CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算技術(shù)在艦載警戒雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室模擬仿真中的應(yīng)用

饒世鈞，邢忠臣，洪 俊

(海軍大連艦艇學(xué)院 信息作戰(zhàn)系，遼寧 大連 116018)

CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算技術(shù)在艦載警戒雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室模擬仿真中的應(yīng)用

饒世鈞，邢忠臣，洪 俊

(海軍大連艦艇學(xué)院 信息作戰(zhàn)系，遼寧 大連 116018)

針對(duì)艦載警戒雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)雷達(dá)模擬仿真過(guò)程中模擬數(shù)據(jù)計(jì)算量大、模擬數(shù)據(jù)類(lèi)型多、更新速度快及雷達(dá)回波顯示難的問(wèn)題，在分析雷達(dá)模擬數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算技術(shù)的基本情況，提出了CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算技術(shù)在雷達(dá)模擬數(shù)據(jù)生成與回波顯示方面的具體應(yīng)用方法，明確了CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算基本流程與各自任務(wù)分工，建立了CPU雷達(dá)模擬仿真數(shù)據(jù)組織與生成模型，給出了GPU雷達(dá)回波渲染與顯示方法，并采用向量元素的遍歷查找算法完成雷達(dá)回波數(shù)據(jù)獲取和雷達(dá)回波紋理數(shù)據(jù)更新。通過(guò)在通用計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)CPU運(yùn)算和CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算兩種方法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明了這一技術(shù)應(yīng)用的可行性與先進(jìn)性，這種技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提高艦載警戒雷達(dá)模擬仿真效率與逼真度有著重要意義。

艦載警戒雷達(dá)； CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算； 回波渲染； 模擬仿真； 數(shù)據(jù)處理； 回波顯示

0 引 言

艦載警戒雷達(dá)作為現(xiàn)代海戰(zhàn)重要的傳感器之一，是水面艦艇獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息的主要途徑，也是作戰(zhàn)系統(tǒng)形成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的關(guān)鍵信息源，在水面艦艇作戰(zhàn)中扮演著極其重要的角色。由于雷達(dá)實(shí)裝造價(jià)昂貴，目前難以將新型號(hào)實(shí)裝配備到院校保障教學(xué)任務(wù)，故雷達(dá)模擬訓(xùn)練是雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室保障實(shí)操教學(xué)的主要手段。

在雷達(dá)模擬訓(xùn)練中，通常采用軟件化仿真方式，由于這種方式雷達(dá)缺乏前端發(fā)射信號(hào)，需要通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算和可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)生成與回波顯示。文獻(xiàn)[1-8]對(duì)GPU并行計(jì)算技術(shù)及并行優(yōu)化處理進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[9-14]對(duì)雷達(dá)模擬仿真技術(shù)進(jìn)行了探討，主要采用多核CPU并行計(jì)算技術(shù)、OpenGL紋理映射技術(shù)、多線程處理技術(shù)等完成雷達(dá)模擬仿真。隨著艦載警戒雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理需求也越來(lái)越高，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理量大、數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多和數(shù)據(jù)處理速度快等方面，在模擬仿真時(shí)易出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理量與數(shù)據(jù)處理速度間的沖突，這在一定程度上增大了雷達(dá)模擬仿真的難度。本文針對(duì)這一問(wèn)題，采用CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與回波渲染，對(duì)于提高艦載警戒雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平和模擬仿真逼真度有著重要意義。

1 雷達(dá)模擬仿真數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)分析

1.1數(shù)據(jù)處理量大

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要包括地物、目標(biāo)、干擾、雜波等數(shù)據(jù)的處理，在雷達(dá)實(shí)際裝備中通常由接收機(jī)來(lái)完成[15]。在雷達(dá)模擬仿真過(guò)程中，地物數(shù)據(jù)主要通過(guò)提取電子海圖高程數(shù)據(jù)，并利用地物遮擋模型仿真生成，目標(biāo)數(shù)據(jù)主要通過(guò)目標(biāo)模擬仿真模型和電磁波傳播模型計(jì)算生成，干擾數(shù)據(jù)通過(guò)干擾模型計(jì)算生成，雜波數(shù)據(jù)通過(guò)雜波分布模型仿真生成。這些數(shù)據(jù)疊加在一起，數(shù)據(jù)量將十分龐大，而且數(shù)據(jù)量隨著目標(biāo)數(shù)量、作戰(zhàn)海區(qū)和氣象條件變化動(dòng)態(tài)變化。

