一種逆合成孔徑雷達成像并行處理方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于逆合成孔徑雷達(ISAR)成像領域，具體涉及一種逆合成孔徑雷達成像并行處理方法。
【背景技術】
[0002]逆合成孔徑雷達(InverseSynthetic Aperture Radar ;ISAR)成像是一種主動式微波成像雷達體制，旨在對空間(空中)運動目標進行成像，是雷達成像的重要發(fā)展方向，在戰(zhàn)略防御、反衛(wèi)星、反導以及雷達天文學中有著重要的應用價值。
[0003]我國對空間目標(衛(wèi)星、導彈)觀測積累了大量的寬帶雷達回波數(shù)據(jù)，特別是寬帶直采回波數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理分析需要大量的時間，采用并行處理可以提高數(shù)據(jù)處理分析的效率。在針對空間目標的ISAR成像處理中，并行處理可以提高成像效率，或在同樣成像質(zhì)量下提高數(shù)據(jù)處理效率，或在同樣數(shù)據(jù)處理效率下提高成像質(zhì)量。因此，ISAR成像的并行處理研究在雷達成像領域有著巨大的應用潛力。
[0004]逆合成孔徑雷達(ISAR)成像的經(jīng)典算法是距離-多普勒算法(R-D算法)，但是原始R-D算法處理速度慢，無法確保ISAR能夠?qū)崟r成像。為了保證ISAR成像的實時性，目前的主要方法是利用多核DSP (數(shù)字信號處理器；Digital Signal Processor)或FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列；Field Programmable Gate Array)等硬件設備進行R-D運算。但是，這種利用硬件設備實現(xiàn)ISAR成像的方法缺點明顯，原因在于硬件結構優(yōu)化研制復雜、改進周期長、價格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決硬件手段進行實時成像引入的研制復雜和耗資高昂問題，本發(fā)明提出基于OpenMP (OpenMP是并行計算領域的一種共享存儲并行編程模型)共享存儲的ISAR成像并行處理方法，在確保ISAR實時成像的前提下，縮短研制周期，降低開發(fā)成本。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:首先對基于原始回波(R-D算法的輸入數(shù)據(jù))的距離向壓縮算法(R-D算法的第一步驟)進行并行處理，得到一維距離像；然后對基于一維距離像的包絡對齊算法(R-D算法的第二步驟)進行并行處理，得到已對齊一維距離像；最后對基于已對齊一維距離像的方位向壓縮算法(R-D算法的最后步驟)進行并行處理，從而得到ISAR圖像。具體實現(xiàn)步驟如下:
[0007]步驟一:距離向壓縮算法的并行處理
[0008]ISAR成像R-D算法的第一步驟是距離向壓縮算法，輸入數(shù)據(jù)是原始回波，由多個回波組成。該算法的并行處理方法是基于并行計算中的數(shù)據(jù)并行劃分手段，對算法輸入數(shù)據(jù)的各個回波同時進行距離向壓縮運算，即對每個回波并行進行FFT運算(FFT運算是距離向壓縮算法的實質(zhì))，并行處理結束后，該步驟快速得到一維距離像。
[0009]步驟二:包絡對齊算法的并行處理
[0010]ISAR成像R-D算法的第二步驟是包絡對齊算法，在該步驟，本發(fā)明包括兩部分內(nèi)容:首先對基于一維距離像的最大互相關對齊法進行并行處理，得到粗對齊一維距離像；然后對基于粗對齊一維距離像的最小熵對齊運算進行并行處理，得到已對齊一維距離像。[0011 ] 步驟2.1:最大互相關對齊法的并行處理方法
[0012]最大互相關對齊法是包絡對齊算法的第一步，其輸入數(shù)據(jù)是步驟一生成的一維距離像，由多個回波組成。該算法的并行處理方法是依據(jù)算法程序執(zhí)行的線程數(shù)目n(假設線程數(shù)目為η)，基于回波個數(shù)將算法輸入數(shù)據(jù)均分為η組數(shù)據(jù)，各組數(shù)據(jù)并行進行最大互相關對齊運算，運算完畢，并行程序即得到粗對齊一維距離像。
[0013]步驟2.2:最小熵對齊法的并行處理方法
[0014]最小熵對齊法是包絡對齊算法的第二步，其輸入數(shù)據(jù)是步驟2.1生成的粗對齊一維距離像，數(shù)據(jù)由多個回波組成(假設為Μ個回波)。該算法并行處理方法是首先依據(jù)輸入數(shù)據(jù)的回波將輸入數(shù)據(jù)順序劃分為兩組，各組數(shù)據(jù)回波個數(shù)為原始輸入數(shù)據(jù)的一半，即為Μ/2(Μ/2取整數(shù))。然后針對劃分后的單組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)依舊由多個回波組成(Μ/2個回波)，單個回波又衍生多個偏移回波(假設為L個回波)，并行對單回波對應的各個偏移回波進行熵值求解，之后求出單回波對應的多個熵值的最小熵，兩組數(shù)據(jù)都運算完畢后，并行程序即得到已對齊一維距離像。
