多通道ScanSAR成像仿真研究

基于GPU_的多模式SAR_成像加速研究

第 21 卷第 8 期2023 年 8 月Vol.21，No.8Aug.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology基于GPU的多模式SAR成像加速研究白澜1,3a，魏仁乐*2,3a，郭拯危3a,3b,3c，赵建辉3a，3b，3c，李宁3a,3b,3c(1.郑州科技学院信息工程学院，河南郑州450064；2.中共开封市委党校，河南开封475001；3.河南大学 a.计算机与信息工程学院；b.河南省大数据分析与处理重点实验室；c.河南省智能技术与应用工程技术研究中心，河南开封475004)摘要：针对多模式合成孔径雷达(SAR)成像处理中存在的计算效率不足问题，提出了一种基于GPU的多模式SAR统一成像并行加速方法。

为充分利用GPU的显存资源，提高算法的运算效率，利用共享内存对矩阵转置、矩阵相乘等部分进行大规模数据并行计算。

实验结果表明，该算法大幅度提升了多模式SAR成像的计算效率，最高加速比达到55.62，解决了GPU显存空间利用率较低的问题。

关键词：合成孔径雷达；图形处理器；多模式；并行加速中图分类号：TN958 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021142Multi-mode SAR imaging acceleration based on GPUBAI Lan1,3a，WEI Renle*2，3a，GUO Zhengwei3a,3b,3c，ZHAO Jianhui3a,3b,3c，LI Ning3a,3b,3c(1.College of Information Engineering，Zhengzhou Institute of Science and Technology，Zhengzhou Henan 450064，China；2.CPC Kaifeng Municipal Party School，Kaifeng Henan 475001；3a.College of Computer and Information Engineering；3b.Henan Key Laboratory of Big Data Analysis and Processing；3c.Henan Engineering Research Center of Intelligent Technologyand Application，Henan University，Kaifeng Henan 475004，China)AbstractAbstract：：In view of the problem of low computational efficiency in multi-mode Synthetic Aperture Radar(SAR) imaging processing, a parallel acceleration method is proposed for multi-mode SAR imagingbased on Graphic Processing Unit(GPU). In order to make full use of GPU's memory resources andimprove the efficiency of the algorithm, in the parallel computing part of the algorithm, the large-scaledata parallel is carried out in the matrix transposition and matrix multiplication by using shared memory.The experimental results show that the algorithm greatly improves the efficiency of multi-mode SARimaging, and the maximum acceleration ratio reaches 55.62, which solves the problem of low utilizationof GPU.KeywordsKeywords：：Synthetic Aperture Radar；Graphic Processing Unit；multi-mode；parallel acceleration合成孔径雷达(SAR)在军事和民生领域应用广泛。

高分辨率宽测绘带Scan SAR压缩感知成像算法研究

ｒａｄａｒ（ＳＡＲ）．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｗｉｄｅｓｗａｔｈｇｒｏｕｎｄｉｍａｇｅｓ，ａｐｏｓｓｉｂｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＳｃａｎｍｏｄｅ
了所提出方法的有效性。
关键词：压缩感知；合成孔径雷达；扫描模式；宽测绘带；高分辨
中图分类号：ＴＮ９５７．５２文献标识码：Ａ文章编号：１００３ — ０５３０（２０１３）０４ — ０４６６ — ０８
摘
Байду номын сангаас
要：高方位向分辨率和宽测绘带对合成孔径雷达（ＳｙｎｔｈｅｓｉｓＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ，ＳＡＲ）系统设计提出了矛盾的要
求。为获得高分辨率宽测绘带地面图像，提出了一种基于扫描模式ＳＡＲ（ＳｃａｎＳＡＲ）及压缩感知（ＣｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅＳｅｎｓｉｎｇ，ＣＳ）理论的解决方法。ＳｃａｎＳＡＲ可获得宽测绘带，然而各子测绘带方位向照射不完整，导致了低的方位
ＷＡＮＬｉ．１ｉＺＵＯＷｅｉ．ｈｕａ。，
（１．ＤｅｐａｔｒｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕａｉｈｕａ，Ｈｕｎａｎ４１８０００，Ｃｈｉｎａ；

