综合孔径辐射计阵列排布优化并行算法研究

合成孔径成像算法的并行实现并行化处理分析与DAS等传统的超声内镜成像算法相比，SA算法成像质量好，图像分辨率高，但同时其运算过程也更为复杂，且需要对大量回波数据进行处理。

如果采用传统的串行计算模式进行运算，那么该算法的实现过程将会非常耗时，系统的实时性无法保证。

相控阵超声内镜发射系统由发射电路、选通电路及限幅电路三部分组成，其主要作用是通过脉冲激励、阵元选通，完成超声波信号的相控发射，实现对被测物体的合成孔径扫描。

该系统以FPGA为控制核心，其中，发射电路的主要作用是产生带有延时的高压激励脉冲；选通电路采用4块MAX4968芯片，通过电路复用的方式，实现激励脉冲的16路转64路阵元选通，以激励超声换能器阵元产生超声波；限幅电路通过并联限幅的方式将电压钳制在±0.7V的范围内，消除了高压激励脉冲对后端接收系统的影响，保证回波信号能够几乎无衰减的进行接收与传输因此，为了能够快速实现SA算法，本文基于CUDA并行计算平台对SA算法作如下并行化处理分析：具体实现流程本文采用“CPU+GPU”的联合编程模式。

其软件架构为“MATLAB+CUDA”的混合编程架构。

其中，CPU端主要使用MATLAB进行回波数据的读取及最终结果的显示；GPU端使用CUDA编程计算平台完成SA算法的并行化处理。

具体的实现流程如图4-5所示。

首先，在CUDA中使用cudaMalloc()函数为待处理的回波数据分配全局内存；然后，通过调用cudaMemcpy()函数完成回波数据的传输，需要注意的是，在使用该函数时，要将最后一个参数设置为“cudaMemcpyHostToDevice”，以确保数据的传输方向是从CPU至GPU；通过使用两个核（kernel）函数，分别完成低分辨图像的求解和高分辨率图像的合成，其中，使用__shared__关键字为权值函数开辟共享内存；接下来，再次使用cudaMemcpy()函数，使处理后的结果自GPU传输至CPU，此时该函数的最后一个参数应设置为“cudaMemcpyDeviceToHost”；最后，释放显存空间，并在主机端对重构的高分辨率图像进行显示。

专利名称：一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法
专利类型：发明专利
发明人：卢海梁,李一楠,王佳坤,宋广南,李鹏飞,杨小娇,吕容川,李浩,胡泰洋
申请号：CN201811080970.1
申请日：20180917
公开号：CN109239699A
公开日：
20190118
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法，该系统是由多个小型综合孔径微波辐射计系统按照一定分布式结构排列组成的，整个系统的空间分辨率是由整个分布式排列天线阵的最大物理尺寸决定的。

所有小型综合孔径微波辐射计系统的硬件结构是完全相同的，其包括天线阵列、接收机通道阵列、信号采集子系统、子带划分子系统、相关处理子系统、亮温反演子系统、星间通信子系统等。

整个系统采用分布式架构，具有机动、灵活、冗障能力强等优点；同时降低了系统制造难度、便于量产，可降低单个系统的成本。

申请人：西安空间无线电技术研究所
地址：710100 陕西省西安市西街150号
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：范晓毅
更多信息请下载全文后查看。

综合孔径辐射计同心圆形阵排列优化综合孔径辐射计同心圆形阵排列优化王莉莉;黄全亮;胡飞;朱冬;廖志强【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2016(035)003【摘要】Using the particle swarm optimization algorithm (PSO) to optimize the concentric circular array (CCA) composed of many rings in the synthetic aperture interferometric radiometer (SAIR) system, the lower peak sidelobe level (PSLL) was obtained in the field of view. Optimization results show that optimized CCA’s PSLL is much lower and the antennas’ number is smaller than those of one-ring CCA under the same system spatial resolution conditions. Based on the above theory, a simple 2-rings CCA optimization design and related simulation were presented.%使用微粒群优化算法（PSO），对干涉式综合孔径微波辐射计（SAIR）系统中带有多个圆环的同心圆形阵（CCA）进行优化处理，以获得在视场范围内较低的峰值旁瓣电平（PSLL）。

