基于并行計(jì)算技術(shù)的雷達(dá)電磁環(huán)境仿真平臺設(shè)計(jì)

劉肖靜,王 博,鄒廣超

(南京科瑞達(dá)電子裝備有限責(zé)任公司，南京 211100)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。雷達(dá)信號和通信信號瞬息萬變，信號動態(tài)范圍大，帶寬寬窄各異，調(diào)制方式千變?nèi)f化。此外，電磁脈沖、電磁干擾、雷電雨雪等自然環(huán)境的影響使得電磁環(huán)境極其復(fù)雜。[1]復(fù)雜的電磁環(huán)境是未來電子戰(zhàn)的基本特征，也是從傳統(tǒng)作戰(zhàn)方式向電子戰(zhàn)轉(zhuǎn)變必須研究的問題。作為電子戰(zhàn)裝備的應(yīng)用環(huán)境，電磁環(huán)境的研究對電子戰(zhàn)裝備的性能檢驗(yàn)、功能鑒定等都有重要的指導(dǎo)意義。

電磁環(huán)境的復(fù)雜性給其組成模塊的建模工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。建立的模型既要能模擬變化的電磁信號，也要能模擬變化著的自然環(huán)境。在現(xiàn)有串行設(shè)計(jì)方法下搭建的電磁環(huán)境仿真平臺，由于各模塊運(yùn)行之間的協(xié)調(diào)等待，不但計(jì)算時間長，而且不能逼近仿真電磁環(huán)境的實(shí)時變化，嚴(yán)重影響了電磁環(huán)境仿真的實(shí)時性設(shè)計(jì)。為了解決這個問題，本文研究了用于提升計(jì)算性能的并行技術(shù)。在分析了電磁環(huán)境組成后，搭建了基于并行計(jì)算技術(shù)的雷達(dá)脈沖信號電磁環(huán)境仿真平臺。經(jīng)過接入電子偵察仿真平臺測試，驗(yàn)證了該仿真平臺具備了模擬雷達(dá)電磁環(huán)境的功能，而且與串行設(shè)計(jì)相比縮短了運(yùn)行時間，使電磁環(huán)境脈沖生成的實(shí)時性得到了有效的保證。

1 電磁環(huán)境

電磁環(huán)境是一定的作戰(zhàn)時空內(nèi)人為電磁發(fā)射和多種電磁現(xiàn)象的總和。構(gòu)成電磁環(huán)境的主要因素有敵我雙方的多種電子對抗裝備輻射的電磁波、民用電子設(shè)備輻射的電磁波和自然界產(chǎn)生的電磁波等。[2]戰(zhàn)場電磁環(huán)境一般可以用以電磁密度、信號強(qiáng)度、信號類型、信號分布等參數(shù)來描述。[3]本文主要針對戰(zhàn)場電磁環(huán)境中的雷達(dá)裝備產(chǎn)生的電磁脈沖輻射信號分析和實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境仿真。

1.1 雷達(dá)電磁環(huán)境模型描述

本文對雷達(dá)電磁環(huán)境各組成部分和相關(guān)功能處理分別建模，模型組成如圖1所示。用雷達(dá)輻射源相關(guān)參數(shù)的生成構(gòu)建了背景雷達(dá)輻射源模型。通過電磁波在自然環(huán)境中的傳輸影響分析，生成了大氣環(huán)境模型和氣象環(huán)境模型。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型則是對參與平臺的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一參考點(diǎn)的定義。根據(jù)常見的雷達(dá)偵察設(shè)備性能指標(biāo)建立了偵察接收機(jī)模型。

圖1 電磁環(huán)境組成模型

1.2 雷達(dá)電磁環(huán)境仿真平臺組成

根據(jù)電磁環(huán)境中的背景雷達(dá)參數(shù)，仿真生成到達(dá)接收機(jī)的脈沖描述字是電磁環(huán)境仿真的主要任務(wù)。依據(jù)其功能實(shí)現(xiàn)，將雷達(dá)電磁環(huán)境仿真平臺劃分為5個模塊，模塊功能及其之間的信息流如圖2所示。

圖2 雷達(dá)電磁環(huán)境仿真平臺信息流圖

2 并行計(jì)算技術(shù)

2.1 一般概念

并行計(jì)算指的是在同一時刻有多個計(jì)算任務(wù)同時運(yùn)行。從性能上講，它體現(xiàn)了計(jì)算效率的高低。

隨著多核CPU的開發(fā)以及計(jì)算能力需求的不斷提升，如何提高多核CPU的計(jì)算性能成為行業(yè)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前，基于多核的并行計(jì)算研究是提高計(jì)算性能的主要研究方向。[4]

