一種基于mpi并行計(jì)算的星載sar回波數(shù)據(jù)模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，該方法的目的是為了提高星載SAR衛(wèi)星回波生成速度，得到的結(jié)果是星載SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)。本發(fā)明對(duì)星載SAR回波數(shù)據(jù)的模擬是基于消息傳遞接口的，包括有五個(gè)步驟，分別是：步驟一：任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)對(duì)模擬任務(wù)（SAR圖像）進(jìn)行了任務(wù)分配與回波數(shù)據(jù)矩陣大小設(shè)置；步驟二：由多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用多進(jìn)程并行來完成任務(wù)計(jì)算；步驟三：動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成的任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配；步驟四：量化節(jié)點(diǎn)依據(jù)量化條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化處理；步驟五：數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)對(duì)量化后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到星載SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)。
【專利說明】—種基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種星載SAR的信號(hào)處理方法，更特別地說，是指一種基于MPI并行計(jì) 算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]星載SAR (Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達(dá))是一種具有全天候、全天 時(shí)的能力的成像系統(tǒng)，不受云、雨、霧、黑夜等自然條件的限制，在軍事領(lǐng)域、地形測(cè)繪等許 多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。星載SAR系統(tǒng)原始回波信號(hào)的模擬對(duì)SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)、成像算法 研究等有重要意義。[0003]1999年10月哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社出版、劉永坦編著的《雷達(dá)成像技術(shù)》指出，合 成孔徑雷達(dá)(SAR, Synthetic Aperture Radar)安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,按照一定的重復(fù)頻率發(fā) 射、接收脈沖，形成回波信號(hào)。SAR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，SAR系統(tǒng)包括有星上雷達(dá)系 統(tǒng)、衛(wèi)星平臺(tái)及數(shù)據(jù)下傳系統(tǒng)和地面系統(tǒng)三部分，對(duì)合成孔徑雷達(dá)成像處理是在地面系統(tǒng) 中完成的。地面系統(tǒng)通過地面接收站接收衛(wèi)星平臺(tái)及數(shù)據(jù)下傳系統(tǒng)下發(fā)的回波信號(hào)，該回 波信號(hào)經(jīng)SAR信號(hào)處理器進(jìn)行成像處理，獲得SAR圖像；所述SAR圖像存儲(chǔ)于備檔操作系統(tǒng) 中。[0004]MPI (Message Passing Interface,消息傳遞接口)是由全世界工業(yè)、科研和政 府部門聯(lián)合建立的一個(gè)消息傳遞編程標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中定義了一組函數(shù)接口用于進(jìn)程間的消息 傳遞，其目的是為基于消息傳遞的并行程序設(shè)計(jì)提供一個(gè)高效、可擴(kuò)展、統(tǒng)一的編程環(huán)境。 1992年4月29日至30日，在威吉亞尼的威廉姆斯堡召開的分布存儲(chǔ)環(huán)境消息傳遞標(biāo)準(zhǔn)討 論會(huì)標(biāo)志著MPI標(biāo)準(zhǔn)化的開始。由Dongarra, Hempel和Walker提議的初始草案于1992年 11月推出，并在1993年2月完成修訂，形成了 MP1-1版本。到1997年7月，對(duì)MPI1.0進(jìn)行 了重大的擴(kuò)充，推出了 MP1-2版本。[0005]傳統(tǒng)的星載SAR系統(tǒng)回波數(shù)據(jù)模擬采用仿物理回波生成方式，采用串行方式收集 每個(gè)散射元的多普勒信息，計(jì)算方式復(fù)雜，運(yùn)算量巨大。對(duì)于一個(gè)512X512的點(diǎn)陣形散射 元，運(yùn)行時(shí)間可達(dá)3天。目前，對(duì)于星載SAR回波模擬研究的快速回波生成技術(shù)已成為熱點(diǎn) 問題。張超等提出了基于SOCKET并行計(jì)算的回波數(shù)據(jù)模擬方法，但依然采用了傳統(tǒng)的目標(biāo) 回波生成方式。易予生等提出了利用MATLAB中DCT (Destributed Computing Toolbox) 工具箱進(jìn)行回波模擬，并采用了與張超等相同的回波生成方式。路興強(qiáng)等提出了基于FFT (快速傅里葉變換)的回波生成方式，并采用了 MPI進(jìn)行計(jì)算，大大提高了運(yùn)行效率。以上研 究僅僅考慮了接收機(jī)內(nèi)部視頻段正交解調(diào)后的信號(hào)模擬，無法加入系統(tǒng)鏈路誤差、后端AGC (自動(dòng)增益控制)處理等，模擬環(huán)節(jié)考慮不足。至今，國內(nèi)外尚未有提出可完整反映系統(tǒng)鏈路 環(huán)節(jié)的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是為了提出一種基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，該方法利用控制節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)模擬任務(wù)切分為大顆粒運(yùn)算任務(wù)，利用MPI消息傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)運(yùn)算任務(wù)的分配，收集各子孔徑回波信號(hào)的強(qiáng)度信息，最后利用信息共享的方式獲得全孔徑的星載SAR回波數(shù)據(jù)。