SAR成像理论及Matlab仿真

1.1 SAR发展简史
1953年，在美国密西根大学举办的暑期讨论会上，许多学者提出了利用载机运动可将雷达的真实天线综合成大孔径的线性天线阵列的新概念。
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1.1 SAR发展简史
1960年4月，美国在华盛顿机场进行机载合成孔径成像雷达实验取得成功，诞生了国际上第一部合成孔径雷达。
角分辨率
同一距离上，区分两个相邻目标的最小角度
波束宽度
D

实孔径分辨率
a

R0

R0
D
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1.3 二维高分辨
多普勒频率
发射信号
s(t) a(t) exp( j2 f0t)
雷达到目标的距离
R(t) R0 vt
接收的回波
sr
第三章第1，2节和第四章第1，2，3，7节的内容
保铮，《雷达成像技术》
第五章中5.1，5.2和5.3节的内容
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第一讲 SAR成像基本理论
SAR发展简史 SAR的定义二维高分辨 SAR分类
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1.1 SAR发展简史
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1.1 SAR发展简史
2007年12月，RADARSAT-2卫星在哈萨克斯坦拜科努尔基地发射升空，它是一颗搭载C波段传感器的高分辨率商用雷达卫星，由加拿大太空署与MDA 公司合作。
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1.1 SAR发展简史

多通道SAR运动目标检测技术研究

单位代码： 10293 密级：硕士学位论文论文题目：多通道SAR 运动目标检测技术研究1015010205 杨筱筱龚清勇通信与信息系统移动通信与无线技术工学硕士学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期Moving Target Detection for Multich -annel SAR SystemThesis Submitted to Nanjing University of Posts and Telecommunications for the Degree ofMaster of Master of EngineeringByXiaoxiao YangSupervisor: Prof. Qingyong GongMarch 2018南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。

研究生学号：____________ 研究生签名：____________ 日期：____________南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。

本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。

涉密学位论文在解密后适用本授权书。

研究生签名：____________ 导师签名：____________ 日期：_____________摘要合成孔径雷达（SAR）可以用来检测地面目标，已经广泛的应用在军事和民用领域，成为了信号处理和检测技术的研究热点。

星载多通道SARInSAR成像处理技术研究

星载多通道SAR/InSAR成像处理技术研究星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)和干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)因其全天时、全天候的工作特点在军用和民用领域发挥了巨大作用,而传统SAR系统面临着“最小天线面积限制”,无法同时实现高分辨率和宽测绘带(High-Resolution and Wide-Swath,HRWS)成像,多通道SAR 系统是突破上述限制的有效手段,逐渐成为遥感领域的研究热点。

随着多通道SAR的发展,多通道InSAR也得到了广泛关注。

本文针对多通道SAR和InSAR数据处理中的若干关键技术进行了深入研究,论文的主要内容和创新点概括如下:(1)方位多通道SAR成像处理关键技术第三章针对方位多通道成像处理中的关键技术展开研究,首先建立了方位多通道SAR回波信号和通道误差模型,然后针对星载方位多通道SAR系统通道相位偏差估计问题,本文提出了一种基于多普勒谱优化的通道相位偏差估计算法。

该算法以重构的方位向多普勒谱为目标函数,采用牛顿迭代法或者迭代的最小化过程来优化得到通道间的相位偏差。

基于仿真数据和实测数据的实验验证了该算法的有效性。

然后,本章对比分析了传递函数法和空时阵列处理法在方位无多普勒模糊重构方面的性能,为无多普勒模糊重构算法选择提供建议。

(2)俯仰多通道SAR成像处理关键技术第四章针对俯仰多通道成像处理中的关键技术进行了深入研究,首先建立俯仰多通道信号模型,然后针对俯仰向通道间相位偏差估计问题,提出了两种估计方法:提出了一种基于图像相关的俯仰通道相位偏差估计方法,该算法首先利用俯仰向通道接收数据之间的相关性,对相邻通道间聚焦成像后的SAR复图像进行干涉处理得到相邻通道间的干涉相位,该相位中包含地形相位和通道间相位偏差;然后对干涉相位作干涉处理得到相邻通道干涉相位的差分相位,去除地形相位后,得到通道间相位偏差的差分相位,此时只能得到通道相位偏差的相对值;最后,基于图像最大对比度优化算法确定各通道的相位偏差。