优化结果显示，在同样的系统空间分辨率条件下，优化后的CCA比未优化的仅有一个圆环的CCA 具有更低的PSLL和更少的天线个数。

基于上述理论，给出了一个简单的2环CCA优化设计和相关仿真来进行说明。

基于分布式综合孔径辐射计的非对称量化方法及系统一、概述随着信息技术的不断发展，遥感技术在各个领域的应用越来越广泛。

而在遥感技术中，分布式综合孔径辐射计作为一种新型的遥感设备，具有较高的分辨率和精度，被广泛应用于地球观测和气象预报等领域。

针对分布式综合孔径辐射计在量化方法方面存在的不足，本文提出了一种非对称量化方法及相应的系统，以解决当前分布式综合孔径辐射计的量化问题。

二、分布式综合孔径辐射计的非对称量化方法分布式综合孔径辐射计在进行辐射测量时，常常需要对不同方向的辐射信号进行量化处理。

传统的对称量化方法对所有方向的辐射信号都采取相同的处理方式，但这种方法忽略了不同方向辐射信号的差异性，容易造成信息损失。

本文提出了一种非对称量化方法，即根据不同方向的辐射信号特点，采取不同的量化处理方式，以最大限度地保留辐射信号的信息。

三、非对称量化方法的技术实现针对分布式综合孔径辐射计的非对称量化方法，需要设计相应的系统来实现。

需要设计并搭建合适的硬件设备，包括多通道数据采集模块、信号处理模块和数字量化模块等。

需要编写相应的软件程序，实现对不同方向辐射信号的分析和处理。

通过对实际辐射信号的采集和处理，验证非对称量化方法的有效性。

四、系统的优势和应用前景与传统的对称量化方法相比，非对称量化方法具有更高的精度和分辨率，能够更准确地反映地球辐射的实际情况。

这种方法也具有更好的适应性和通用性，能够应用于不同场景和环境下的辐射测量。

非对称量化方法在地球观测、气象预报、环境监测等领域具有广阔的应用前景。

五、总结本文针对分布式综合孔径辐射计的量化问题，提出了一种非对称量化方法及相应的系统设计。

经过实验验证，这种方法可以有效地提高辐射信号的量化精度和分辨率，具有较好的应用前景。

希望有关领域的专家学者能够对本文提出的方法和系统进行进一步的研究和改进，推动分布式综合孔径辐射计技朋术的发展和应用。

六、进一步研究和改进的方向在基于分布式综合孔径辐射计的非对称量化方法及系统的研究中，还有一些方面需要进一步探讨和改进。

基于系统函数优化的非规则天线阵列综合孔径辐射计亮温反演算法李育芳;胡秋林;李青侠;陈雄;赵锋;刘甡;丰励【摘要】为改善非规则天线阵列综合孔径辐射计反演图像质量,提出了基于系统函数优化的亮温反演方法.通过优化非规则天线阵列的系统函数,消除单元天线非规则排列对系统性能的影响,并在优化过程中引入正则化,稳定反演图像.为补偿正则化引起的反演图像质量损失,在反演算法中引入了迭代运算.仿真结果表明:所提出的反演算法能有效改善非规则天线阵列综合孔径辐射计的亮温反演图像质量,可应用于基于小卫星编队的分布式综合孔径遥感图像反演中,并能为基于小卫星编队的分布式综合孔径阵列优化提供理论基础.【期刊名称】《上海航天》【年(卷),期】2018(035)005【总页数】7页(P45-51)【关键词】综合孔径辐射计;非规则天线阵列;阵列因子;亮温反演;可见度【作者】李育芳;胡秋林;李青侠;陈雄;赵锋;刘甡;丰励【作者单位】华中科技大学电子信息与通信学院,湖北武汉430074;多谱信息处理技术重点实验室,湖北武汉430074;上海航天电子技术研究所,上海201109;华中科技大学电子信息与通信学院,湖北武汉430074;多谱信息处理技术重点实验室,湖北武汉430074;上海航天电子技术研究所,上海201109;上海航天电子技术研究所,上海201109;上海航天电子技术研究所,上海201109;湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北武汉430068【正文语种】中文【中图分类】TP722.60 引言微波辐射计是接收、处理物体辐射微波信号的专用设备[1-3],是一种新型的全被动探测手段。