在擁有多核處理器的平臺上，某一時刻可以同時運(yùn)行幾個線程，從而充分利用多核資源提高程序設(shè)計(jì)的計(jì)算效能。[5]某個時刻同時工作的任務(wù)(線程或者進(jìn)程)的數(shù)量稱為并行度。并行度越高，說明同時運(yùn)行的任務(wù)越多。如果相應(yīng)的核數(shù)合適的話，可以提高整體的計(jì)算能力。

由此可見，采用多處理器，同時多線程，可以構(gòu)成時間、空間并行，適應(yīng)多種數(shù)據(jù)和多任務(wù)的并行計(jì)算模型。

2.2 并行程序開發(fā)工具

本文使用Intel Parallel Studio XE中TBB(線程構(gòu)建模塊)提供的并行算法模板、線程安全容器以及流程圖等來實(shí)現(xiàn)對電磁環(huán)境仿真的并行化流程設(shè)計(jì)。

Intel Parallel Studio XE是英特爾推出的高性能并行程序開發(fā)工具集[6]，主要有Parallel Composer、Parallel Inspector和Parallel Amplifier這3個模塊。Parallel Composer主要包含C/C++編譯器、IPP性能庫、TBB多線程開發(fā)庫。Parallel Inspector主要是用來對多線程和內(nèi)存的正確性檢查。Parallel Amplifier是一個性能分析器，用來優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。

TBB模板庫為并行編程提供了豐富的、抽象的模板庫和類。從底層原語到高層的并行算法模板、線程安全容器，以及可擴(kuò)展內(nèi)存管理、任務(wù)管理模板等，為并行設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3 雷達(dá)電磁環(huán)境并行仿真平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

由電磁環(huán)境組成可知，仿真流程中數(shù)據(jù)計(jì)算主要集中在3處：(1)背景雷達(dá)脈沖參數(shù)的生成，(2)電磁環(huán)境脈沖序列生成，(3)到達(dá)偵察接收機(jī)的脈沖數(shù)據(jù)生成。分別對這幾個模塊進(jìn)行并行計(jì)算設(shè)計(jì)，得到電磁環(huán)境仿真并行實(shí)現(xiàn)架構(gòu)示意圖，如圖 3所示。圖中，多個雷達(dá)生成脈沖和多個偵察接收機(jī)接收脈沖的生成均使用parallel_for并行完成。下面分別對電磁環(huán)境仿真各部分的并行設(shè)計(jì)展開描述。

圖3 電磁環(huán)境仿真并行實(shí)現(xiàn)架構(gòu)示意圖

3.1 電磁環(huán)境背景雷達(dá)脈沖生成

背景雷達(dá)脈沖采用并行化流程圖方式生成。流程圖設(shè)計(jì)如圖 4所示，共有重頻(PRI)調(diào)制、載頻(RF)調(diào)制、脈寬(PW)調(diào)制、天線調(diào)制和發(fā)射脈沖生成5個節(jié)點(diǎn)。重頻調(diào)制作為輸入節(jié)點(diǎn)，載頻調(diào)制、脈寬調(diào)制、天線調(diào)制節(jié)點(diǎn)接收重頻調(diào)制節(jié)點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)后計(jì)算各自相關(guān)參數(shù)，然后在發(fā)射脈沖節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯合，生成雷達(dá)發(fā)射脈沖參數(shù)。

圖4 雷達(dá)脈沖參數(shù)并行生成

3.2 偵察設(shè)備脈沖描述字生成

脈沖參數(shù)生成流程圖如圖 5所示。為了生成到達(dá)偵察設(shè)備的脈沖數(shù)據(jù)，首先結(jié)合背景雷達(dá)和雷達(dá)偵察設(shè)備的位置信息，判斷偵察設(shè)備是否在雷達(dá)的視距范圍內(nèi)；如果在雷達(dá)視距范圍內(nèi)，則根據(jù)雷達(dá)信號傳播特征計(jì)算到達(dá)雷達(dá)偵察設(shè)備的信號功率；如果到達(dá)的信號功率在偵察設(shè)備的靈敏度范圍內(nèi)，則根據(jù)雷達(dá)信號和偵察設(shè)備的方位距離信息計(jì)算到達(dá)偵察設(shè)備的脈沖參數(shù)。