26966815_多成像模式下舰船目标SAR成像仿真

2022年4月第50卷第2期Apr.2022Vol.50No.2现代防御技术MODERN DEFENCE TECHNOLOGY多成像模式下舰船目标SAR成像仿真*张寅，范君杰，闫钧华，章琪琪，夏翀翔（南京航空航天大学a.空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室；b.航天学院，江苏南京211106）摘要：针对典型工作模式下舰船目标SAR（synthetic aperture radar）成像仿真应用，建立了条带模式、聚束模式、扫描模式下电磁信号发射与回波传输模型。

基于面元法将舰船目标三维模型划分为多个三角形面元，利用弹跳射线法计算舰船目标各面元的一次散射和多次散射，仿真SAR回波信号。

采用距离多普勒成像算法消除回波混叠，得到SAR仿真图像。

最后，对舰船目标进行多成像模式、多成像角度的仿真实验，并将仿真图像和哨兵一号A星的实测图像进行对比。

仿真结果表明，提出的方法能仿真较为真实的舰船目标SAR图像。

关键词：合成孔径雷达；成像仿真；舰船目标；弹跳射线法；距离多普勒；面元法doi：10.3969/j.issn.1009-086x.2022.02.015中图分类号：TN957.52；TP391.9；TJ01文献标志码：A文章编号：1009-086X（2022）-02-0113-08SAR Imaging Simulation of Ship Target in Multi-Imaging ModeZHANG Yin，FAN Jun-jie，YAN Jun-hua，ZHANG Qi-qi，XIA Chong-xiang（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，a.Key Laboratory of Space Photoelectric Detection and Perception，Ministry of Industry and Information Technology；b.College of Astronautics，Jiangsu Nanjing211106，China）Abstract：Aiming at the SAR（synthetic aperture radar）imaging simulation application of ship tar‑gets in typical working modes，the electromagnetic signal emission and echo transmission models in strip mode，spotlight mode，and scan mode are established.Based on the panel method，the three-dimensional model of the ship target is divided into multiple triangular panels.The Shooting and Bounc‑ing Ray algorithm is used to calculate the primary scattering and multiple scattering of each panel of the ship target，and the SAR echo signal is simulated.The range-Doppler imaging algorithm is used to elimi‑nate echo aliasing and obtain SAR simulation image.Simulation experiments of multiple imaging modes and multiple imaging angles are performed on the ship target，and the simulated images are compared with the actual image of Sentinel-1A.The simulation results show that the proposed method can simulate more realistic SAR images of ship targets.Keywords：synthetic aperture radar（SAR）；imaging simulation；ship target；shooting and bouncing ray；range-Doppler；panel method☞仿真技术☜*收稿日期：2021-09-02;修回日期：2021-12-28基金项目：中央高校基本科研业务费资助（NJ2020021）；中央高校基本科研业务费资助（NT2020022）；国家自然科学基金资助(61705104)；江苏省自然科学基金资助（BK20170804）第一作者简介：张寅（1986-），男，江苏镇江人。

一种基于频率步进sar雷达的多通道相位补偿方法

一种基于频率步进SAR雷达的多通道相位补偿方法在雷达成像领域，频率步进合成孔径雷达（SAR）技术是一种重要的合成孔径雷达成像技术，它通过逐步变化的中心频率来合成长脉冲。

