分布式星载SAR回波仿真的并行化计算研究

第18卷第8期系统仿真学报©Vol.18No.82006年8月JournalofSystemSimulationAug.,2006分布式星载SAR回波仿真的并行化计算研究王曦爽1,2，黄立胜1，王贞松1(1.中国科学院计算技术研究所,北京100080；2.中国科学院研究生院,北京100080)摘要：对分布式星载SAR系统地面回波仿真程序并行化算法进行了研究。重点介绍了分布式小卫星SAR系统多星协同工作的仿真策略、各并行节点任务的分配策略和并行节点间大量数据传输的策略。实验证明此并行化算法具有较高的加速性能，具有实际的应用前景。关键词：分布式星载合成孔径雷达；仿真系统；并行算法；地面目标回波数据中图分类号：TP311.1文献标识码：A文章编号：1004-731X(2006)08ResearchonParallelArithmeticofDistributeSpaceBorneSARGroundTargetSimulationWANGXi-shuang12,HUANGLi-sheng1,WANGZhen-song1(1.InstituteofComputingTechnology,ChineseAcadmicofScience,Beijing100080,China;2.GruduateSchoolofChineseAcademicofScience,Beijing100080,China)Abstract：TheparallelarithmeticofdistributespaceborneSARgroundtargetechodatasimulatingprocedurewasexamined.Thefollowingissueswereintroduced:themethodtosimulatethecooperatingworkingmodeofdistributespaceborneSARsystem,thepolicyofallottingtasksbetweenparallelcomputingnodes,andthepolicyoftransferringmassive-databetweencomputingnodes.Theexperimentprovesthattheparallelarithmetichashighspeed-upperformance.Keywords：distributespaceborneSAR;simulationsystem;parallelarithmetic;groundtargetechodata引言1建立小卫星分布式雷达仿真系统，对于研究小卫星分布式雷达系统的概念和理论具有重要的科研意义。而实现小卫星分布式雷达系统的仿真建模，首先需要对小卫星分布式星载SAR目标回波数据进行仿真。星载SAR的回波数据量巨大导致回波数据的仿真工作的计算量巨大，需要耗费大量仿真时间[1]。文献[1]提出了一种基于FFT的快速模拟算法生成回波，通过减少插值点的方法降低模拟的计算量，大大降低了仿真时间。但是该算法为了补偿由减少插值点带来的误差问题，提出了一种在插值时增加采样率的方法，这种方法无法生成的高精度的模拟数据。因此为了在较短的时间内得到高精度的回波仿真数据，还需要设计并行仿真系统，采用常规算法进行回波数据的仿真过程。我们选择曙光4000B并行处理机对分布式星载合成孔径雷达系统回波产生过程进行并行化仿真，并给出仿真结果。在实现并行化仿真计算SAR回波数据的研究中，要解决以下三个问题：一、分布式星载SAR一星发射微波，多星接收雷达回波过程和多星发射回波，多星接收回波的并行化计算实现策略；二、在仿真过程中，并行任务的分配策略；收稿日期：2005-06-22修回日期：2005-12-29作者简介：王曦爽(1977-),男,陕西人,博士生,研究方向为计算机系统结构设计及实时信号处理；黄立胜(1971-),男,广西人,研究方向为合成孔径雷达成像信号处理、成孔径雷达成像系统模拟；王贞松(1945-),男,上海人,研究员,博导,研究方向为数字信号处理、计算机通信。三、在仿真过程中，各并行计算节点之间数据的传递策略。1星载SAR回波仿真的原理在信号空间里，SAR信号经过解调后，假定()a为天线加权，()s为发射信号的包络，K是根据脉冲信号带宽和脉冲持续时间求得的线性调频率，()是点目标的后向散射系数，合成孔径雷达的点目标扩散响应可写成为[2-3]2(;(),(',','))a((),('))(')2((),())s2((),())exp4expjRpx,y,zxyzx,y,zx',y',zx',y',zRx,y,zx',y',z'cRx,y,zx',y',z'jKc((),())x,y,zx',y',z'(1)其中(x,y,z)是SAR天线相位中心(APC-AntennaPhaseCenter)的坐标，(x',y',z')是点目标的坐标,τ是距离向时间延迟，c是光速，λ是波长。((),())Rx,y,zx',y',z'为SAR天线相位中心与点目标之间距离，计算方法如下：222((),())(')(')(')Rx,y,zx',y',z'xxyyzz(2)在实际过程中，大量被观测目标都是具有一定体积和形状的分布目标，例如飞机或者舰船等。在工程上，将整个军事目标的雷达散射面划分成若干小单元，每个单元可看成一个具有固定RCS的点目标，然后分别计算其散射系数和回波，并根据现有的结果和资料进行一定修正和计算[3]。然后第18卷第8期Vol.18No.82006年8月系统仿真学报Aug.,2006叠加起来，得到分布目标的回波：(;(,,))(;(),())'''dxyzpx,y,zx',y',z'dxdydz(3)分布目标可以分解成为无数个点目标，而计算无限个点目标的回波是不可能的，根据文献[4]，一个分辨单元内只需要模拟几个点目标，其回波叠加结果与实际结果相差无几。