分布式星載sar回波仿真的并行化計算研究(編輯修改稿)
2025-07-23 11:50 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 各個節(jié)點上，只要任務的分配是合適的，就能使整個程序的數(shù)據(jù)處理能力成倍的增加。 曙光并行機簡介在本論文進行的研究中，我們使用曙光4000B并行刀片機作為仿真平臺。曙光4000B刀片機是一臺基于消息傳遞機制的大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)（MPP）。它由8個SMP超節(jié)點組成，每個SMP超節(jié)點具有2個超線程技術(shù)（HT）的INTEL CPU，這兩個CPU共享2GB內(nèi)存和40GB硬盤。8個SMP超節(jié)點之間通過千兆以太網(wǎng)連接，對外部網(wǎng)絡通過百兆以太網(wǎng)連接。 使用曙光并行機仿真回波的產(chǎn)生過程在這一部分，主要介紹實現(xiàn)分布式小衛(wèi)星SAR地面回波仿真并行化過程需要解決的三個問題：，多星接收回波過程（以下統(tǒng)一簡稱單發(fā)多收過程）和多星發(fā)射微波，多星接收回波過程（以下統(tǒng)一簡稱多發(fā)多收過程）的解決策略；；，各并行計算節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳遞策略。(1) 實現(xiàn)單發(fā)多收與多發(fā)多收過程的策略前面已經(jīng)介紹了SAR回波仿真的基本原理，它是整個仿真系統(tǒng)的核心，也是需要并行化實現(xiàn)的部分。但是為了實現(xiàn)小衛(wèi)星系統(tǒng)SAR地面目標回波數(shù)據(jù)的仿真，還需要向仿真系統(tǒng)傳遞仿真參數(shù)，因此首先確定仿真模塊的劃分，仿真系統(tǒng)劃分為兩個基本模塊：仿真參數(shù)獲取模塊與點目標回波仿真模塊。由仿真參數(shù)獲取模塊獲取仿真參數(shù)（包括衛(wèi)星參數(shù)與雷達參數(shù)）并以發(fā)送微波和接收回波的小衛(wèi)星參數(shù)為輸入?yún)?shù)調(diào)用點目標仿真模塊，生成點目標回波仿真數(shù)據(jù)。由于分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)發(fā)送微波的雷達與接收回波的雷達在絕大多數(shù)情況下并非同一個，因此仿真參數(shù)獲取模塊在每次仿真時需要向點目標仿真模塊提供發(fā)射微波的衛(wèi)星參數(shù)以及接收回波的衛(wèi)星參數(shù)。為了實現(xiàn)單發(fā)多收的仿真過程，需要建立接收回波的小衛(wèi)星隊列，隊列中每個節(jié)點包含一個接收回波的小衛(wèi)星參數(shù)。仿真時每次從接收回波的小衛(wèi)星隊列中摘取一個接收回波的小衛(wèi)星節(jié)點，并將發(fā)送微波的衛(wèi)星節(jié)點與接收回波的小衛(wèi)星節(jié)點參數(shù)提供給點目標仿真模塊進行仿真。循環(huán)執(zhí)行該過程直到接收回波的小衛(wèi)星隊列為空。該過程如圖1所示。多發(fā)多收的仿真過程以單發(fā)多收的仿真過程為基本單元，為了實現(xiàn)多發(fā)多收仿真過程，需要建立發(fā)送微波的小衛(wèi)星隊列，隊列中每個節(jié)點包含一個發(fā)送微波的小衛(wèi)星參數(shù)，每個發(fā)送微波小衛(wèi)星對應一個接收回波的小衛(wèi)星隊列。仿真時，每次從發(fā)送微波隊列中摘取一個發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點，以該節(jié)圖1 單發(fā)多收的仿真過程示意圖點為發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點執(zhí)行一次單發(fā)多收的仿真過程，循環(huán)執(zhí)行此過程直到發(fā)送衛(wèi)星隊列為空為止。該過程如圖2所示。圖2 多發(fā)多收過程的仿真示意圖(2) 生成回波數(shù)據(jù)的并行仿真策略使用曙光機并行仿真回波數(shù)據(jù)需要解決的另一個問題是對并行任務的分配問題。在用并行機處理數(shù)據(jù)時需要關(guān)注兩個問題，一是平均分配運算任務，使所有并行節(jié)點的工作負載基本平衡。這樣才能最大的發(fā)揮并行程序的性能；二是合理劃分并行任務粒度（task granularity）的尺寸大小，獲得最大的并行性。使用并行機處理數(shù)據(jù)時，首先要解決的問題工作負載的平衡問題。合理劃分工作任務，使得各個運行節(jié)點平均分擔運算任務，才能近似同時運算，同時完成任務，最大地發(fā)揮并行機的性能。合理劃分任務粒度是另一個需要解決的重要問題。通常用R/C的比值作為衡量任務粒度的尺度，其中R代表程序的執(zhí)行時間，C代表用于通信的開銷。在粗粒度（coarse grain）的并行情況下，R/C的比值比較大，每個單位計算只需要少量的通信。在細粒度（fine grain）并行情況下，R/C比值比較小，每個單位計算有很大的通信量和其它的開銷[6]。在粗粒度的并行情況下，并行節(jié)點之間額外的通信開銷較小，并行程序能夠獲得較大的加速性能。但是由于任務粒度較大，因此無法完全發(fā)掘程序的并行性；在細粒度的并行情況下，每個并行節(jié)點可以將一個程序盡可能地分解成能并行執(zhí)行的小任務，充分發(fā)掘程序的并行性。但是由于并行執(zhí)行的任務數(shù)量較多，并行節(jié)點之間的通信開銷大大增加，降低并行程序的加速性能。SAR地面目標回波仿真的過程是多個點目標回波仿真數(shù)據(jù)的疊加過程,如公式(4)所示。
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