基于GPU的宽带信号干涉仪测向算法实现.pdf

信息技术 年第 期基于 的宽带信号干涉仪测向算法实现苗 峻 窦修全 郭海召(.中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄.河北省电磁频谱认知与管控重点实验室 石家庄)摘 要:在应用干涉仪算法测向时需要对多个接收信号进行逐一处理而且测向精度往往与本地样本库数据量正相关因此当需对大量信号进行高精度测向时常规的计算平台难以保证算法的实时性 针对以上问题提出一种优化的干涉仪算法能够在降低样本库数据量的同时保持较高的测向精度并探索了一种基于 并行计算的算法实现方式 经计算机仿真验证基于 实现的优化算法可将执行速度提升至 平台的十余倍关键词:信号处理 宽带测向 干涉仪 图形处理器 并行计算中图分类号:文献标识码:文章编号:():./.作者简介:苗峻()男硕士研究生工程师研究方向为阵列信号处理 (.):.:引 言干涉仪测向具有算法简单、精度高等优点在无线电频谱管理、电子对抗等领域中均有广泛应用 干涉仪的测向原理是:计算各阵元与参考阵元间接收信号的相位差将计算相位差与本地相位差样本进行比较通过搜索相位差拟合函数的极值获得信号的来波方向 由干涉仪测向原理可知传统干涉仪测向算法只适用于单一窄带信号 然而随着越来越多的宽基于 的宽带信号干涉仪测向算法实现 苗峻 等带信号(如跳频、扩频信号等)被应用到通信和雷达测 控 等 领 域 宽 带 测 向 系 统 应 运 而生 为了适应宽带信号的测向需求通常先将宽带信号划分为多个窄带信号(信道化)再分别对各窄带信号进行处理 信道化后的窄带信号数量可达万个以上导致宽带信号运算总量激增 然而传统干涉仪测向算法对信道化后的窄带信号只能逐一处理而且每个信号均需与本地样本库进行拟合计算对硬件处理平台提出了巨大挑战 为了进一步提升窄带信号处理技术的能效探索算法高效执行平台已成当前趋势 近年来(图形处理器)在通用科学计算领域得到了长足发展其强大的并行处理能力为上述问题提供了全新的解决思路本文针对宽带信号的高精度测向需求在深入理解干涉仪测向原理的基础上提出了一种优化算法并提出了一种基于 的宽带信号干涉仪测向算法的实现方式在探索测向算法高效执行平台的同时为 架构在实时宽带测向系统的研制和应用提供借鉴与参考 干涉仪测向模型采用如图 所示的 阵元的均匀线阵阵元编号为 为一条基线上的天线单元相邻阵元间距为 当以阵元 为参考阵元时阵元 接收到的入射信号可表示为:()()()()其中()为信号振幅()为信号相位图 单基线干涉仪测向模型此时第 个阵元接收到的信号可表示为:()()()()()其中表示第 个阵元与参考阵元的相对信号时延 在无线电通信中相比于相位变化信号振幅的变化相对缓慢因此信号包络在各阵元上的差异可忽略此时的()()则第 个阵元接收到的信号可表示为:()()()()将阵列接收信号表示为如下矢量形式:()()()()()()当入射信号的波长为 /方位角为时可表示为:()/()其中 为光速值为 /为信号频率信号波前到达天线阵元、时的相位差为则 /()由于阵列为等间距线阵可由式()可得:()()因此当阵列位置及信号频率确定时在搜索角度范围内(无模糊角度)可唯一确定一组相位差序列:()同时在本地保存选定 个频率和 个角度分布的相位差样本群作为本地样本数据库则数据库中含 ()个数据点当频率为、角度为 时的一组本地样本序列为:()其中 ()为样本库起始频率 为频率步进 为取值 的整数 ()为样本库起始搜索角度 为搜索角度步进 为取值 的整数 表示当频率为、方位角为 时阵元 与参考阵元 间的相位差之后可令接收信号相位差与本地样本库数据逐一拟合即:()()()()为干涉仪测向的空间谱函数 当信号的频率、来波方位角均与本地样本库中的数据匹配时有 此时在空间谱()()处产生全局最大值从而求解出信号的来波方位角基于 的宽带信号干涉仪测向算法实现 苗峻 等 干涉仪测向算法的优化.