基于磁盘阵列的超高速SAR原始回波数据记录技术研究Stud

第31卷第3期电子与信息学报Vol.31No.32009年3月JournalofElectronics&InformationTechnologyMar.2009基于磁盘阵列的超高速SAR原始回波数据记录技术研究洪瀑王岩飞(中国科学院电子学研究所北京100190)摘要：该文介绍了基于磁盘阵列的合成孔径雷达超高速原始回波数据记录器的结构组成、工作原理及性能特点，讨论了两种数据包的分配方案：基于先后顺序的数据包分配方案和基于统计特性的动态数据包分配方案，并指出了这两种方案各自的优缺点。最后，给出了两种方案实现结果的性能参数对比表。关键词：SAR原始数据；高速数据记录；磁盘阵列中图分类号：TN957.52+2文献标识码：A文章编号：1009-5896(2009)03-0749-03StudyonUltra-HighSpeedSARRawDataRecorderBasedonDiskArrayHongPuWangYan-fei(TheInstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)Abstract:Inthisarticle,anultra-highspeedSARrawdatarecorderbasedondiskarrayisintroduced,includingitsconstruct,workingprinciple,andmainfeatures.Twokindsofdatapacketallocatingmethodareproposed:thesequentialallocatingmethodandadynamicallocatingmethodbasedonstatisticalcharacteristicsoftherecordingabilityofeachdisk,also,theadvantagesanddisadvantagesofeachmethodarepointedout.Theperformancetableoftwomethodsisputforwardattheendofthisarticle.Keywords：SARrawdata;Highspeeddatarecording;Diskarray1引言合成孔径雷达(SAR)是一种脉冲体制的高分辨率微波成像雷达，具有全天时、全天候、侧视成像、分辨率不随轨道高度变化等优点。这些优点使之成为备受关注的测绘和侦察手段。基于SAR原始回波数据进行的成像处理是各种SAR技术应用必备的中间环节，因此，SAR原始回波数据记录对于SAR技术研究和应用有着重要意义。随着SAR图像分辨率的提高，测绘带宽的增大及工作模式的增多，SAR回波数据的数据率在急剧提高。例如：合成孔径雷达在载机上沿方位向飞行，如果脉冲重复频率(PRF)等于2000Hz，距离向采样点数为32k，IQ两路8bit正交采样，数据率可达到128MBps，超出了一般通用记录器的指标要求。同时，由于SAR系统多工作在空中飞行平台上，飞行成本高，对数据记录器的可靠性提出了很高的要求。目前，超高速SAR原始回波数据实时记录技术已经成为现在SAR研究领域的关键技术之一[1,2]。本文提出了一种基于磁盘阵列的超高速SAR原始回波数据记录的方法，在该方法中，采用了高速前端接口缓存及分路技术来实现高速数据输入[3]；在分析磁盘工作原理的基础上，探讨和比较了基于统计特性的动态数据包分配方案和传统的基于先后顺序的数据包分配方案的各自优缺点，最后通过实施结果，给出了两种方案的性能参数对比表。2007-11-28收到，2008-04-18改回2超高速数据记录器的结构组成、工作原理及性能特点2.1磁盘的工作原理及特性目前的磁盘是基于1968年IBM公司的Winchester技术，历经40多年的不断发展而成。