与主动发射微波信号的雷达相比，其仅被动接收目标发射的微波辐射信号，隐蔽性较强；同时，微波信号能穿透云层等覆盖物[4]，受天气影响较小，能全天时、全天候工作，区别金属目标和周边环境的能力强。

因此，微波辐射计在目标探测领域得到了广泛的应用。

微波辐射计主要包括实孔径和综合孔径辐射计两类。

自旋式综合孔径微波辐射计稀疏阵列布局优化设计孙逢林;张升伟【摘要】该文针对自旋式综合孔径微波辐射计非均匀采样问题，提出新的阵列优化目标函数与阵列优化算法。

首先，针对Cornwell提出的基线距离乘积最大目标函数优化稀疏阵列会出现基线中心与边缘区域密集而过渡区域稀疏的问题，该文提出修正的电荷最小能量分布目标函数以及基于最小误差网格剖分的方法。

针对标准的粒子群优化(PSO)算法历史最优个体位置更新速度慢，容易陷入局部极小值的缺点，提出具有量子体制的雁群粒子群优化算法。

该算法具有速度快、收敛精度高的优点。

数值分析结果表明利用该文引入的目标函数优化的基线比距离乘积最大目标均匀，并且基于最小误差网格剖分的方法对应的重构图像更精确。

该方法为实际自旋式稀疏阵列的设计与应用提供依据。

%This paper proposes two novel objective functions and a new heuristic optimization algorithm for rotating synthetic aperture passive imaging system which has non-uniform sampling scheme. Firstly, this paper introduces two objective functions named modified minimum electric charge energy and minimum error gridding, while the mostly used maximum baselines distance product objective function introduced by Cornwell will results in dense baseline distribution in centric and boundary area but sparse in the middle. To overcome the problem of updating global best position slowly, rising the risk of being trapped in local extremum by standard Particle Swarm Optimization (PSO), this paper introduces the novel Quantum-Goose Particle Swarm Optimization (QGPSO), which outperforms the existing method of global exploration efficiency and accuracy. Numericalsimulations validate that these two functions provide more uniform radial baseline distribution and minimum error gridding objective function provides the most accurate reconstructed image. This method proposes reference for practical design and application of rotating thinned array.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】6页(P2491-2496)【关键词】干涉式被动成像系统;自旋式稀疏阵列设计;量子雁群粒子群优化算法【作者】孙逢林;张升伟【作者单位】中国科学院微波遥感技术重点实验室中国科学院空间科学与应用研究中心北京 100190; 中国科学院大学北京 100190;中国科学院微波遥感技术重点实验室中国科学院空间科学与应用研究中心北京 100190【正文语种】中文【中图分类】TP722.6干涉式微波被动成像技术于上世纪80年代从射电天文引入到对地观测。

镜像综合孔径辐射计阵列排布和图像重构方法研究综合孔径微波辐射成像技术是一种干涉测量成像技术,它利用一个稀疏阵列来代替大的实孔径天线,克服了实孔径天线体积大、重量大的缺点,具有无需机械扫描就能对场景进行瞬时成像的能力,因此具有广泛的应用前景。

但随着实际应用对成像性能要求的不断提高,该成像技术也暴露出了其系统结构和信号处理非常复杂的问题。

而近年来提出的一种新型的干涉测量成像技术——镜像综合孔径微波辐射成像技术,较好地改善了传统综合孔径成像技术中存在的缺陷。

镜像综合孔径微波辐射成像技术结合了双天线干涉测量技术和Lloyd镜面干涉测量技术,利用稀疏天线阵列和反射面,间接测量空间频率域的余弦可见度函数采样(双天线的相关输出是多个不同的余弦可见度的线性组合),再通过反演算法获得场景的亮温图像。

镜像综合孔径成像技术能极大地降低系统结构和信号处理的复杂度,且有效地提高系统空间分辨率性能。

但作为一种新型的成像技术,镜像综合孔径成像技术还存在着很多值得研究和完善之处,例如现有的稀疏阵列排布无法满足其成像要求,故而导致系统出现基线缺失和转移矩阵的秩严重缺失的问题,此外该成像技术的图像重构方法有着进一步研究的必要与改进的可能。