传统干涉仪算法由干涉仪测向算法原理可知由于计算出的阵列接收信号相位差需要与本地样本库中的相位差数据进行拟合所以由拟合函数计算出的方位角精度受本地样本库中角度搜索步进的影响下面通过仿真进行说明 当采用 阵元的线性 阵 列 布 阵 间 距 为 半 波 长 信 号 载 频 为来波角度为 本地样本库数据的角度搜索步进为 时得到的拟合函数空间谱如图、图 所示 从图中可以看出拟合函数能够准确地计算出真实来波方位角此时空间谱谱峰位置为 误差为 图 测向角度搜索步进为 时干涉仪空间谱图 角度搜索步进为 时的局部空间谱采用相同阵列形式当本地样本库数据的角度搜索步进为 时得到的拟合函数空间谱如图、图 所示 从图中可以看出空间谱函数能够较为准确地反应真实来波方位角此时计算得到的方位角为 误差为 采用相同阵列形式当本地样本库中角度搜索步进为 时得到的拟合函数空间谱如图、图 所示此时空间谱的谱峰位置出现在 处测向误差为 通过上述数据对比可知如果本地样本库中搜索角度分布密度较大时干涉仪测向算法在获图 测向角度搜索步进为 时干涉仪空间谱图 角度搜索步进为 时的局部空间谱图 测向角度搜索步进为 时干涉仪空间谱图 角度搜索步进为 时的局部空间谱得到高精度测向结果的同时处理平台计算量增加反之当本地样本库中搜索角度分布相对稀疏时处理难度降低的同时测向误差显著增大此时传统干涉仪测向算法需在性能和计算量上进行取舍 为了解决这一问题课题组提出了一种将数学插值模型应用于角度修正的优化干涉仪测向算法基于 的宽带信号干涉仪测向算法实现 苗峻 等 基于拉格朗日二次插值角度修正的干涉仪测向算法为了实现干涉仪算法在测向精度和计算处理难度上的平衡在降低数据量的同时获得较小的测向误差考虑通过数值拟合的方式对空间谱函数的计算角度进行修正通过观察图 及图 所示的干涉仪空间谱可以看出在空间谱函数的谱峰及其邻域内空间谱函数曲线接近二次函数的曲线形态因此综合拟合函数的计算量及对目标曲线的逼近效果课题组将测向角修正函数的最高阶次限定为二阶数值模型则选用拉格朗日二次插值模型拉格朗日二次插值模型是通过三个已知点构造二次多项式函数()来逼近目标函数()的拟合方法()表达形式为:()()其中、为常数 当已知函数过三点()()()时可得:()()()()当、三点互异时系数、有唯一解 此时可将式()表示为:()()()()()其中()为仅过点 的多项式函数即存在以下关系:()()()对于节点()构造的多项式函数()考虑函数的最高阶次不高于 且满足式()的函数关系因此()可表达为:()()()()()()同理可得:()()()()()()()()()()()将式()、()代入式()得:()()()()()()()()()()()()()()式()即为构造的拉格朗日二次插值函数下面应用插值函数对干涉仪测向角度进行修正并通过仿真验证算法优化后的性能同样采用 阵元线性阵列布阵间距为半波长信号载频为 来波角度为 当本地样本库中角度搜索步进为 时通过拉格朗日二 次 插 值 函 数 修 正 后 得 到 的 方 位 角 为 误 差 为 仅 为 修 正 前 的 当角度搜索步进为 时修正后的方位角 为 误 差 为 为 修 正 前的 进一步对优化干涉仪算法的测向误差进行验证分别将本地样本库中的角度步进设置为从 到 的不同分布在不同角度搜索步进下传统干涉仪算法与优化后的干涉仪测向算法的侧向误差对比如图 所示其中测向误差定义为计算角度与真实角度偏差的绝对值两种算法在特定步进下的测向误差取 次统计的平均值图 优化前后干涉仪算法在不同角度步进下的测向误差通过数据对比可以看出传统干涉仪算法在角度搜索步进增加时测向误差也随之增大优化后的干涉仪测向算法通过拉格朗日二次插值模型对测向角进行再修正使测向精度显著提高并能够在较大的角度搜索步进下依然保持较低的测向误差从而解决了传统干涉仪算法在工程应用中存在算法性能和计算量不能兼顾的技术问题基于 的宽带信号干涉仪测向算法实现 苗峻 等 干涉仪测向算法的 实现.基于 开发的 程序架构()为图形处理器而通常所说的 计算实际上是 和 的联合处理 在由 和 构成的异构计算平台中通常将 端称为主机将 端称为设备主机与设备端之间的 一般通过 总线完成数据交互在 端运行的函数被称为核函数在调用核函数时除了需要指明核函数中的线程总量外还需要指明线程的排列情况即线程网格和线程块 一个线程网格由多个线程块组成而线程块中又包含多个线程线程的调用总量则由线程网格数量与线程块数量的乘积确定而每个线程的标识又可以通过线程网络编号和线程块编号确定从而实现对每个线程的控制 程序的开发可通过包括、等在内的多种程序框架实现其中基于 实现的 程序框架执行步骤为:为主机端及设备端分配内存并初始化初始化主机端数据将核函数所需数据向设备端传输核函数在设备端进行并行计算将计算结果由设备端向主机端传输主机端对传回的数据进行处理释放主机端及设备端内存由此可见 的并行计算只是 联合处理过程中的一个环节只有将包括并行分解、数据传输、内存使用等各种相关因素综合统筹、合理规划才能充分发挥平台能效提高算法的执行效率 线程架构的存在使开发人员能够在不对 物理层面做深入了解的情况下在软件层面实现对 的应用和开发 一个 中可包含多个计算核心而每个计算核心都可支撑多个并行线程的处理正是因为这一特性使得 具有强大的并行计算能力为宽带信号的实时性测向提供了硬件基础.