本發(fā)明解決了大型地面目標(biāo)模擬運(yùn)行時(shí)間較長的問題， 利用這種方法可以保證回波模擬精度并大大提高運(yùn)算效率，且適應(yīng)多種掃描模式的回波模擬任務(wù)。[0007]本發(fā)明的一種基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，其特征在于對(duì)星載SAR回波數(shù)據(jù)的模擬是基于消息傳遞接口的，包括有五個(gè)步驟，分別是:[0008]步驟一:任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)對(duì)模擬任務(wù)進(jìn)行了任務(wù)分配與回波數(shù)據(jù)矩陣大小設(shè)置；[0009]所述任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)先設(shè)置出回波數(shù)據(jù)模擬的矩陣大小，記為XNsw，然后通過矩陣大小確定出任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的內(nèi)存大小，即為Nm XN’距離X8字節(jié)。[0010]步驟二:由多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用多進(jìn)程并行來完成任務(wù)計(jì)算；[0011]每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)依據(jù)任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的內(nèi)存大小為N方位XN’ X8字節(jié)進(jìn)行每個(gè)進(jìn)程的消息傳遞接口初始化；然后，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)依據(jù)對(duì)應(yīng)進(jìn)程、以及進(jìn)程對(duì)應(yīng)的方位時(shí)刻的所有方位時(shí)間采樣點(diǎn)，計(jì)算得到回波信號(hào)散射強(qiáng)度；[0012]步驟三:動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成的任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配；[0013]所述動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的value__max和value__min分發(fā)給所有的量化節(jié)占.[0014]步驟四:量化節(jié)點(diǎn)依據(jù)量化條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化處理；[0015]步驟五:數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)對(duì)量化后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到星載SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)。[0016]采用本發(fā)明方法得到星載SAR原始回波數(shù)據(jù)，可減少回波數(shù)據(jù)模擬的運(yùn)行時(shí)間， 可適應(yīng)多種掃描模式的回波模擬任務(wù)，即支持服務(wù)器架構(gòu)的集群運(yùn)算環(huán)境，又支持基于局域網(wǎng)連接的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算環(huán)境。[0017]本發(fā)明基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法的優(yōu)點(diǎn):[0018]①基于MPI的消息傳遞機(jī)理，由控制節(jié)點(diǎn)分配任務(wù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立的完成運(yùn)算，保證了回波數(shù)據(jù)模擬過程中可能出現(xiàn)的信息交叉?zhèn)鬟f錯(cuò)誤，在提高運(yùn)算效率的同時(shí)，保證了回波數(shù)據(jù)模擬過程的準(zhǔn)確性。[0019]②采用升采樣和卷積的方式，在頻域完成多點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)的模擬，極大的減少了 了回波模擬的運(yùn)算量，提高了運(yùn)行效率。[0020]③通過頻域的增采樣，較好的控制了提升運(yùn)行效率所引入的模擬失真，能夠更準(zhǔn)確的重建回波信號(hào)的真實(shí)特性。【專利附圖】

【附圖說明】[0021 ] 圖1是傳統(tǒng)SAR系統(tǒng)框圖。[0022]圖2是本發(fā)明的基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬的結(jié)構(gòu)框圖。[0023]圖2A是本發(fā)明的一種計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成星載SAR回波數(shù)據(jù)的計(jì)算流程圖。[0024]圖3是星載SAR空間幾何關(guān)系不意圖?！揪唧w實(shí)施方式】`[0025]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。[0026]本發(fā)明的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬是在備檔操作系統(tǒng)(參見圖1所示)中完成的。具體地，是對(duì)SAR信號(hào)處理器輸出的SAR圖像進(jìn)行星載SAR原始回波數(shù)據(jù)的模擬拾取。備檔操作系統(tǒng)可以是由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示，多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間采用MPI進(jìn)行信息傳遞。 