用CUDA加速多波束测深系统波束形成

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用CUDA加速多波束测深系统波束形成

作者：高博

来源：《电子技术与软件工程》2016年第11期

摘要

通常信号处理中的波束形成计算都是在DSP或者FPGA上实现的，普通的PC机上无法实现实时波束形成。本文在CUDA架构下用GPU加速多波束测深系统的波束形成计算过程，在移动工作站上实现了测深数据的实时波束形成处理，具有开发周期短、成本低、计算能力可扩充的优点。

【关键词】CUDA多波束波束形成实时处理

1 引言

多波束测深系统是一种高效的水底地形测量系统。设备通过向水底发射一次信号，接收信号的回波来进行处理，得到测量平台两侧一条带上几百个采样点的深度数据。波束形成是多波束测深系统信号处理中一个非常重要的任务，往往耗费大量的计算资源，通常对这类数据的处理采用DSP来实现。然而这种DSP实时处理的方式具有投入大，研发周期长，板卡多，升级困难的缺点。由英伟达公司提出的CUDA（Compute Unified Device Architecture）计算架构，能使用标准的C来进行GPU编程，对大规模数据并行计算，不仅运行速度快，并行化程度高，还具有开发周期短、无需硬件设计调试、便于升级的优点。

本文通过CUDA技术对多波束测深系统的波束形成进行并行优化处理，大大提高了信号处理速度，从而在移动工作站上实现了多波束测深数据的实时波束形成处理。

2 多波束测深系统波束形成

考虑多波束测深系统中基阵接收位于远场的情况，即信号波前到达基阵时可看作平面波。在远场情况下对基带解调后的信号，采用基带延迟加相移波束形成。对于波束形成需要的时延补偿，其整数点采样部分，用时延实现，剩余的小数采样部分，用相移实现。

在远场平面波的假设条件下，以任意阵型M元阵，入射单频脉冲信号为例。假设第i号阵元上的接收信号经过基带解调后为xi （t），其中i=1，2，…，M，它的希尔波特变换（Hilbert）（t）。设信号原始频率为f0，接收信号经过基带解调后频率为fc，采样频率为

fs。若要形成θ方向的预成波束，根据常规波束形成的时延计算方法，可以计算出，第i号阵元需要补偿的时延，假定为τi （θ），其中i=1，2，…，M。采用基带信号的延迟加相移波束形成方法，则θ方向的预成波束输出为：

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