[0015]步驟三:方位向壓縮算法的并行處理
[0016]方位向壓縮算法是ISAR成像R-D算法的最后步驟，其輸入數(shù)據(jù)是已對齊一維距離像，由多個回波的已對齊一維距離像序列組成的二維矩陣。該算法的并行處理方法是對已對齊一維距離像序列中每個點組成的序列(由多個回波組成)并行進行方位向壓縮處理，即對每個點序列并行進行FFT運算(FFT運算是方位向壓縮算法的實質(zhì))，并行計算完畢后，該步驟得到ISAR圖像。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0018]本發(fā)明屬于雷達數(shù)據(jù)與信號處理領域，要解決的技術問題是ISAR成像執(zhí)行時間長影響成像實時性，并且保證實時成像的硬件加速手段研制復雜、價格高昂。本發(fā)明的ISAR成像并行處理方法是改造傳統(tǒng)串行成像算法為并行實現(xiàn)，以此提高成像效率。該并行成像方法具有實現(xiàn)簡單、效果顯著的優(yōu)點，使用該并行處理方法對同一段數(shù)據(jù)進行ISAR成像，算法最高并行效率可以達到90%以上。該方法在ISAR成像處理，或者其它符合該并行處理條件的雷達數(shù)據(jù)以及在信號處理領域均有較好的應用前景。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的成像方法流程圖；
[0020]圖2是ISAR成像中距離向壓縮步驟的并行處理方法；
[0021]圖3為包絡對齊步驟中最大互相關對齊的并行處理流程圖；
[0022]圖4為包絡對齊步驟中最小熵對齊運算的并行處理流程圖；
[0023]圖5為ISAR成像中方位向壓縮步驟的并行處理流程圖；
[0024]圖6 (a)為ISAR成像中距離向壓縮步驟的并行處理方法的加速比和并行效率；
[0025]圖6 (b)為ISAR成像中包絡對齊步驟的并行處理方法的加速比和并行效率。
[0026]具體實施方法
[0027]首先對ISAR成像過程中的各種算法進行說明。
[0028]ISAR成像的經(jīng)典算法是R-D算法，R-D算法的第一步是距離向壓縮，第二步是包絡對齊，第三步是方位向壓縮。距離向壓縮的實質(zhì)是FFT運算；方位向壓縮的實質(zhì)也是FFT運算。而包絡對齊步驟又有多種經(jīng)典計算方法，本發(fā)明中包絡對齊步驟采用的對齊方法是最大互相關運算和最小熵運算。其中，F(xiàn)FT運算、最大互相關運算和最小熵運算都為數(shù)學領域的經(jīng)典計算方法。
[0029]本發(fā)明是研究R-D算法的并行處理方法，旨在降低算法執(zhí)行時間。
[0030]下面結合附圖對ISAR成像并行方法進行說明。
[0031]圖1為本發(fā)明公開的一種逆合成孔徑雷達成像并行處理方法，首先對輸入數(shù)據(jù)進行距離向壓縮算法的并行處理，得到一維距離像；然后對一維距離像進行包絡對齊算法的并行處理，得到已對齊一維距離像；最后對已對齊一維距離像進行方位向壓縮算法的并行處理，從而得到ISAR圖像。
[0032]圖2為ISAR成像中距離向壓縮步驟的并行處理，是ISAR成像R-D算法的第一步。該算法輸入數(shù)據(jù)是原始回波，數(shù)據(jù)格式為MXN 二維矩陣，Μ為回波數(shù)目，Ν為單個回波的采樣點數(shù)。距離向壓縮算法是對每個回波進行FFT(傅里葉變換)處理得到一維距離像，共Μ次 FFT。
[0033]距離向壓縮算法的輸入數(shù)據(jù)中每個回波的FFT (傅里葉變換)處理互不相關，所以可以基于數(shù)據(jù)并行劃分原則對各個回波并行進行FFT計算。
[0034]距離向壓縮算法的并行方法是首先算法程序利用共享存儲并行編程模型中OpenMP并行庫的函數(shù)0mp_set_nUm_threads()設置程序執(zhí)行的線程數(shù)目n，然后程序利用OpenMP的編譯制導指令#pragma omp parallel派生出η個線程，之后程序利用OpenMP的編譯制導指令#pragm omp for，用η個線程并行計算距離向壓縮算法的Μ次FFT運算，并行計算結束后，派生線程掛起，距離向壓縮算法程序得到一維距離像，即為待對齊一維距離像。
[0035]假設第i個線程耗時tli，線程派生與掛起時間為tip，則方位向壓縮并行耗時Tip=max (tli)+tlp。
[0036]圖3、圖4是ISAR成像R_D算法的第二步驟:包絡對齊算法的并行處理，即對待對齊一維距離像進行包絡對齊處理。包絡對齊算法的并行處理包括最大互相關對齊法的并行處理和最小熵對齊法的并行處理。
[0037]圖3為最大互相關對齊法的并行處理，該部分的輸入數(shù)據(jù)是待對齊一維距離像，數(shù)據(jù)格式是MXN 二維矩陣，Μ為回波數(shù)目，Ν為一維距離像序列的點數(shù)。
[0038]最大互相關對齊法依據(jù)程序線程數(shù)目η (已經(jīng)在步驟一中設置)，將輸入數(shù)據(jù)的二維矩陣均分為η個子矩陣:mll, ---,11111,…，!!!]^，其中mli(i = 1，..., η)為第i個子矩陣的