基于CUDA的導航雷達P顯多要素顯示技術?

徐 勇 嵇亮亮

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007）

基于CUDA的導航雷達P顯多要素顯示技術?

徐 勇 嵇亮亮

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007）

鑒于導航雷達視頻P顯顯示需求不斷提高，論文提出了一種基于CUDA的P顯多要素顯示方式，通過此方式，可以將雷達視頻、電子海圖以及ARPA信息進行疊加顯示，并具有較強的顯示靈活性；此外，論文采用了“分層繪制”和“整體更新”的機制，按需更新P顯顯示內容，降低了其更新頻率，提高了P顯繪制的效率，文章最后給出了應用效果。

導航雷達；電子海圖；P顯顯示；ARPA；并行處理；軟件化顯示

1 引言

船用導航雷達的主要作用是用于保障船舶的航行安全，尤其是在能見度低的霧天、雨天以及黑夜等情況下，其作用更為突出，通常情況下，導航雷達必須配備顯控終端協同工作［1～2］。操作員一方面可以通過終端顯示的雷達回波判斷船舶周圍的航行情況，另一方面，導航雷達的顯控終端一般也會提供強大的即自動雷達標繪儀（Automatic Radar Plotting Aid，ARPA）功能［3］，實時提供各種輔助信息，協助操作員做出正確的規避判斷。操作員通過PPI顯（Plan Position Indicator，即P顯）觀察雷達回波及ARPA指示，兩者疊加后呈現在終端顯示屏上［4］。有時候為了觀察的需要，還會疊加電子海圖，并隨著船舶位置、航向的改變實時更新顯示。

2 主要工作流程

導航雷達的主要工作流程如圖1所示，顯控終端采集雷達原始視頻，經過檢測跟蹤處理之后，產生目標點航跡等信息，顯示軟件將雷達視頻與ARPA信息疊加后在P顯顯示。一般情況下，顯示軟件具有雷達操控、雷達狀態顯示、目標告警、輔助標繪以及電子海圖疊加顯示等功能［5］。

3 P顯顯示需求

3.1 雷達視頻實時顯示

導航雷達雖然作用距離短，但是采樣率很高、天線掃描周期短、方位精度高，因此對其P顯顯示而言，單位時間內處理的數據量非常大［6］，而且，為了達到較好的觀察效果，還要求導航雷達視頻顯示具有回波平滑、增強以及尾跡顯示等效果。

圖1 導航雷達主要工作流程

3.2 ARPA相關信息顯示

ARPA功能有助于操作員更好地判斷本船的航行狀態，通常情況下，ARPA顯示交互的內容包括：跟蹤目標信息，含圖符、標牌、矢量線、監視標志、歷史航跡點等；測量標志信息，含距標環、電子方位線、活動距標環、平行指引線等；本船標志，含船艏線、矢量線、安全輪廓線、航向線等；告警標志，含目標CPA告警、錨位監視告警、不良回波告警、目標進入警戒區告警等；AIS信息顯示，含AIS圖符、歷史航跡點、激活或者休眠狀態、AIS與雷達航跡關聯結果等［7］。

3.3 電子海圖顯示

在單P顯顯示模式下，電子海圖一般同雷達視頻疊加顯示，基本顯示要求包括：多種海圖顯示要素的顯示及切換；不同光照環境下的顏色切換；安全等深線、指北針、比例尺等顯示；海圖放大、縮小、旋轉以及漫游功能等；航路設置以及偏航告警功能；海圖自定義標繪及標繪屬性設置等［8］。

4 傳統顯示處理方式

導航雷達的P顯顯示通常采用兩種實現方式，一種是基于專用硬件平臺實現雷達回波顯示，輔助以軟件繪圖實現二次信息顯示，兩者疊加后顯示整個P顯畫面；另外一種是基于純軟件化的方式實現雷達視頻及二次信息顯示。

基于專用硬件平臺的P顯顯示雷達回波顯示方面效率較高，但需專用的顯示處理電路予以實現，并且應用方式不夠靈活［9～10］，譬如在與二次信息疊加時，需要二次信息繪制時采用的顏色與之匹配，會影響到電子海圖的顯示效果，另外，由于運算寄存器的限制，無法實現無極縮放以及任意漫游等。

