劉肖靜,王 博,鄒廣超
(南京科瑞達電子裝備有限責任公司,南京 211100)
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、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)計方法下搭建的電磁環(huán)境仿真平臺,由于各模塊運行之間的協(xié)調(diào)等待,不但計算時間長,而且不能逼近仿真電磁環(huán)境的實時變化,嚴重影響了電磁環(huán)境仿真的實時性設(shè)計。為了解決這個問題,本文研究了用于提升計算性能的并行技術(shù)。在分析了電磁環(huán)境組成后,搭建了基于并行計算技術(shù)的雷達脈沖信號電磁環(huán)境仿真平臺。經(jīng)過接入電子偵察仿真平臺測試,驗證了該仿真平臺具備了模擬雷達電磁環(huán)境的功能,而且與串行設(shè)計相比縮短了運行時間,使電磁環(huán)境脈沖生成的實時性得到了有效的保證。
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)境中的雷達裝備產(chǎn)生的電磁脈沖輻射信號分析和實現(xiàn)電磁環(huán)境仿真。
本文對雷達電磁環(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。用雷達輻射源相關(guān)參數(shù)的生成構(gòu)建了背景雷達輻射源模型。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。坐標轉(zhuǎn)換模型則是對參與平臺的參數(shù)進行統(tǒng)一參考點的定義。根據(jù)常見的雷達偵察設(shè)備性能指標建立了偵察接收機模型。
圖1 電磁環(huán)境組成模型
根據(jù)電磁環(huán)境中的背景雷達參數(shù),仿真生成到達接收機的脈沖描述字是電磁環(huán)境仿真的主要任務(wù)。依據(jù)其功能實現(xiàn),將雷達電磁環(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 雷達電磁環(huán)境仿真平臺信息流圖
并行計算指的是在同一時刻有多個計算任務(wù)同時運行。從性能上講,它體現(xiàn)了計算效率的高低。
隨著多核CPU的開發(fā)以及計算能力需求的不斷提升,如何提高多核CPU的計算性能成為行業(yè)人員重點關(guān)注的問題。目前,基于多核的并行計算研究是提高計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行幾個線程,從而充分利用多核資源提高程序設(shè)計的計算效能。[5]某個時刻同時工作的任務(wù)(線程或者進程)的數(shù)量稱為并行度。并行度越高,說明同時運行的任務(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)的并行計算模型。
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現(xiàn)對電磁環(huán)境仿真的并行化流程設(shè)計。
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。
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,以及可擴展內(nèi)存管理、任務(wù)管理模板等,為并行設(shè)計提供了強有力的技術(shù)支持。
由電磁環(huán)境組成可知,仿真流程中數(shù)據(jù)計算主要集中在3處:(1)背景雷達脈沖參數(shù)的生成,(2)電磁環(huán)境脈沖序列生成,(3)到達偵察接收機的脈沖數(shù)據(jù)生成。分別對這幾個模塊進行并行計算設(shè)計,得到電磁環(huán)境仿真并行實現(xiàn)架構(gòu)示意圖,如圖 3所示。圖中,多個雷達生成脈沖和多個偵察接收機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)計展開描述。
圖3 電磁環(huán)境仿真并行實現(xiàn)架構(gòu)示意圖
背景雷達脈沖采用并行化流程圖方式生成。流程圖設(shè)計如圖 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。重頻調(diào)制作為輸入節(jié)點,載頻調(diào)制、脈寬調(diào)制、天線調(diào)制節(jié)點接收重頻調(diào)制節(jié)點生成的數(shù)據(jù)后計算各自相關(guān)參數(shù),然后在發(fā)射脈沖節(jié)點進行數(shù)據(jù)匯合,生成雷達發(fā)射脈沖參數(shù)。
圖4 雷達脈沖參數(shù)并行生成
脈沖參數(shù)生成流程圖如圖 5所示。為了生成到達偵察設(shè)備的脈沖數(shù)據(jù),首先結(jié)合背景雷達和雷達偵察設(shè)備的位置信息,判斷偵察設(shè)備是否在雷達的視距范圍內(nèi);如果在雷達視距范圍內(nèi),則根據(jù)雷達信號傳播特征計算到達雷達偵察設(shè)備的信號功率;如果到達的信號功率在偵察設(shè)備的靈敏度范圍內(nèi),則根據(jù)雷達信號和偵察設(shè)備的方位距離信息計算到達偵察設(shè)備的脈沖參數(shù)。
電磁環(huán)境中各雷達偵察設(shè)備的脈沖參數(shù)生成采用TBB提供的parallel_pipeline算法并行生成。生成到達偵察設(shè)備的脈沖參數(shù)后需要分別對到達各偵察設(shè)備的脈沖數(shù)據(jù)進行排序。本文使用了TBB提供的parallel_sort對脈沖數(shù)據(jù)進行并行排序。
圖5 到達雷達偵察設(shè)備脈沖
為了驗證設(shè)計的雷達電磁環(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,一架掛載雷達設(shè)備,一架掛載雷達偵察設(shè)備。雷達設(shè)備工作參數(shù)如表1所示。仿真平臺硬件運行環(huán)境為Intel i7-6700@3.40 GHz處理器(4核8線程),32 GB內(nèi)存臺式計算機。
圖6 仿真場景態(tài)勢圖
表1 雷達設(shè)備工作參數(shù)
對仿真過程中雷達偵察設(shè)備偵收到的脈沖進行分析處理,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)境中雷達脈沖的生成,實現(xiàn)雷達電磁環(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
為了比較仿真串行處理和并行處理的實時性能,并驗證仿真雷達數(shù)量和脈沖密度對處理性能的影響,搭建了3種仿真場景進行對比驗證。
場景1部署10部雷達,合計生成脈沖密度為10萬脈沖/s。場景2部署10部雷達,合計生成脈沖密度為20萬脈沖/s;場景3部署20部雷達,合計生成脈沖密度為20萬脈沖/s。仿真硬件運行環(huán)境同4.1節(jié)所示。因為實時性測試不涉及雷達參數(shù)測量,這里不再對配置雷達參數(shù)進行詳細說明。仿真得到不同場景下脈沖生成計算時間表如表2所示。
表2 脈沖生成時間
從表2可以得出以下結(jié)論:在相同計算條件下,采用并行設(shè)計的生成脈沖耗時明顯優(yōu)于串行設(shè)計。
對場景1和場景2的結(jié)果進行比對,串行計算情況:20萬脈沖密度環(huán)境下較10萬脈沖密度耗時翻倍,即仿真計算耗時同脈沖密度為線性關(guān)系。并行計算情況: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,隨著雷達個數(shù)的不同,同種計算條件下脈沖生成時間基本相同。
并行計算時,多核之間的資源調(diào)度需要一定的時間。當計算復(fù)雜度較低時,資源調(diào)度的時間占據(jù)整個計算所需時間的比重大;反之,當計算的復(fù)雜度較高時,資源調(diào)度占據(jù)的比重就小。當采用并行處理時,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,以達到最優(yōu)的計算性能。
為了解決電磁環(huán)境仿真實時性問題,本文在研究了并行計算特征的基礎(chǔ)上分析了電磁環(huán)境的組成和相關(guān)影響因素,提出了基于并行計算技術(shù)的雷達電磁環(huán)境仿真設(shè)計方法,并完成了該電磁環(huán)境仿真平臺的性能測試驗證。測試驗證證實該仿真平臺能夠模擬真實電磁環(huán)境,實時生成穩(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時性和穩(wěn)定性特點,現(xiàn)已應(yīng)用于電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中。