基于 的算法实现结合优化后干涉仪测向模型的算法逻辑及 平台的处理特性将算法程序设计为如图 所示的执行流程并将其中测向算法 端的核函数拆分为三个部分进行模块化函数封装便于独立调用及测向算法中间变量的监控和调试图 优化后的干涉仪测向程序流程(含调试程序)接下来对程序各个环节进行详细描述:端数据向 输入:作为算法程序的起始部分此处进行数据空间的分配及初始化同时考虑到在 联合计算过程中数据传输的执行耗时通常远大于一次并行计算的执行耗时因此为减少 端和 端之间数据传输的次数此处将用于存放本地样本库数据的内存空间一并作为实参传入 核函数信道化处理:为满足宽带信号的测向需求并充分发挥平台并行优势程序将信道化处理置于 端实现 将系统处理带宽预设为多个子频带每个线程负责处理一个信道(频带)的输出通过 标准库中的()进行数据的时频转换完成信道化处理 值得注意的是在 中是以“线程束”作为基本处理单元因此可将线程块内开启线程的数量设置为 的基于 的宽带信号干涉仪测向算法实现 苗峻 等整倍数提高平台运行效率频域谱峰搜索 相位差计算:将信号化处理后的频域数据作为输入定位该信道所在频带的谱峰位置并计算相位差得到该子频带下接收阵列各个单元的接收信号相对于参考阵元的相位差 为便于调试此处可将该子频带的谱峰位置以及接收相位差序列输出至 端进行监控与配合信号的计算数据进行比对相位差拟合 空域谱峰搜索:将计算得到的阵列接收信号相位差序列与本地样本库数据进行拟合得到各子频带下的测向空间谱通过空域谱峰搜索得到由拟合函数计算出的信号方位角考虑到在确定频带条件下接收信号相位差序列与本地库所有搜索角度的拟合计算量不大因此不再使用归约算法为每个搜索角度单独开启线程以减少 与 的数据交互次数从而节省程序总运行时长 为便于调试此处可将拟合值序列及空域谱峰位置输出至 端进行监控与配合信号的来波方位角进行比对二次插值修正:采用拉格朗日二次插值模型对拟合函数计算得出的方位角进行角度修正优化算法性能并保证算法在较大的角度搜索步进下依然获得较高的测向精度 端数据向 输出:输出经修正后的精确信号方位角考虑了算法及程序人员在测试时对程序及本地样本库进行调整的方便性当程序稳定后可将中间变量的输出省略进一步减少数据的双端交互传输提高程序执行效率简化后的程序流程如图 所示图 简化后的干涉仪测向程序流程 计算机仿真验证为验证在宽带信号条件下基于 的干涉仪测向算法是否具有效率优势课题组对相同数据条件下不同平台中的算法执行时间进行了统计和对比以下进行详细说明.参数设置采用 元均匀线阵阵列接收带宽为 阵元间距小于最高频带信号的半波长采样频率为 采样点数为 其中每个阵元接收数据为、双通道接收每个采样量化值以单浮点型变量表示.硬件条件 平台:平台:.性能对比通过 软件生成测试数据对相同数据条件下不同平台中的算法执行时间进行统计其中算法程序在各平台中的运行时间为 次统计的平均值 随着信号数据量的增加优化后的干涉仪算法程序由 单独处理和由 联合处理的对比情况如图、图 及表 所示图 优化后的干涉仪测向算法程序在不同平台中的执行时长图 基于 的程序实现在不同信号量下的加速比基于 的宽带信号干涉仪测向算法实现 苗峻 等表 优化后的测向算法程序在不同平台中的执行情况信号数/个 执行时间/执行时间/加速比 结合上述图表数据与 及 程序架构能够得到以下分析和结论:当信号量较小时 平台计算耗时反而高出 平台 这一现象的出现一方面是因为当并行计算量不高时在 异构计算模式中程序的访存时间占比较大即 间的数据交互耗时远大于并行计算另一方面的核心频率一般远低于 的主频当计算点数不多时 的串行循环处理能力依然优于此时 的并行优势未能充分体现随着信号数量逐渐增加基于 的测向程序加速比显著提升当信号个数为 