1.2數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多

雷達(dá)回波數(shù)據(jù)主要包括地物、目標(biāo)、干擾和雜波數(shù)據(jù)，目標(biāo)數(shù)據(jù)主要包括水面艦艇、民用船只、戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)、民航飛機(jī)、導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)、靶機(jī)等數(shù)據(jù)，干擾數(shù)據(jù)主要包括瞄準(zhǔn)式窄帶噪聲、阻塞式寬帶噪聲、假目標(biāo)、同頻同步、同頻異步、箔條等數(shù)據(jù)，雜波數(shù)據(jù)主要包括接收機(jī)噪聲、海雜波、氣象雜波等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)特點(diǎn)各異，地物數(shù)據(jù)相對(duì)固定，目標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一控制，干擾數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化，雜波數(shù)據(jù)分布范圍廣，在雷達(dá)顯示器這些數(shù)據(jù)需要分層疊加顯示。由于數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)處理涉及的接口就會(huì)增多，受制約的條件和需要考慮的因素也會(huì)增多，也會(huì)在一定程度上增加雷達(dá)模擬仿真數(shù)據(jù)處理的難度。

1.3數(shù)據(jù)處理速度要求高

隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)節(jié)奏加快，特別是反導(dǎo)作戰(zhàn)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)率提出了更高要求。新型艦載警戒雷達(dá)數(shù)據(jù)更新率高達(dá)1～2 s，雷達(dá)高數(shù)據(jù)率會(huì)給雷達(dá)模擬仿真帶來(lái)數(shù)據(jù)計(jì)算要求高、更新速度快等一系列問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)給CPU帶來(lái)一定負(fù)擔(dān)。CPU既要完成大數(shù)據(jù)量計(jì)算和高數(shù)據(jù)率更新，又要完成紋理控制、回波渲染等視頻處理，必然會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算與回波顯示的沖突。

2 CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算技術(shù)

面對(duì)大數(shù)據(jù)量、快更新率和多樣化任務(wù)，單純依靠現(xiàn)有CPU計(jì)算技術(shù)難以解決，因此需要充分挖掘GPU的計(jì)算能力與顯示能力，運(yùn)用CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算技術(shù)來(lái)解決數(shù)據(jù)量大與更新率快之間的矛盾。

2.1GPU的通用計(jì)算能力

基于CPU/GPU異構(gòu)協(xié)同的計(jì)算平臺(tái)作為當(dāng)今計(jì)算機(jī)異構(gòu)混合平臺(tái)的一種，因其強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算能力、圖形處理能力、高性價(jià)比和高性耗比，受到越來(lái)越多的應(yīng)用與關(guān)注。在這個(gè)平臺(tái)中，GPU扮演著十分重要的角色，GPU除用于專(zhuān)業(yè)圖形顯示外，還可用于大量的通用數(shù)據(jù)計(jì)算，并因此形成了GPU通用計(jì)算研究領(lǐng)域。GPU在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，將大量晶體管作為數(shù)據(jù)計(jì)算單元，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度數(shù)據(jù)計(jì)算，降低數(shù)據(jù)延遲[16]。

2.2CPU/GPU協(xié)同計(jì)算

CPU/GPU協(xié)同并行計(jì)算，其基礎(chǔ)在于GPU的計(jì)算能力，其關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)CPU和GPU的有機(jī)協(xié)同與高效配合。在協(xié)同時(shí)，CPU擔(dān)負(fù)必要的GPU管理功能，同時(shí)還擔(dān)負(fù)部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)，與GPU進(jìn)行配合共同完成計(jì)算。

3 具體應(yīng)用

3.1協(xié)同運(yùn)算流程

在應(yīng)用CPU/GPU協(xié)同計(jì)算時(shí)，由CPU完成地物、雜波、目標(biāo)等模擬數(shù)據(jù)的提取、生成與組織，由GPU完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖層融合、紋理控制和回波渲染，以解決數(shù)據(jù)處理與回波顯示之間的矛盾。具體協(xié)同流程與具體分工如圖1所示。

圖1 艦載雷達(dá)模擬仿真CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算流程

3.2CPU數(shù)據(jù)組織與生成

一般艦載雷達(dá)主要采用極坐標(biāo)的方式表示目標(biāo)的斜距和方位，其屏幕中心表示雷達(dá)所在位置，熒光屏上的亮點(diǎn)或亮弧表示目標(biāo)回波。在雷達(dá)模擬仿真中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織，創(chuàng)建一個(gè)二維動(dòng)態(tài)數(shù)組m_RadarEcho[X][Y]，其中X表示目標(biāo)距離，Y表示目標(biāo)方位，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)回波數(shù)據(jù)組織形式