具有大视场、高分辨率以及对地面目标具有高度穿透能力的特点。

然而，在频率步进SAR雷达成像过程中，由于地物散射信号受到地形、树木等因素的影响，导致接收信号的相位存在失真，进而影响成像质量。

如何有效地进行多通道相位补偿成为了重要的研究方向之一。

针对以上问题，科研人员提出了一种基于频率步进SAR雷达的多通道相位补偿方法，旨在提高雷达成像的质量和可靠性。

该方法主要包括以下几个步骤。

对接收到的原始SAR信号进行预处理，包括参数校正、去斜校正和多通道干涉处理。

利用多通道数据的相位差异性，对信号相位进行补偿。

在此过程中，需要通过建立地面多通道散射模型，分析和估计信号的相位失真情况，从而确定相位补偿的策略和方法。

应用适当的信号处理算法，对相位进行修正，确保成像的准确性和可靠性。

进行成像重建，得到高质量的SAR雷达图像。

相比于传统的单通道相位补偿方法，基于多通道的相位补偿方法能够更好地考虑地物散射信号的复杂性和多样性。

通过充分利用多通道信息，对相位失真进行准确的建模和估计，从而实现更精准的相位补偿。

多通道相位补偿方法在提高成像质量和雷达成像可靠性方面具有明显的优势和潜力。

在我看来，这种基于频率步进SAR雷达的多通道相位补偿方法不仅在理论上具有重要意义，而且在实际应用中也具有广阔的发展前景。

随着雷达技术的不断创新和进步，相信这一方法将在军事侦察、资源勘探、环境监测等领域发挥重要作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。

基于频率步进SAR雷达的多通道相位补偿方法是一种具有重要意义和广泛应用前景的技术手段，其研究和应用将在雷达成像领域产生重要的影响和推动作用。

希望未来能够有更多的科研人员投入到这一领域的研究中，进一步完善和推广这一方法，为我国在雷达技术领域的发展做出更大的贡献。

SAR的点目标仿真合成孔径雷达SAR的点目标仿真一.SAR原理

合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真一． S AR 原理简介合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar ，简称SAR)是一种高分辨率成像雷达技术。

它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率，利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率，从而获得大面积高分辨率雷达图像。

SAR 回波信号经距离向脉冲压缩后，雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：2r rC B ρ=，式中r ρ表示雷达的距离分辨率，r B 表示雷达发射信号带宽，C 表示光速。

同样，SAR 回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：a a av B ρ=，式中a ρ表示雷达的方位分辨率，a B 表示雷达方位向多谱勒带宽，a v 表示方位向SAR 平台速度。

二． S AR 的成像模式和空间几何关系根据SAR 波束照射的方式，SAR 的典型成像模式有Stripmap(条带式)，Spotlight(聚束式)和Scan(扫描模式)，如图2.1。

条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像最简单最有效的方式；聚束式成像是在一次飞行中，通过不同的视角对同一区域成像，因而能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最复杂。

图2.1：SAR 典型的成像模式这里分析SAR 点目标回波时，只讨论正侧式Stripmap SAR ，正侧式表示SAR 波束中心和SAR 平台运动方向垂直，如图2.2，选取直角坐标系XYZ 为参考坐标系，XOY 平面为地平面；SAR 平台距地平面高h ，沿X 轴正向以速度V 匀速飞行；P 点为SAR 平台的位置矢量，设其坐标为(x,y,z)； T 点为目标的位置矢量，设其坐标为(,,)T T T x y z ；由几何关系，目标与SAR 平台的斜距为：(PT x =由图可知：0,,0T y z h z ===；令x vs =⋅，其中v 为平台速度，s为慢时间变量（slow time ），假设T x vs =，其中s 表示SAR 平台的x 坐标为T x 的时刻；再令r =，r 表示目标与SAR 的垂直斜距，重写2.1式为：(;)PT R s r = =(;)R s r 就表示任意时刻s 时，目标与雷达的斜距。

SAR成像理论及Matlab仿真-第一讲

1.3 二维高分辨
距离分辨率
距离上，区分两个相邻目标的最小距离
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2011-11-14
1.3 二维高分辨
距离高分辨
通过发射大时宽带宽积信号实现
cτ 0 c ρr = ≈ 2 2B
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1.3 二维高分辨
方位分辨率
方位(横向)上，区分同一距离单元内两个相邻目标的最小距离。
类比于距离向，方位向也是一个线性调频信号
高分辨
则方位向信号的多普勒带宽为：
2v 2 Ls 2v Ba = f drTs = ⋅ = λ R0 v D
类比于距离向，方位向分辨率为：
ρa =
v D = Ba 2
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SAR分类 1.4 SAR分类
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3000 100 45 0.03125 1.5 20 60 100 1000 1 1 (3000,0)
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SAR回波Matlab仿真实验回波Matlab 2.5 SAR回波Matlab仿真实验
实验内容
(1) 根据仿真参数，产生点目标的SAR回波，绘出菲涅尔衍射图； (2) 绘制某一个脉冲回波的时域信号波形及其相位； (3) 绘制(2)对应频域信号的波形及其相位。
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SAR回波信号模型 2.3 SAR回波信号模型
正交混频
s (t ) = A cos [ 2π f c t + ϕ (t ) ]
低通滤波器
1 A cos [ϕ (t ) ] 2
sref (t ) = cos(2π f c t )

