基于CUDA的寬帶水聲信號(hào)波束形成算法研究.pdf

1、海洋具有豐富的自然資源和不可替代的戰(zhàn)略作用，海洋探測的急切需求促進(jìn)了水聲工程的飛速發(fā)展。波束形成具備空域?yàn)V波能力，也是目標(biāo)方位估計(jì)的重要手段，是現(xiàn)在水聲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是水聲信號(hào)處理中計(jì)算量最大的部分之一。近年來，水聲探測的信號(hào)類型從窄帶信號(hào)向可搭載更多信息的寬帶信號(hào)過渡，使得波束形成的計(jì)算量進(jìn)一步增大，系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)處理的速度有更高的要求，因此，將基于圖形處理器平臺(tái)的并行處理技術(shù)應(yīng)用于水聲陣列信號(hào)的加速中將具有很顯著的實(shí)用價(jià)值。本

2、文主要在研究窄帶信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用影響主瓣寬度的多個(gè)因素，設(shè)計(jì)了使寬帶信號(hào)獲得恒定束寬的波束形成方法，并在GPU平臺(tái)上基于統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)(Computer Unified Device Architecture, CUDA)對(duì)寬帶波束形成中的主要模塊及算法流程進(jìn)行并行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了寬帶波束形成算法的應(yīng)用和加速。
　　首先，研究了陣列信號(hào)處理和波束形成理論。建立了基陣的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了接收信號(hào)模型和陣列流形。以窄帶波束形成為基礎(chǔ)

3、討論了波束形成基本理論、波束偏轉(zhuǎn)控制方法和波束優(yōu)化方法，并以有用信號(hào)無失真響應(yīng)為約束條件，求解了波束形成最佳權(quán)矢量。通過仿真分析驗(yàn)證了波束偏轉(zhuǎn)控制和波束優(yōu)化的有效性以及波束形成最佳權(quán)矢量對(duì)于干擾方向的抑制效果。
　　接著，討論了常規(guī)寬帶波束形成的結(jié)構(gòu)和特征。仿真發(fā)現(xiàn)寬帶信號(hào)不同頻率分量經(jīng)過同一基陣會(huì)有不用的響應(yīng)，導(dǎo)致波束形成結(jié)果時(shí)域失真。為解決這一問題，分析了波束優(yōu)化方法中控制旁瓣級(jí)和主瓣寬度的方法，研究了一種基于 Dolph-C

4、hebyshev加權(quán)的恒定束寬波束形成方法。同時(shí)通過分析頻率和陣列之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種利用高低子陣嵌套的方式對(duì)倍頻程信號(hào)進(jìn)行恒定束寬波束形成的方法。仿真驗(yàn)證了兩種恒定束寬波束形成方法在主瓣區(qū)域主瓣方向上對(duì)于不同頻率具備相同響應(yīng)，因此通過基陣的信號(hào)在時(shí)域上不再發(fā)生畸變。
　　然后，基于CUDA在GPU上實(shí)現(xiàn)了波束形成算法的并行加速。在闡述了CUDA的架構(gòu)和編程模型之后，將寬帶波束形成算法分解為基礎(chǔ)計(jì)算函數(shù)模塊，并把最核心也是計(jì)算量