動(dòng)態(tài)二維數(shù)組主要用于存貯所有回波數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)回波、海雜波、地物回波、干擾回波等。每個(gè)單元格用dB值來(lái)表示回波強(qiáng)弱，值越大，回波越強(qiáng)，值越小，回波越弱。數(shù)組大小根據(jù)雷達(dá)量程與回波數(shù)據(jù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，兼顧回波顯示逼真度和雷達(dá)掃描速度兩方面的要求。

在數(shù)據(jù)生成時(shí)，通過(guò)高級(jí)電磁波傳播模型計(jì)算出目標(biāo)、海雜波、干擾、地物等數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

3.3GPU回波渲染與顯示

目前，實(shí)裝雷達(dá)光柵掃描顯示主要是基于專(zhuān)用的圖形處理芯片，并且采用了大量的硬件化設(shè)計(jì)，而模擬仿真的雷達(dá)圖像顯示只能依賴通用圖形顯示處理卡采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。OpenGL是一種不依賴于硬件的直接寫(xiě)屏技術(shù)，利用OpenGL的渲染、α通道技術(shù)設(shè)置主平面和多個(gè)離屏平面、與GDI兼容的設(shè)備環(huán)境句柄，用API函數(shù)完成繪圖功能，通過(guò)對(duì)不同平面象素設(shè)置關(guān)鍵色，在主平面完成疊加顯示等，因此OPENGL能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)光柵掃描顯示，掃描變換及顯示余輝模擬是需要重點(diǎn)解決的兩個(gè)問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)掃描變換時(shí)，由于極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)地址分辨率不同，會(huì)形成所謂顯示盲區(qū)和顯示死地址現(xiàn)象。顯示盲區(qū)是由于在顯示近區(qū)直角坐標(biāo)的分辨率比極坐標(biāo)低，使多個(gè)極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于同一直角坐標(biāo)，這就造成在顯示近區(qū)不同重復(fù)周期間的視頻數(shù)據(jù)寫(xiě)在同一視頻存儲(chǔ)器地址上，在顯示器近區(qū)的小目標(biāo)一閃即逝，極易造成小目標(biāo)丟失。顯示死地址現(xiàn)象是由于在顯示遠(yuǎn)區(qū)極坐標(biāo)分辨率低于直角坐標(biāo)，使得顯示遠(yuǎn)端一些直角坐標(biāo)地址始終不能被訪問(wèn)，從現(xiàn)象上看，在顯示遠(yuǎn)端圖像會(huì)存在一些黑點(diǎn)，這些黑點(diǎn)即死地址，死地址現(xiàn)象影響形成圖像的質(zhì)量，為此需合理地結(jié)合正向變換和逆向變換，從算法上保證掃描變換的質(zhì)量。

由于光柵掃描與傳統(tǒng)的隨機(jī)掃描的掃描機(jī)制不同，光柵掃描無(wú)法自動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)掃描中熒光粉的余輝效應(yīng)，故需要模擬雷達(dá)掃描線的余輝顯示。通常實(shí)現(xiàn)掃描線的余輝方法包括畫(huà)線法、固定扇掃法和逐點(diǎn)消隱法等。其中畫(huà)線法較容易實(shí)現(xiàn)，原理是在屏幕上以畫(huà)直線的方式畫(huà)出每一角度的掃描線，但是當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，掃描線軌跡不斷地在屏幕上轉(zhuǎn)動(dòng)，該方法不能無(wú)縫覆蓋整個(gè)扇掃區(qū)域，從而產(chǎn)生一個(gè)輻射狀的固定花紋。而固定扇掃法是在畫(huà)線法基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種仿真方法，它雖然消除了輻射狀花紋，但對(duì)于沒(méi)有目標(biāo)到有目標(biāo)信號(hào)時(shí)，由于數(shù)據(jù)量的增加會(huì)造成掃描線的轉(zhuǎn)速不同。逐點(diǎn)消隱法產(chǎn)生的余輝效果比較逼真，掃描線轉(zhuǎn)速也較穩(wěn)定，因此采用此法來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法是在一定的時(shí)間內(nèi)，隨機(jī)將視頻存儲(chǔ)器中的內(nèi)容降低一個(gè)灰度等級(jí)，每個(gè)單元都必須被修改，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)屏幕畫(huà)面亮度逐漸衰減。在設(shè)計(jì)時(shí)，每畫(huà)一條掃描線就隨機(jī)產(chǎn)生一些地址，按照隨機(jī)產(chǎn)生的地址將保存在視頻存儲(chǔ)器中的顏色值取出，降低灰度值后再保存回原位置，由于采用此種方法使地址不會(huì)重復(fù)，這樣掃描一周后就應(yīng)該能將整個(gè)視頻存儲(chǔ)器遍歷一遍，從而得到掃描線的余輝效果。因此要得到合理準(zhǔn)確的效果，不重復(fù)隨機(jī)地址的產(chǎn)生是亟需解決的問(wèn)題，通過(guò)建立隨機(jī)余輝地址表的方法可以解決這一問(wèn)題。