基于多通道重构的SAR方位的性能分析和算法研究

基于多通道重构的SAR方位的性能分析和算法研究摘要：SAR DPCMAB（方位向多相位中心多波速模式）能够提高方位向采样率，同时却带来非均匀采样的问题，通过频谱重构算法能够有效的恢复原信号频谱。

但是在SAR 传感器运行过程中存在通道特性不一致，采样时刻偏差，噪声等干扰因素，导致重构后的信号出现频谱噪声，重构精度收到影响。

研究一种基于方位向相位中心偏移天线技术的机载SAR实现方法。

通过在方位向上安置相位中心偏移的多个波束来降低系统对脉冲重复频率的要求，从而在保证方位向分辨率不变的条件下能够扩展机载SAR的测绘带宽。

针对由PRF的变化造成的方位信号非均匀采样，采用多通道重构算法来恢复均匀采样信号。

并以两通道机载SAR为例，通过仿真实例验证该算法的有效性。

关键词：多通道重构；SAR；非均匀采样中图分类号：TN957.51 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1020097－030 引言合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）具有全天时，全天候的对地观测能力，已经广泛应用于军事侦察、地质勘查、地形测绘等领域。

随着SAR技术的发展，搭载平台也相应出现多样性。

SAR在科研、民用和军用方面发挥着日益重要的作用，但是SAR技术的广泛应用也带来了新的问题，其中方位向的非均匀采样就是SAR获取方位高分辨率面临的关键问题之一。

SAR DPCMAB模式通过增加空间采样率换取时间采样率的提高，有效的解决了星载SAR的高分辨率和宽测绘带之间的矛盾，但是却对传感器速度、PRF、天线尺寸提出了更高的要求，任何偏差都会导致方位向信号的非均匀采样。

非均匀采样会导致信号的脉压结果出现成对回波，即产生虚假目标，严重影响对SAR 图像的理解，因此需要对其进行均匀重构。

目前，对非均匀信号重构的方法有很多，主要分为两类：频域重构法和时域重构法。

由于SAR 信号为带限信号，在进行方位向处理时，一般都先将方位向信号变换到频域，且理论和实践表明，频域重构算法的重构精度也较高，因此频域重构算法对于SAR方位向非均匀信号重构是一种较好的选择。

星载高分辨_多模式SAR的建模仿真和总体设计

文章编号:100621630(2001)0420002205星载高分辨、多模式SAR 的建模仿真和总体设计谢亚楠收稿日期:2000209212;修回日期:2001201221 基金项目:得到S 286322基金的资助(20.5.2.2) 作者简介:谢亚楠(1962-),男,工学博士,研究领域:雷达总体设计。

(上海航天技术研究院804所,上海　200082) 摘　要:阐述了星载合成孔径雷达(SAR )的常用工作模式,即聚束式、条带式、扫描式和干涉式SAR 的概念、设计考虑和常用设计公式。

通过建立模型,对高空间分辨率、多工作模式SAR 的系统集成和总体设计进行了计算机仿真,用该套软件模拟了六套在轨运行的星载SAR 系统参数和分系统指标,仿真结果与公布数据非常吻合。

关键词:星载合成孔径雷达;计算机仿真;多模雷达;总体设计中图分类号:TN958.7 文献标识码:AThe Simulation and Design of High R esolution and Multimode Spaceborne SARXIE Ya 2nan(No.804Institute of SAST ,Shanghai 200082,China )Abstract :This paper describes the concepts ,considerations and formulas in designing spotlight synthetic aperture radar (SAR ),stripmap SAR ,ScanSAR and InSAR.With the formed models ,the system integration and complex design of high spatial resolution and multimode SAR are simulated by computer.The simulated results of six SAR satellites in orbit tally with published system parameters.K eyw ords :Synthetic aperture radar ;Computer simulation ;Multimode radar ;System design0　引言1978年世界第一颗星载合成孔径雷达———Seasat 发射以来,各种星载SAR 陆续发射升空。