電磁環(huán)境中各雷達(dá)偵察設(shè)備的脈沖參數(shù)生成采用TBB提供的parallel_pipeline算法并行生成。生成到達(dá)偵察設(shè)備的脈沖參數(shù)后需要分別對到達(dá)各偵察設(shè)備的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。本文使用了TBB提供的parallel_sort對脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行并行排序。

圖5 到達(dá)雷達(dá)偵察設(shè)備脈沖

4 仿真驗(yàn)證

4.1 平臺性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的雷達(dá)電磁環(huán)境仿真平臺性能，構(gòu)建仿真場景態(tài)勢如圖6所示。仿真場景態(tài)勢中共有兩架飛機(jī)，一架掛載雷達(dá)設(shè)備，一架掛載雷達(dá)偵察設(shè)備。雷達(dá)設(shè)備工作參數(shù)如表1所示。仿真平臺硬件運(yùn)行環(huán)境為Intel i7-6700@3.40 GHz處理器(4核8線程)，32 GB內(nèi)存臺式計(jì)算機(jī)。

圖6 仿真場景態(tài)勢圖

表1 雷達(dá)設(shè)備工作參數(shù)

對仿真過程中雷達(dá)偵察設(shè)備偵收到的脈沖進(jìn)行分析處理，得到信號頻率分布圖如圖7所示，信號重復(fù)周期圖如圖8所示。對比仿真場景中雷達(dá)設(shè)備的參數(shù)，可見該仿真平臺能夠正確模擬電磁環(huán)境中雷達(dá)脈沖的生成，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)電磁環(huán)境仿真的主要功能。

圖7 信號頻率圖

圖8 信號重復(fù)周期圖

4.2 實(shí)時性驗(yàn)證

為了比較仿真串行處理和并行處理的實(shí)時性能，并驗(yàn)證仿真雷達(dá)數(shù)量和脈沖密度對處理性能的影響，搭建了3種仿真場景進(jìn)行對比驗(yàn)證。

場景1部署10部雷達(dá)，合計(jì)生成脈沖密度為10萬脈沖/s。場景2部署10部雷達(dá)，合計(jì)生成脈沖密度為20萬脈沖/s；場景3部署20部雷達(dá)，合計(jì)生成脈沖密度為20萬脈沖/s。仿真硬件運(yùn)行環(huán)境同4.1節(jié)所示。因?yàn)閷?shí)時性測試不涉及雷達(dá)參數(shù)測量，這里不再對配置雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。仿真得到不同場景下脈沖生成計(jì)算時間表如表2所示。

表2 脈沖生成時間

從表2可以得出以下結(jié)論：在相同計(jì)算條件下，采用并行設(shè)計(jì)的生成脈沖耗時明顯優(yōu)于串行設(shè)計(jì)。

對場景1和場景2的結(jié)果進(jìn)行比對，串行計(jì)算情況：20萬脈沖密度環(huán)境下較10萬脈沖密度耗時翻倍，即仿真計(jì)算耗時同脈沖密度為線性關(guān)系。并行計(jì)算情況：在20萬脈沖密度環(huán)境下較10萬脈沖密度耗時約為1.5倍。

從場景2和場景3的對比中可以看出，同樣的脈沖密度條件下，隨著雷達(dá)個數(shù)的不同，同種計(jì)算條件下脈沖生成時間基本相同。

并行計(jì)算時，多核之間的資源調(diào)度需要一定的時間。當(dāng)計(jì)算復(fù)雜度較低時，資源調(diào)度的時間占據(jù)整個計(jì)算所需時間的比重大；反之，當(dāng)計(jì)算的復(fù)雜度較高時，資源調(diào)度占據(jù)的比重就小。當(dāng)采用并行處理時，需要根據(jù)算法的復(fù)雜度選擇合理的并行調(diào)度策略，提高系統(tǒng)資源的利用率，以達(dá)到最優(yōu)的計(jì)算性能。

5 結(jié)束語

為了解決電磁環(huán)境仿真實(shí)時性問題，本文在研究了并行計(jì)算特征的基礎(chǔ)上分析了電磁環(huán)境的組成和相關(guān)影響因素，提出了基于并行計(jì)算技術(shù)的雷達(dá)電磁環(huán)境仿真設(shè)計(jì)方法，并完成了該電磁環(huán)境仿真平臺的性能測試驗(yàn)證。測試驗(yàn)證證實(shí)該仿真平臺能夠模擬真實(shí)電磁環(huán)境，實(shí)時生成穩(wěn)定的脈沖數(shù)據(jù)。鑒于該平臺在仿真性能上具備良好的實(shí)時性和穩(wěn)定性特點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中。