3.4CPU和GPU協(xié)同方法

為形成雷達(dá)回波，需要將CPU生成的回波數(shù)據(jù)寫(xiě)入GPU的紋理內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)掃描與回波顯示。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先根據(jù)雷達(dá)天線指向確定需要獲取的回波數(shù)據(jù).假定雷達(dá)天線為i,根據(jù)雷達(dá)天線掃描和余輝顯示需要，確定需要獲取的回波數(shù)據(jù)矩陣Vector[0,X-1][i,i+N]。然后通過(guò)向量元素的遍歷查找算法在CPU內(nèi)存中獲取回波數(shù)據(jù)矩陣。最后，把此回波數(shù)據(jù)矩陣加載到紋理內(nèi)存中，分配給GPU中的片段處理器進(jìn)行處理，在回波更新同時(shí)運(yùn)用紋理內(nèi)存遍歷查找算法進(jìn)行對(duì)應(yīng)更新。算法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

4 模擬仿真

通過(guò)采用傳統(tǒng)CPU運(yùn)算和CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算兩種方法，對(duì)艦載某型警戒雷達(dá)進(jìn)行模擬仿真設(shè)定該艦載雷達(dá)天線架高28 m，量程20 km，天線最大轉(zhuǎn)速60 r/min，初始位置緯度38°56′24″N，經(jīng)度121°37′12″E，仿真機(jī)器配置為：

CPU：Pentium(R) Dual-Core E5400 2.7 GHz；

內(nèi)存：2.0 GB；

圖3 CPU和GPU協(xié)同生成雷達(dá)回波算法實(shí)現(xiàn)流程

顯卡：Nvidia GeForce 210。

其模擬仿真結(jié)果如表1所示，雷達(dá)回波模擬效果如圖4所示。

表1 傳統(tǒng)方法與協(xié)同運(yùn)算方法模擬仿真結(jié)果

圖4 采用協(xié)同運(yùn)算方法的雷達(dá)回波模擬效果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用的CPU/GPU協(xié)同運(yùn)算方法能夠解決新型艦載警戒雷達(dá)模擬仿真數(shù)據(jù)處理量大與數(shù)據(jù)處理速度快的矛盾，提出的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)生成、回波顯示和協(xié)同運(yùn)算方法對(duì)雷達(dá)模擬仿真有著較好的適用性，對(duì)于提高雷達(dá)模擬仿真效果和效率有著重要作用。

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CPU/GPU Collaborative Computing Technology in the Application of Shipborne Alert Radar Lab Simulation

RAOShijun1，XINGZhongchen1，HONGJun1

(Department of Information Operate,Dalian Navy Academy,Dalian 116018,Liaoning,China)

In order to deal with the problems that large simulated data need large computing-capacity magnitude,there exist different types of data which update quickly and are difficult in radar echo display,based on analyzing the characteristics of the radar simulation data processing,the paper introduces the basic conditions of CPU/GPU collaborative computing technology,and puts forward the specific applying method of CPU/GPU collaborative computing technology in the radar simulation data generation and echo display,defines the basic workflow and the task of CPU/GPU collaborative computing,establishes the data organization and generation model of CPU radar simulation,gives out GPU radar echo shader and display methods,and uses the ergodic looking up algorithm of vector elements for radar echo data process and radar echo texture data update.Finally,through the computer simulation for the traditional CPU computing method and the CPU/GPU collaborative computing method,the feasibility and advance of this method are proved.The technology application has important significances to improve shipborne alert radar simulation efficiency and fidelity.

shipborne alert radar; CPU/GPU collaborative computing; echo shader; simulation; data processing; echo display

2016-10-12

饒世鈞(1978-)，男，湖北黃岡人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)作戰(zhàn)使用、雷達(dá)模擬仿真。

Tel.：0411-80856366；E-mail：rsj0207@163.com

TE 319；TN 959.1

：A

：1006-7167(2017)07-0118-04