基于軟件化的P顯顯示通常是基于CPU實現雷達視頻的掃描變換，在顯示雷達視頻的同時將二次信息疊加，然后定時刷新顯示。相比較硬件實現而言，軟件化方法通用性好，如基于DirectX、OpenGL等技術手段。但是由于其采用的視頻繪制以及刷新機制，使得效率上有所欠缺，很難滿足高實時性要求［11～12］。

因此，本文考慮采用英偉達GPU強大的并行計算功能實現雷達視頻掃描變換［13］，并通過“分層繪制+整體更新”的方式實現整個P顯畫面的更新顯示。

5 基于CUDA的P顯實現

5.1 P顯分層機制

按照導航雷達顯控終端P顯顯示要素的特點及刷新周期的差異性，將P顯上繪制內容自下而上分為電子海圖、雷達視頻、測量標繪、AIS信息、點航跡信息等，如圖2所示。

圖2 P顯顯示圖層

5.2 雷達視頻掃描變換

導航雷達視頻顯示處理數據量非常龐大，但是邏輯運算卻非常簡單，本文采用英偉達GPU強大的并行計算能力代替CPU實現掃描變換，將雷達視頻按方位拷貝進顯存，在顯存中計算完成并輸出雷達回波顯示圖層。基于CUDA的雷達視頻掃描變換如圖3所示，GPU依據CPU輸入的雷達參數、P顯顯示畫面分辨率以及雷達視頻等信息，經過多線程并行計算后，輸出雷達視頻圖層供P顯顯示疊加使用。

5.3 P顯顯示更新方法

P顯“分層繪制+整體更新”機制，其主要步驟如下：

步驟一：按照5.1分層方式，在GPU內部為各種顯示要素單獨開辟了圖層，為各個圖層設置疊加信號量、疊加順序；

步驟二：在CPU中分配多個繪圖HDC（設備描述表的句柄），與GPU中的繪圖圖層與之一一匹配對；

圖3 基于CUDA的雷達視頻掃描變換

步驟三：當某一圖層需要更新時（譬如目標位置改變時，則需要更新其對應顯示圖層），在CPU端完成相應繪圖HDC改變；

步驟四：CPU完成繪圖HDC改變后，改變對應GPU圖層的疊加信號量狀態，通知GPU進行圖層更新；

步驟五：GPU依據圖層疊加順序，將當前更新完成的圖層同雷達回波進行疊加；

步驟六：采用顯示更新函數，將更新后顯示顯存中的數據通過顯卡顯示輸出。

P顯多種要素疊加顯示處理流程如圖4所示。

6 應用效果

圖5和圖6給出了采用本文所述方法的導航雷達P顯顯示畫面，其中圖5為整個P顯畫面的顯示，圖6為局部放大后的P顯畫面。

圖4 P顯多種要素疊加顯示處理

圖5 P顯多要素疊加顯示

圖6 P顯多要素疊加顯示（放大）

7 結語

本文基于當前流行的CUDA并行處理技術，實現了導航雷達P顯的雷達視頻、電子海圖以及ARPA信息等多種顯示要素疊加顯示，相比較傳統的基于硬件的掃描變換以及軟件化方法，本文的方法更加靈活高效，該方法已在多個項目中推廣應用，效果顯著。

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Multi Factor of P Display for Navigation Radar Based on CUDA

XU Yong JI Liangliang
（The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007）

In consideration of the requirements of the P display for navigation radar，a method with CUDA is proposed in this paper.With this method，the radar video，electronic chart，and ARPA message can be superimposed and displayed，and it has more flexibility.In addition，this paper adopts the mechanism of layered rendering and overall updating，update the display as needed，so it can reduce the frequency，and improve the rendering efficiency.In the end of this paper，the effect of the method is present.

marine navigation radar，electronic chart，P Display，ARPA，Compute Unified Device Architecture（CUDA），parallel processing，software for display

TN957

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.021

Class Number TN957

2017年4月9日，

2017年5月28日

徐勇，男，高級工程師，研究方向：雷達總體技術。嵇亮亮，男，高級工程師，研究方向：雷達數據處理。