU全局内存进行通信具体为：第一线程将接收的原始雷达数据，以循环入队列的形式存入CPU全局内存中；第二线程以循环出队列的形式从CPU全局内存中取出原始雷达数据。

8.根据权利要求7所述的基于局域网和图形处理器的机载雷达实时信号处理方法，其特征在于，步骤S4中所述协同采用CPU和图形处理器实现机载前视雷达成像具体包括以下步骤：

S41：第二线程从CPU全局内存中读取一扫原始雷达数据；

S42：在CPU中对原始雷达数据进行第二预处理，所述第二预处理包括：将经第一预处理得到的原始雷达数据进行雷达回波数据和惯导数据分割，并转化雷达回波数据和惯导数据的数据格式；

S43：将经第二预处理得到的雷达回波数据和惯导数据复制到图形处理器的全局存储器中，通过CPU控制成像算法处理流程，在图形处理器中并行实现雷达回波数据的距离向脉冲压缩、基于惯导数据的距离走动矫正和方位向处理，得到图形处理器的前视雷达成像结果；

S44：将图形处理器的前视雷达成像结果复制到CPU中，最后通过CPU控制进行显示。