本文针对镜像综合孔径辐射计的阵列排布和图像重构方法进行了以下的研究：首先研究一维镜像综合孔径的阵列排布方法。

根据镜像综合孔径微波辐射成像基本原理,提出了镜像综合孔径阵列排布优化的三个基本准则：最大基线覆盖准则、最大秩准则和最少阵元数准则。

深入分析最大基线覆盖准则、最大秩准则与阵列尺寸之间的关系,还证明出最大秩准则是镜像综合孔径阵列排布的核心准则。

在此基础上,给出一维镜像综合孔径阵列排布优化的数学模型,并提出采用搜索算法来对该优化问题进行求解。

仿真结果表明：在相同的阵列尺寸条件下,一维镜像综合孔径系统能够获得的最大基线约为一维传统综合孔径系统的2倍,因此在系统分辨率性能上约有100%的提升；再者,为获取同的系统分辨率性能,一维镜像综合孔径系统的单元天线个数仅略有减小,但是由于其系统相关输出中无需同相/正交解调,使得其模数转换器数目和相关器数目都是传统综合孔径系统的一半,大大降低了系统的硬件复杂度。

综合孔径微波辐射计的发展与应用展望张琪;张光锋【摘要】本文简单介绍了综合孔径成像的基本原理,国内外干涉式综合孔径辐射计的发展现状,包括美国ES?RAR,欧空局SMOS卫星的主载荷MIRAS,中科院CASC/X,北京航空航天大学的BHU-2D,中科院GIM等,并对干涉式综合孔径辐射计的发展进行了总结与展望.【期刊名称】《河南科技》【年(卷),期】2018(000)025【总页数】4页(P63-66)【关键词】综合孔径微波辐射计;干涉式微波辐射计;展望【作者】张琪;张光锋【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094【正文语种】中文【中图分类】TL817;TP722.61 研究背景微波辐射计［1］是一个测量物体热辐射的高灵敏度、高分辨率的微波接收机［2］。

其通过接收地物自身的微波热辐射信号，获取相应目标的特征信息。

微波辐射计体积小，耗能低，能实现全天候监测，已被广泛应用于地球环境遥感、军事、医学等各个方面［3-5］。

与测量目标反射系数的主动式遥感设备（SAR雷达）不同，微波辐射计是一种测量目标发射性能的被动遥感设备，其探测结果与雷达成像形成良好的互补。

随着科技的发展，微波辐射计的功能也越来越强大，此时，空间分辨率的约束成为了限制其发展的关键因素。

对于传统的孔径微波辐射计来说，空间分辨率与接收天线口径的物理尺寸呈正相关，但过大的天线物理尺寸会造成制造困难、成本增加、难以机械扫描等严重问题。

为了解决天线物理口径的制约，合理提高微波辐射计的空间分辨率，学者们在设计微波辐射计过程中加入了在射电天文学中广泛应用的干涉式综合孔径成像技术，即干涉式综合孔径辐射计［6］。

天文学家在20世纪50年代首次将干涉式综合孔径成像技术应用在天文望远镜中，角分辨率得到了显著提高［7］。

80年代以来，综合孔径技术被应用到微波遥感当中，实现了对地观测，在被动微波遥感领域掀起热潮［8］。

综合孔径辐射计反演成像算法研究晁坤;陈后财;赵振维;吴振森【摘要】High efficiency image reconstruction and inversion algorithm is one of the key technologies for synthetic aperture radiometer. An improved method using subdivision of viewport is proposed for image reconstruction and inversion, in which the viewport is fractionized to a number of sub-viewport of rectangle areas in the algorithm, and the brightness temperature of sub-viewport is retrieved with method of Fourier transform relation between brightness temperature and Visibility Function. The theoretical proof and simulation analysis show that the effects of unavoidable system errors on image reconstruction and inversion are minimized by this method. Comparing with the BG algorithm indicates the validity and effectiveness of the new algorithm, and the computing speed is faster.%摘要高效的反演成像算法是综合孔径辐射计成像的关键技术之一。