根據(jù)每臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行的任務(wù)不同，可以將執(zhí)行控制任務(wù)分配的計(jì)算機(jī)稱為任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)， 將執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的計(jì)算機(jī)稱為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，將依據(jù)量化條件進(jìn)行量化計(jì)算的計(jì)算機(jī)稱為量化節(jié)點(diǎn)，將執(zhí)行數(shù)據(jù)拼接的計(jì)算機(jī)稱為數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)，將收集并控制原始回波數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算機(jī)稱為動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程的并行計(jì)算，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)和所述量化節(jié)點(diǎn)設(shè)置為多個(gè)，即A計(jì)算節(jié)點(diǎn)、B計(jì)算節(jié)點(diǎn)、M -1計(jì)算節(jié)點(diǎn)、M計(jì)算節(jié)點(diǎn)、A量化節(jié)點(diǎn)、B量化節(jié)點(diǎn)、M — I量化節(jié)點(diǎn)、M量化節(jié)點(diǎn)。所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用如圖2A所示的流程進(jìn)行計(jì)算。而所述量化節(jié)點(diǎn)均采用量化條件對(duì)SAR回波數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理。[0027]計(jì)算機(jī)是一種能夠按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。最低配置為CPU四核主頻2GHz，內(nèi)存4GB，硬盤180GB ； 操作系統(tǒng)為 windows XP64bit\windows server200864bit ;并行接口為 MPICH1.0.1p 版本。[0028]本發(fā)明是一種基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，該方法的目的是為了提高星載SAR衛(wèi)星回波生成速度，得到的結(jié)果是星載SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)。參見圖2、圖 2A所示，本發(fā)明對(duì)星載SAR回波數(shù)據(jù)的模擬是基于消息傳遞接口的，包括有五個(gè)步驟，分別是:[0029]步驟一:任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)對(duì)模擬任務(wù)(SAR圖像)進(jìn)行了任務(wù)分配與回波數(shù)據(jù)矩陣大小設(shè)置；[0030]步驟二:由多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用多進(jìn)程并行來完成任務(wù)計(jì)算(如圖2A所示)；[0031]步驟三:動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成的任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配；[0032]步驟四:量化節(jié)點(diǎn)依據(jù)量化條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化處理；[0033]步驟五:數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)對(duì)量化后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到星載SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)。[0034]任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)[0035]在本發(fā)明中，參見圖2所示，在基于MPI傳輸過程中，任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能為: 任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)先設(shè)置出回波數(shù)據(jù)模擬的矩陣大小，記為XNsw，然后通過矩陣大小確定出任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的內(nèi)存大小，即為N方位XN’距離X8字節(jié)。[0036]在本發(fā)明中，所模擬的原始回波信號(hào)數(shù)據(jù)為一個(gè)復(fù)數(shù)型二維矩陣，采用矩β|_2 …::
【權(quán)利要求】
1.一種基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，其特征在于對(duì)星載SAR回波數(shù)據(jù)的模擬是基于消息傳遞接ロ的，包括有五個(gè)步驟，分別是: 步驟ー:任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)對(duì)模擬任務(wù)進(jìn)行了任務(wù)分配與回波數(shù)據(jù)矩陣大小設(shè)置； 所述任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)先設(shè)置出回波數(shù)據(jù)模擬的矩陣大小，記為Nm4 XNtes，然后通過矩陣大小確定出任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的內(nèi)存大小，即為Nm4 XN’距離X8字節(jié)； 步驟二:由多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用多進(jìn)程并行來完成任務(wù)計(jì)算； 每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)依據(jù)任務(wù)分配節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的內(nèi)存大小為Nm4 XN’ X8字節(jié)進(jìn)行每個(gè)進(jìn)程的消息傳遞接ロ初始化；然后，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)依據(jù)對(duì)應(yīng)進(jìn)程、以及進(jìn)程對(duì)應(yīng)的方位時(shí)刻的所有方位時(shí)間采樣點(diǎn)，計(jì)算得到回波信號(hào)散射強(qiáng)度； 步驟三:動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成的任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配； 所述動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的value 0S_max和value __min分發(fā)給所有的量化節(jié)點(diǎn)； 步驟四:量化節(jié)點(diǎn)依據(jù)量化條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化處理； 步驟五:數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)對(duì)量化后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到星載SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，其特征在于:每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)在獲取回波信號(hào)散射強(qiáng)度的執(zhí)行步驟為: (一)獲取散射元與衛(wèi)星的相對(duì)位置，即視線距離記為為+^7/+?)172，Xat表示散射元在天線坐標(biāo)系中的X軸上的值，yat表示散射元在天線坐標(biāo)系中的Y軸上的值，Zat表示散射元在天線坐標(biāo)系中的Z軸上的值；視線夾角記為
rj へ I/ Jl ^=Siir1 mmm.HZ' + CL (二)計(jì)算回波散射強(qiáng)度信號(hào) 對(duì)于任意ー個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)M的進(jìn)程Pm，其分配的子孔徑方位向點(diǎn)數(shù)為NUMm，其所需模擬的子孔徑回波信號(hào)大小為NUMmXN’距離，在新的采樣率fs’ =fsXL對(duì)其距離向進(jìn)行L倍升采樣，既構(gòu)造得到ー個(gè)大小為NUMmX (N’距離XL)的復(fù)數(shù)矩陣；
ゎ& *?* bV-Nf , 0 …0 ECfiofl^n=逆2 …0 …0 ir>tvf 1-**,,
--繆繆***hM bM...hMo 0
NlIM -1 M/M -2NUM -N/*
L1 歐副1JiYWsix(i￥'ssx￡) NUMm表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑方位向總的采樣點(diǎn)數(shù)； N’ XL表示沿距離向進(jìn)行L倍升采樣后的距離向新的采樣點(diǎn)數(shù)； 仏表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第I個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第I個(gè)采樣點(diǎn)； ぬ表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第I個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第2個(gè)采樣點(diǎn)；も表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第I個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第Nsw個(gè)采樣點(diǎn)； 也表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第2個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第I個(gè)采樣點(diǎn)； ぜ—2表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第2個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第2個(gè)采樣點(diǎn)；必—v表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第2個(gè)方位時(shí)刻的距
ム 1 V ^離向的第Nsw個(gè)采樣點(diǎn)；表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第NUMm個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第I個(gè)采樣點(diǎn)；h 2表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第NUMmI個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第2個(gè)采樣點(diǎn)；^U￥ -N表示M計(jì)算節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程Pm的子孔徑沿方位向上采集到的第NUMmI個(gè)方位時(shí)刻的距離向的第Ntes個(gè)采樣點(diǎn)； 在進(jìn)程Pm對(duì)應(yīng)的方位向衛(wèi)星模擬時(shí)間段為[V1, tM)，在衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)刻t下，且有t G tM);計(jì)任意一個(gè)散射元與此時(shí)刻t衛(wèi)星的相對(duì)距離Rt和視線夾角et，即波前距離記為RwftSCA ；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，其特征在于:每個(gè)量化節(jié)點(diǎn)采用量化條件進(jìn)行的量化處理為:任意一個(gè)量化節(jié)點(diǎn)依據(jù)量化條件
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，其特征在于:對(duì)量化節(jié)點(diǎn)輸出的量化后回波數(shù)據(jù)的拼接為:數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)按照方位向子孔徑分配順序?qū)⒌贏，B，...，M個(gè)計(jì)算進(jìn)程對(duì)應(yīng)的量化子孔徑回波數(shù)據(jù)按順序排列，沿方位向子孔徑拼接并賦值給全孔徑回波數(shù)據(jù)矩陣ECHO4^ee化，該矩陣大小為N方位XN’距離’且有
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPI并行計(jì)算的星載SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，其特征在于:多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與多個(gè)量化節(jié)點(diǎn)采用并行方式進(jìn)行處理。
【文檔編號(hào)】G01S7/41GK103558592SQ201310462986
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】于澤, 李洲, 李春升, 劉敏 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)