ПРИМЕНЕНИЕ OPENCL ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТРАЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

В настоящее время актуальным вопросом системотехники являются радиотехнические системы, способные работать в режиме реального масштаба времени. В настоящей работе рассматривается подход к реализации стенда полунатурного моделирования, предназначенного для формирования в реальном масштабе времени сигнала отраженного морской поверхностью в КВ диапазоне. Такой стенд востребован для проведения настройки и тестирования радиолокационного измерителя статистических характеристик волнения моря РИВ- 200.

В работах [1, 2] показано, что импульсная характеристика наиболее полно описывает рассеивающие свойства протяженной поверхности. Использование импульсной характеристики отражения поверхности (ИХОП) позволяет получать реализации отраженного сигнала от морской поверхности с минимальными вычислительными затратами [3, 4]. Также отмечено [3], что потенциально, возможно достичь получения реализаций отраженного сигнала в реальном масштабе времени (цикл моделирования менее 10 мс).

Методика расчета импульсной характеристики отражения поверхности. Рассмотрим алгоритм формирования динамической импульсной характеристики отражения поверхности. В работе [1] отмечено, что при ограничении диапазона частот анализа сверхширокополосной радиолокационной характеристики (РЛХ), речь идет о так называемой «сглаженной» РЛХ. В этом случае, для получения сглаженной импульсной характеристики, длительность тестового импульса определяется минимальным интервалом дискретизации полезного сигнала DT выбранного согласно теореме Котельникова. Таким образом, сглаженная импульсная характеристика отражения подстилающей поверхности есть временная зависимость напряжения в согласованной нагрузке приемной антенны [3], как реакции поверхности на излученный тестовый импульс

Особенности реализация алгоритма расчета ИХОП на OpenCL. OpenCL разрабатывался как технология для создания приложений, которые могли бы исполняться в гетерогенной среде. Более того, он разработан так, чтобы обеспечивать комфортную работу с широким спектром различных устройств. Для координации работы всех этих устройств в гетерогенной системе всегда имеется одно «главное» устройство, которое взаимодействует со всеми остальным посредствами OpenCL API. Такое устройство называется «хост», он  определяется вне OpenCL. На Рисунке 1 представлена иерархия OpenCL.

Платформа OpenCL состоит из хоста соединенного с устройствами, поддерживающими OpenCL. Каждое OpenCL-устройство состоит из вычислительных блоков (Compute Unit), которые далее разделяются на один или более элементы-обработчики (Processing Elements) [5]. OpenCL обрабатывает очередь команд поступающих от хоста, формируемую кодом выполняемым на центральном процессоре (ЦП).

Поскольку, как следует из выражения для импульсной характеристики, отсчеты ИХОП рассчитываются независимо для каждого кольца дальности (КД) (см. Рисунок 2), их вычисление можно производить одновременно на разных вычислительных блоках. Управляя работой вычислительных блоков и элементов- обработчиков с помощью кода, запускаемого на ЦП, можно устанавливать параметры расчета и  извлекать результаты вычислений отсчетов ИХОП для каждого КД. Далее полученные отсчеты нормируются и производится подавление постоянной составляющей.

На Рисунке 2 приняты следующие обозначения:  b - половина ширины диаграммы направленности антенны; dR - шаг дискретизации по проекции наклонной дальности; dq - шаг дискретизации по азимуту.

Результаты моделирования. Был выполнен расчет импульсной характеристики отражения от пространственной монохроматической волны с помощью программы, разработанной на языке программирования высокого уровня С. Программа выполнялась на центральном процессоре (Intel Pentium CPU B940) в одном потоке. Результирующая ИХОП представлена на Рисунке 3(длина поверхностной волны L = 10м , высота волны H = 1м , высота расположения приемо-передатчика Z= 4 км ). Аналогичный расчет выполнялся и на других вычислительных устройствах с использованием OpenCL. Так, например, расчет 4.2х104отчетов ИХОП на ЦП занял 55 секунд, с использованием же OpenCL (NVIDIA GeForce GT 650 M)– 3.2 с.

Таблица 1 

Сравнение производительности расчетов ИХОП

Таким образом, в данной работе был сделан первый шаг к реализации стенда полунатурного моделирования, вычисляющего импульсную характеристику отражения от поверхностно-распределенной цели. В качестве примера была рассчитана ИХОП от монохроматической пространственной волны. Было показано, что, используя для расчетов ИХОП вычислительные устройства, предназначенные для параллельных многоядерных вычислений, можно увеличить производительность в несколько раз. Так, например, видеокарта Nvidia GF GT 650M имеет выигрыш в производительности 17.7 раз в сравнении с ЦП Intel CPU B940. Это объясняется тем, что Nvidia GF GT 650M хотя и имеет более низкую тактовую частоту – 900 МГц (против 2 ГГц у ЦП), но при этом обладает большим количеством потоковых процессоров (вычислительных блоков) – 384. Таким образом, имея в наличии определенное количество таких вычислительных устройств и синхронизируя их с помощью главного управляющего узла (ЦП), можно добиться вычислений в реальном масштабе времени. В качестве исполнительных устройств могут быть задействованы в том числе и специализированные блоки, поддерживающие платформонезависимый OpenCL (например, американская фирма Altera, выпускающая высококачественные ПЛИС, обеспечила производимые устройства поддержкой OpenCL).

Список литературы

1.     Варганов М.Е., Зиновьев Ю.С., Астанин Л.Ю. и др. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов. /под ред. Л.Т. Тучкова. М.: Радио и связь, 1985. 236 с.

2.     Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М.: Радио и связь, 1986. 184 с.

3. Потипак М.В. Модель рассеяния радиолокационных сигналов протяженными квазипериодическими поверхностями: Дис… канд. тех. наук. – Таганрог., 2011. – 209 с.

4.     Lobach V.T.,   Potipak M.V. Modeling   of   modulated  signals back-scattering  from quasiperiodic   surface. //ProceedingsofSPIEAeroSense.2003. vol. 5097. pp. 141-148.

5.     Khronos Group. The OpenCL Specification. Version 1.0.URL: https://www.khronos.org/registry/cl/sdk/1.0/docs/man/xhtml/ (дата обращения: 01.10.2014).