磁盘结构由以下主要部件组成：由磁头、取数臂和磁道伺服机构组成的头堆组件(3件套)、硬磁盘片、包括主轴电机的盘片驱动机构、读写及控制电路、接口电路等组成。头堆组件的作用是驱动磁头在硬磁盘的半径方向寻找并精确定位磁道，以存取数据；硬磁盘片是存储数据的载体；盘片驱动机构驱动硬磁盘片高速旋转；读写及控制电路、接口电路的主要作用是将磁盘控制器需要记录的数据转换成电信号，再通过磁头记录到硬磁盘的介质表面，反之亦可以将介质表面上已记录的信息通过磁头转换成电信号回送给磁盘外部的读写控制电路[4]。磁盘存储数据的过程是先通过磁盘接口控制电路，将要储存的数据写入到磁盘上的缓存区内，头堆组件驱动磁头在硬磁盘的半径方向寻找并精确定位磁道，当寻道成功后，就将缓存中的数据写入到硬磁盘片中。影响磁盘实时写入速度的一个重要指标是寻道延时时间，以及磁头定位成功后磁盘内部数据交换速度。寻道延时时间是一个随机变量，取值范围依赖于具体磁盘的性能参数，目前，较快磁盘的寻道要耗费3ms～10ms的时间[5]。磁盘内部的数据交换速度和磁盘扇区所在介质表面的物理位置有关，一般都是磁盘的持续读写750电子与信息学报第31卷速度的1.5倍到3倍，所以在高速实时数据记录器的工程实现过程中，寻道延时是造成写入延时的主要因素。2.2超高速数据记录器的结构组成、工作原理及性能特点从功能上分析，超高速SAR原始回波数据记录器主要由以下几个功能模块组成：高速数据接口及缓存模块、高速数据分路控制模块、多路磁盘阵列控制模块、高速磁盘阵列模块、核心控制逻辑模块以及总控计算机模块等部分组成。各部分之间的关系如图1所示。图1超高速SAR原始回波数据记录器组成图高速数据接口及缓存电路模块的功能是接收来自SAR系统数据形成模块发送过来的SAR原始回波数据，并作乒乓缓存，以供后端高速数据分路控制模块使用。SAR系统数据形成模块发送过来的SAR原始数据编码数据包，接口时序如图2所示。图2超高速SAR原始回波数据接口时序图高速数据接口及缓存电路模块按上图时序要求，从数据形成模块接收到一个数据包后，将其缓存到乒乓缓存电路中，在缓存之前，先查询缓存区的状态标志，如果检测到V标志建立，则对该缓存电路进行一次复位操作，再将数据包写入，然后清除V标志，建立P标志，以通知后端电路可对该缓存区进行读操作。系统上电或复位后，V标志为建立态，P标志为清除态。高速数据分路控制模块的功能是在核心控制电路的控制下，实时检测乒乓缓冲区的P标示，如果发现P标志建立起来，则立即将乒乓缓存后的数据包按照一定的算法规则，转发给后端N路数据存储通道之一，转发完毕后，清除该路乒乓缓存区的P标志，建立V标志。该方法优点是能消除畸形数据包引起的错误向后传播。多路磁盘阵列控制模块是由N个相对独立的SCSI(SmallComputerSystemInterface是一类高速、智能化的总线接口标准的集合，由ANSI下属的INCITS负责起草和维护)磁盘控制电路组成，其功能是在核心逻辑控制模块的控制下，用SCSI协议与磁盘阵列进行命令和数据的交互，以实现将数据记录到磁盘中去的功能。一个完整的SCSI的总线写周期由总线仲裁阶段、选择阶段、消息阶段、命令阶段、数据阶段和状态阶段组成[6,7]。高速磁盘阵列模块由高速SCSI磁盘组组成，是数据存储的物理介质。其性能是决定系统记录速度的重要参数之一，高速磁盘阵列的总容量为系统存储容量。核心控制逻辑模块是由可编程门阵列(FPGA)构成，其功能是对高速数据接口及缓存模块、高速数据分路控制模块、多路磁盘阵列控制模块进行控制和状态检测，同时和总控计算机模块进行命令和状态接口[810]−。总控计算机完成与上位机的命令和状态接口功能，实现接收和执行上位机发送过来的命令，然后将执行结果和记录器的状态反馈给上位机。该方案的核心思想是以单路高速SCSI磁盘存储为基础，加以多路并行化，从而提高系统整体记录速度和存储容量。