基于CUDA的目標(biāo)與環(huán)境電磁散射快速算法.pdf

1、從電磁波發(fā)現(xiàn)至今，它的應(yīng)用已經(jīng)普及到了人類生活的方方面面，如在通信領(lǐng)域，電磁波可以承載大量的信息以光速傳播；在微波遙感方面，可以利用物體在不同波段的電磁波下表現(xiàn)出的特性分析其性質(zhì)。由于電磁波覆蓋的范圍廣，人們對其的研究也從未停止過，在目標(biāo)與環(huán)境的電磁散射研究中，人們越來越關(guān)注更高頻率下，物體的電磁散射特性。由于實(shí)際的研究對象都比較復(fù)雜，很難用解析的方法去分析精確解，一般利用一些數(shù)值算法或是近似算法去研究，模型的描述也是利用波長去衡量。一

2、般情況下，隨著觀測頻率的提高，描述同樣的模型需要體現(xiàn)更細(xì)節(jié)的東西，這就會極大地提高計算量，在沒有超級電腦的幫助下，用個人電腦(PC)很難完成計算任務(wù)。超級電腦使用價格昂貴，許多人研究用多臺PC聯(lián)合起來處理計算問題，但由于一些瓶頸存在，使得效果不是很理想。在2007年，NVIDIA公司推出了自己的一套通用并行計算架構(gòu)(CUDA)，使得開發(fā)人員可以很高效地在PC機(jī)上的另一個處理器單元—圖形處理器(GPU)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。NVIDIA公司在其

3、GPU上集成了成百上千個流處理器，這些流處理器可以并發(fā)執(zhí)行多條線程。由于這個流處理器都在同一芯片上，比多臺PC并聯(lián)的計算效率高得多，加上CUDA的編程操作簡單，使之在諸多領(lǐng)域中迅速推廣開。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在總結(jié)CUDA的并行架構(gòu)和計算要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，編制了輸運(yùn)理論模型、四路徑模型和基于互易性原理的計算模型在顯卡中的并行程序，分別計算了不同植被的電磁散射特性。根據(jù)計算過程分析了三種方法在并行計算時需要注意的問題，對比傳統(tǒng)中

4、央處理器(CPU)單線程程序加速效果明顯，達(dá)到了兩個數(shù)量級。⑵針對小斜率近似方法在粗糙面散射分析中的計算量大、難以實(shí)現(xiàn)高頻和大尺寸粗糙面散射特性計算的瓶頸，提出了小斜率近似的CUDA算法，計算了典型地面環(huán)境的電磁散射系數(shù)和動態(tài)海面的多普勒譜。結(jié)合CPU輔線程，提出CUDA優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)大尺寸粗糙面電磁散射的計算，并利用CUDA算法開展了海上艦船開爾文尾跡的多普勒譜特性研究。⑶開展了目標(biāo)電磁散射的矩量法和基于幾何光學(xué)與物理光學(xué)的高頻方法（

5、GO/PO）的CUDA算法研究。計算分析了一些典型目標(biāo)的電磁散射特性，特別是在GO/PO法的并行計算中，討論了精度對計算結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，單精度計算效率比雙精度計算效率高，但是對有的方法引入的誤差比較大，在做并行計算時需要同時考慮精度與效率的問題。⑷在粗糙面的合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像仿真中，成像算法本身的計算效率比較高，但是由于粗糙面的回波計算比較耗時，會造成成像仿真效率的整體低下。為此，論文利用CUDA并行加速模擬典型地表粗糙面

6、的合成孔徑雷達(dá)回波，達(dá)到了兩個數(shù)量級的加速效果,說明CUDA并行技術(shù)是計算回波的一種有效方法。并利用距離—多普勒(RD)算法計算仿真并對比了不同粗糙面的SAR圖像，討論了從仿真SAR圖像中分辯不同粗糙面的可行性。⑸目標(biāo)與地海環(huán)境復(fù)合電磁散射特性的研究始終是計算電磁領(lǐng)域中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。論文提出了基于CUDA架構(gòu)的GO/PO與小斜率近似的混合算法。計算了粗糙面上復(fù)雜目標(biāo)的雷達(dá)散射截面，對比分析了目標(biāo)與環(huán)境耦合場對總場的貢獻(xiàn)。并通過CUDA得