时平台对算法的执行速度已经能够达到 平台的 倍 这是因为随着计算点数的增加 中的有限线程依然只能依靠串行循环执行使耗时急剧增加而在 中由于其多线程架构的存在线程数量能够动态适配增加的数据量因此除访存时间随数据量线性提升外核函数的处理时间并无显著增加此时 的并行处理优势得以充分体现由此可见对于宽带信号尤其是信道化处理后信号数量庞大的宽带信号基于 平台实现的干涉仪测向算法能够显著降低程序执行的总时长 结束语本文将拉格朗日二次插值模型应用于干涉仪算法中对拟合函数计算得到的方位角进行二次修正提高了干涉仪测向算法的测向精度且能够在较大的角度搜索步进(即较少的本地样本数据量)下依然获得较高的测向精度 经计算机仿真验证当本地样本库中角度步进由 增加至 时优化后算法的测向误差仅为优化前测向误差的 本文提供了一种基于 平台的干涉仪测向算法的实现方式并对算法在 平台和 平台的处理速度进行了对比得到结论如下:当信号量较少时 的串行循环处理能力依然优于 此时 的并行优势未能充分体现随着信号数量逐渐增加 的并行处理优势逐渐凸显基于 实现的测向程序执行加速比显著提升当信号增至 时处理速度可提升至原来的 倍因此在信号量较大时本文提出的干涉仪测向算法的优化方法及实现方式能够显著降低平台处理耗时增强测向系统的实时性从而为 架构在实时宽带测向系统的研制及工程应用提供借鉴和参考参 考 文 献:王云龙吴瑛.基于 的相关干涉仪算法实现.信息工程大学学报():.平良子王崇厚.无线电测向技术.电信技术研究():.刘思沉.短波宽带测向算法研究及其实现.西安:西安电子科技大学.冯啸羽.干涉仪测向的校准技术研究.西安:西安电子科技大学.韩广.干涉仪快速测向算法的研究与实现.郑州:解放军信息工程大学.韩广王斌王成.相关运算在相位干涉仪解模糊中的应用.声学技术():.王广松戴旭初.基于频域相关的宽带干涉仪测向新算法.航天电子对抗():.李福昌.宽带测向算法研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.赵春晖李刚李福昌.宽带测向研究现状及展望.哈尔滨工程大学学报():.():.(下转第 页)基于/结构的学生心理健康信息采集管理系统 韩赟量时 利用率增加趋势变缓这是因为学生越多占用的系统资源就会越多减缓了系统内存占比但系统性能仍处于可接受范围内能够满足实际的应用需求 系统易用性能检测结果如表 所示表 系统易用性能检测结果统计表序号检测内容完成度/界面控件快捷键操作界面颜色易识别程度各控件间的转换键切换控件数量不大于 个提交操作与取消操作下拉列表快捷键支持统一命名软件“专业性术语”菜单项前有直观的图表菜单项文字长度不超过 个汉字统一显示相同或近似功能的工具栏按钮菜单深度范围合理隐藏不可操作项根据表 可知系统易用性能检测结果的完成度均在 以上能够满足实际的应用需求 结束语为及时掌握学生心理健康状况以/结构为基本框架构建了一种学生心理健康信息采集管理系统 系统经加解密操作确保了信息安全通过各个模块的合作可安全高效获取健康状态信息 在后续研究中将调研学生的真实应用感受以此来精细化系统相关内容安全性方面可以同时借助/协议执行信息同步传递依据不同模块做出更安全的设计参 考 文 献:赵泽桐.高校大学生心理健康信息系统管理研究.智库时代():.柳林刘引涛.基于微信公众平台的高校学生心理健康管理系统设计.自动化技术与应用():.郑恒河.智能楼宇网络中冗余信息并行采集方法仿真.计算机仿真():.伏琰.云环境下启发式网络信息采集模型仿真.计算机仿真():.陈泽堃李强逯峻雨.一种弱/架构的计算迁移模型的设计与实现.计算机应用研究():.张秀阁梁宝勇.心理健康素质测评系统中国成年人核心心理健康素质量表剖面图的制作.心理与行为研究():.毛永梅李鹏程李哲君等.基于边界值分析法的用电信息采集终端谐波统计试验方法.内蒙古电力技术():.吕元民刘涛.基于云存储的多通道振弦采集系统.信息技术():.刘亚楠曹雨燕孙晓霞等.基于 的大容量并行通信数据采集处理系统.信息技术():.马彦宏张华峰赵雪梅.多源异构协议的用电信息采集模块设计及实现.信息技术():.(责任编辑:丁晓清)(上接第 页).():.():.:.陈祝明.软件无线电基础.北京:高等教育出版社:.刘利军.浅论无线电测向技术及其应用.中国高新技术企业():.(责任编辑:丁晓清)