张德泽 范威

（水声对抗技术重点实验室，上海，201108）

宽带信号的广泛应用与阵列规模的扩大使得水声信号处理中的数据量不断增加，高效计算问题逐渐成为制约水声信号处理发展的关键技术难题之一。阵列信号的波束形成算法就是其中典型的大规模计算问题，多基元阵列信号数据量巨大，计算复杂的特点使其很难在常规 CPU平台上实现高效处理，而采用DSP元件的信号处理机等设备虽然满足计算资源需求，但却具有成本高昂，开发难度较大，升级困难等缺点[1]。GPU是一种高效的通用平台并行计算协处理器，利用 GPU并行计算加速水声信号的处理是当前的研究热点之一。相对于 DSP或FPGA，GPU平台具有通用性强、易开发和易升级等优势，且可与CPU形成异构计算，进一步提升数据处理效率[2]。本文基于NVIDIA公司生产的GPU平台与CUDA编程模型，实现了线阵信号的频域宽带波束形成算法。

1 频域宽带波束形成

波束形成的主要功能是对信号进行空域滤波，提高信号的信噪比，估计信号方位[3]。在时域上，波束形成算法是一种卷积运算，根据线性系统理论，可将其转化到频域变为乘积运算。图1为频域宽带波束形成算法原理[4]。

设各阵元原始输入信号为[x1(t),x2(t),…xN(t)]，其中N为阵元数。算法第一步采用傅里叶变换将各阵元的时域信号转换到频域，得到信号频率分量：

式中，k为频域数据点，k=0,… ,L- 1，l为时域数据点，L为每段数据总点数。

图1 频域宽带波束形成

随后计算阵列信号在各方位角和各频点处的相位偏移矩阵。……