该系统有以下3个方面的特点：(1)以SCSI-3中的ParallelSCSI协议为基础，单通道记录速度高，并行性和扩展性好；(2)不同于传统的以计算机为中心的数据记录方案，记录速度不受计算机接口总线的最大速率制约，记录实时性不受中断源的干扰；(3)基于芯片级的方法，体积小，接口灵活。3两种数据分配方案的特点及比较3.1基于先后顺序的数据包分配方案按照接收数据包的先后顺序，将数据包依次分配给后端存储电路模块，然后周而复始，如下面公式：Channel＝NPRFmodN。其中Channel为数据记录通道序号，NPRF为数据包的序号，N为通道的总数目，操作符mod为求余运算符。这种分配方案的优点是分配算法简单，便于硬件实现。同时，数据记录通道序号和数据包的序号存在确定的函数关系，便于数据的回放处理。缺点是数据记录通道中的任意一路记录速度下降，将会造成整体记录速度的显著下降，影响记录数据的完整性。并且，如果某个记录通道出现故障，分配给该通道的数据将会全部丢失。3.2基于统计特性的动态数据包分配方案将数据记录通道标示为忙碌态(不可接受数据态状)，和空闲态(可接受数据态状)。在记录过程中，实时监测各个记录通道的状态，分别统计已分配给后端各个记录通道数据包的个数(一般做累加即可)，以作为查询的优先级，统计值越小，查询优先级越高。当检测到乒乓缓冲区的P标志建立起来后，按优先级高低次序，依次查询通道状态，直到查询到第3期洪瀑等：基于磁盘阵列的超高速SAR原始回波数据记录技术研究751空闲态的通道为止。由于数据包序数和通道的序数不再有固定的函数关系，在数据回放过程中无法重建数据包的顺序，需引入时间戳技术，即将接收到的每个数据包打上时间戳，然后再发送给后端记录通道，这样在数据回放过程中，可以根据时间戳的先后来恢复数据包的次序，重建数据流。该方案的优点是：(1)系统的最大记录速度将不再制约于记录能力最弱的记录通道，而依赖于各通道表现出来的综合能力，因此在多通道记录系统中，最大持续记录速度会有较大改善；(2)给系统冗余设计提供了基础，可以根据设计指标要求，预留一个记录通道，当有记录通道发生故障时，预留的数据通道将会起到补偿的作用。4两种方案的综合指标参数对比在同一套硬件系统上，分别应用上述两种数据包分配方案，测试结果如表1所示。表1两种方案的综合指标参数对表数据分路方案记录通道数为1时持续记录速率记录通道数为2时持续记录速率记录通道数为4时持续记录速率记录通道数为6时持续记录速率顺序分配23Mbps46Mbps92Mbps138Mbps动态分配23Mbps61Mbps139Mbps208Mbps分析上表可知，对于同一硬件系统，随着记录通道数目的增多，采用动态分配方案比采用顺序分配方案的记录速度有明显改善。这一试验结论验证了上节的结论。5结束语SAR原始回波数据记录是现代SAR系统的关键技术之一，本文介绍了基于磁盘阵列的超高速数据记录器的体系结构和特性，以及对两种数据分配方案进行了的探讨。本文提出的电路结构简洁，集成度高，控制效率高，可扩展性良好，可以预见，随着超大规模集成电路技术的飞速发展，超高速数据记录技术会有更多的实现方法，性能也会得到更大的提升。参考文献[1]张澄波著.综合孔径雷达原理、系统分析与应用.北京:科学出版社,1989:1-14,243-245.[2]CummingIG,WongFH著,洪文,胡东辉译.合成孔径雷达成像-算法与实现.北京:电子工业出版社,2007:3-4,94-96.[3]蒋昌龙,马骋,张绪纲,贾惠波.高速连续数据记录系统中双页缓存的设计和实现.微电子学与计算机,2002,(9):47-49.[4]莫青《硬盘驱动器发展现状及分析》新材料产业,2006,(1):39-42.[5]Cheetah10K.7SCSIdiskproductmanual,SeagateIncorporated,2007.[6]欧阳兴华编.计算机系统接口-SCSI.电子工业出版社,1994:34-121.[7]SCSIParallelInterface-3(SPI-3)WorkDraft.ANSIT10Group,1999.[8]李春,吴