若分布目标总共分解成L个点目标，回波的表达式又可写成：1(;(,,))(;(),())Ljjjjdxyzpx,y,zx',y',z'(4)其中(;(,,))dxyz为分布目标回波，(;(),())jjjpx,y,zx,y',z'为点目标回波。(4)式是计算分布目标回波的基本方法，即分别计算由分布目标分解成的每一个点目标的回波，然后叠加起来，得到总的目标回波。当分布目标分解成的点目标数越多，叠加后的回波就越接近实际值。计算分布目标回波的总计算量见下式：1totalpwscCLCLTFC(5)Ctotal1是总的计算量，Cp是一个点目标的计算量，Tw是发射信号时间宽度，Fs是采样频率，Cc是一次复数构成并相加的计算量。由(5)式可见，虽然增加分解的点目标数目越多结果越精密，但随之而来的计算量与分解出的点目标数量呈正比增加,导致大面积的分布目标回波模拟花费大量时间。2用曙光并行机进行分布式小卫星SAR地面目标回波仿真如上节所述，当需要仿真的地面目标分解的点目标数目增加时，仿真的计算量也呈正比例增加，为实现这样的仿真任务需要占用很大的存储空间，完成大量的计算任务，因此需要使用高性能计算系统作为计算平台。伴随着通信技术和计算机技术的发展，涌现出许多并行计算机系统，为高复杂度的问题求解提供了有力的平台支持。在众多的并行计算系统中，大规模并行处理系统（MassivelyParallelProcessingsystem,MPP）由于具有较好的扩展性而得到了广泛的使用。一个MPP系统由一定数量的计算节点组成，每个节点包含一个或多个处理器和自己独立的存储空间，甚至可以由一个对称共享内存多处理系统（SymmetricMultiProcessing,SMP）构成一个超节点，节点之间通过高速网络互相连接[5]。为了实现在MPP系统上完成并行任务，还需要相应的软件编程环境提供编程的机制与接口，目前国际上使用较为广泛的并行编程环境为消息传递接口环境(MessagePassingInterface，MPI)。消息传递是目前并行计算机上广泛使用的一种程序设计模式。MPI是基于消息传递编写并行程序的一种用户界面。用户通过调用MPI提供的接口函数实现进程间的消息通信。在这样的软硬件平台下，用户在提交并行运行任务之前，需要申请或指定若干个节点完成此任务，这些节点成为一个分区，待运行的任务就加载在所分配的分区上。由于并行任务是以消息传递机制实现，所以在运行的过程中，各个工作节点之间可能需要进行数据交换，这是并行处理程序需要着重考虑的问题。一般来说，任务需要进行并行化，根据分区的大小分成几个子任务，在执行任务前将每个子任务分别加载到各个节点上，只要任务的分配是合适的，就能使整个程序的数据处理能力成倍的增加。2.1曙光并行机简介在本论文进行的研究中，我们使用曙光4000B并行刀片机作为仿真平台。曙光4000B刀片机是一台基于消息传递机制的大规模并行计算机系统（MPP）。它由8个SMP超节点组成，每个SMP超节点具有2个超线程技术（HT）的INTELXeon2.8GCPU，这两个CPU共享2GB内存和40GB硬盘。8个SMP超节点之间通过千兆以太网连接，对外部网络通过百兆以太网连接。2.2使用曙光并行机仿真回波的产生过程在这一部分，主要介绍实现分布式小卫星SAR地面回波仿真并行化过程需要解决的三个问题：1.实现分布式小卫星系统一星发射微波，多星接收回波过程（以下统一简称单发多收过程）和多星发射微波，多星接收回波过程（以下统一简称多发多收过程）的解决策略；2.并行节点任务分配的解决策略；3.在仿真结果数据收集过程中，各并行计算节点之间数据的传递策略。(1)实现单发多收与多发多收过程的策略前面已经介绍了SAR回波仿真的基本原理，它是整个仿真系统的核心，也是需要并行化实现的部分。但是为了实现小卫星系统SAR地面目标回波数据的仿真，还需要向仿真系统传递仿真参数，因此首先确定仿真模块的划分，仿真系统划分为两个基本模块：仿真参数获取模块与点目标回波仿真模块。由仿真参数获取模块获取仿真参数（包括卫星参数与雷达参数）并以发送微波和接收回波的小卫星参数为输入参数调用点目标仿真模块，生成点目标回波仿真数据。由于分布式小卫星SAR系统发送微波的雷达与接收回波的雷达在绝大多数情况下并非同一个，因此仿真参数获取模块在每次仿真时需要向点目标仿真模块提供发射微波的卫星参数以及接收回波的卫星参数。为了实现单发多收的仿真过程，需要建立接收回波的小卫星队列，队列中每个节点包含一个接收回波的小卫星参数。仿真时每次从接收回波的小卫星队列中摘取一个接收回波的小卫星节点，并将发送微波的卫星节点与接收回波的小卫星节点参数提供给点目标仿真模块进行仿真。循环执行该过程直到接收回波的小卫星队列为空。该过程如图1所示。多发多收的仿真过程以单发多收的仿真过程为基本单元，为了实现多发多收仿真过程，需要建立发送微波的小卫星队列，队列中每个节点包含一个发送微波的小卫星参数，每个发送微波小卫星对应一个接收回波的小卫星队列。仿真时，每次从发送微波队列中摘取一个发送卫星节点，以该节第18卷第8期Vol.18No.82006年8月Aug.,2006点目标回波仿真模块……..接收回波卫星队列发射微波卫星节点图1单发多收的仿真过程示意图点为发送卫星节点执行一次单发多收的仿真过程，循环执行此过程直到发送卫星队列为空为止。该过程如图2所示。点目标回波仿真模块……..接收回波卫星队列发射微波卫星节点点目标回波仿真模块……..接收回波卫星队列发射微波卫星节点点目标回波仿真模块……..接收回波卫星队列发射微波卫星节点………发射微波卫星队列图2多发多收过程的仿真示意图(2)生成回波数据的并行仿真策略使用曙光机并行仿真回波数据需要解决的另一个问题是对并行任务的分配问题。在用并行机处理数据时需要关注两个问题，一是平均分配运算任务，使所有并行节