基于并行计算技术的雷达电磁环境仿真平台设计

刘肖静,王 博,邹广超

(南京科瑞达电子装备有限责任公司，南京 211100)

0 引 言

随着科学技术的发展，战场电磁环境越来越复杂。雷达信号和通信信号瞬息万变，信号动态范围大，带宽宽窄各异，调制方式千变万化。此外，电磁脉冲、电磁干扰、雷电雨雪等自然环境的影响使得电磁环境极其复杂。[1]复杂的电磁环境是未来电子战的基本特征，也是从传统作战方式向电子战转变必须研究的问题。作为电子战装备的应用环境，电磁环境的研究对电子战装备的性能检验、功能鉴定等都有重要的指导意义。

电磁环境的复杂性给其组成模块的建模工作带来了巨大的挑战。建立的模型既要能模拟变化的电磁信号，也要能模拟变化着的自然环境。在现有串行设计方法下搭建的电磁环境仿真平台，由于各模块运行之间的协调等待，不但计算时间长，而且不能逼近仿真电磁环境的实时变化，严重影响了电磁环境仿真的实时性设计。为了解决这个问题，本文研究了用于提升计算性能的并行技术。在分析了电磁环境组成后，搭建了基于并行计算技术的雷达脉冲信号电磁环境仿真平台。经过接入电子侦察仿真平台测试，验证了该仿真平台具备了模拟雷达电磁环境的功能，而且与串行设计相比缩短了运行时间，使电磁环境脉冲生成的实时性得到了有效的保证。

1 电磁环境

电磁环境是一定的作战时空内人为电磁发射和多种电磁现象的总和。构成电磁环境的主要因素有敌我双方的多种电子对抗装备辐射的电磁波、民用电子设备辐射的电磁波和自然界产生的电磁波等。[2]战场电磁环境一般可以用以电磁密度、信号强度、信号类型、信号分布等参数来描述。[3]本文主要针对战场电磁环境中的雷达装备产生的电磁脉冲辐射信号分析和实现电磁环境仿真。

1.1 雷达电磁环境模型描述

本文对雷达电磁环境各组成部分和相关功能处理分别建模，模型组成如图1所示。用雷达辐射源相关参数的生成构建了背景雷达辐射源模型。通过电磁波在自然环境中的传输影响分析，生成了大气环境模型和气象环境模型。坐标转换模型则是对参与平台的参数进行统一参考点的定义。根据常见的雷达侦察设备性能指标建立了侦察接收机模型。

图1 电磁环境组成模型

1.2 雷达电磁环境仿真平台组成

根据电磁环境中的背景雷达参数，仿真生成到达接收机的脉冲描述字是电磁环境仿真的主要任务。依据其功能实现，将雷达电磁环境仿真平台划分为5个模块，模块功能及其之间的信息流如图2所示。

图2 雷达电磁环境仿真平台信息流图

2 并行计算技术

2.1 一般概念

并行计算指的是在同一时刻有多个计算任务同时运行。从性能上讲，它体现了计算效率的高低。

随着多核CPU的开发以及计算能力需求的不断提升，如何提高多核CPU的计算性能成为行业人员重点关注的问题。目前，基于多核的并行计算研究是提高计算性能的主要研究方向。[4]

在拥有多核处理器的平台上，某一时刻可以同时运行几个线程，从而充分利用多核资源提高程序设计的计算效能。[5]某个时刻同时工作的任务(线程或者进程)的数量称为并行度。并行度越高，说明同时运行的任务越多。如果相应的核数合适的话，可以提高整体的计算能力。

由此可见，采用多处理器，同时多线程，可以构成时间、空间并行，适应多种数据和多任务的并行计算模型。

2.2 并行程序开发工具

本文使用Intel Parallel Studio XE中TBB(线程构建模块)提供的并行算法模板、线程安全容器以及流程图等来实现对电磁环境仿真的并行化流程设计。

Intel Parallel Studio XE是英特尔推出的高性能并行程序开发工具集[6]，主要有Parallel Composer、Parallel Inspector和Parallel Amplifier这3个模块。Parallel Composer主要包含C/C++编译器、IPP性能库、TBB多线程开发库。Parallel Inspector主要是用来对多线程和内存的正确性检查。Parallel Amplifier是一个性能分析器，用来优化程序设计。

TBB模板库为并行编程提供了丰富的、抽象的模板库和类。从底层原语到高层的并行算法模板、线程安全容器，以及可扩展内存管理、任务管理模板等，为并行设计提供了强有力的技术支持。

3 雷达电磁环境并行仿真平台架构设计

由电磁环境组成可知，仿真流程中数据计算主要集中在3处：(1)背景雷达脉冲参数的生成，(2)电磁环境脉冲序列生成，(3)到达侦察接收机的脉冲数据生成。分别对这几个模块进行并行计算设计，得到电磁环境仿真并行实现架构示意图，如图 3所示。图中，多个雷达生成脉冲和多个侦察接收机接收脉冲的生成均使用parallel_for并行完成。下面分别对电磁环境仿真各部分的并行设计展开描述。

图3 电磁环境仿真并行实现架构示意图

3.1 电磁环境背景雷达脉冲生成

背景雷达脉冲采用并行化流程图方式生成。流程图设计如图 4所示，共有重频(PRI)调制、载频(RF)调制、脉宽(PW)调制、天线调制和发射脉冲生成5个节点。重频调制作为输入节点，载频调制、脉宽调制、天线调制节点接收重频调制节点生成的数据后计算各自相关参数，然后在发射脉冲节点进行数据汇合，生成雷达发射脉冲参数。

图4 雷达脉冲参数并行生成

3.2 侦察设备脉冲描述字生成

脉冲参数生成流程图如图 5所示。为了生成到达侦察设备的脉冲数据，首先结合背景雷达和雷达侦察设备的位置信息，判断侦察设备是否在雷达的视距范围内；如果在雷达视距范围内，则根据雷达信号传播特征计算到达雷达侦察设备的信号功率；如果到达的信号功率在侦察设备的灵敏度范围内，则根据雷达信号和侦察设备的方位距离信息计算到达侦察设备的脉冲参数。

电磁环境中各雷达侦察设备的脉冲参数生成采用TBB提供的parallel_pipeline算法并行生成。生成到达侦察设备的脉冲参数后需要分别对到达各侦察设备的脉冲数据进行排序。本文使用了TBB提供的parallel_sort对脉冲数据进行并行排序。

图5 到达雷达侦察设备脉冲

4 仿真验证

4.1 平台性能验证

为了验证设计的雷达电磁环境仿真平台性能，构建仿真场景态势如图6所示。仿真场景态势中共有两架飞机，一架挂载雷达设备，一架挂载雷达侦察设备。雷达设备工作参数如表1所示。仿真平台硬件运行环境为Intel i7-6700@3.40 GHz处理器(4核8线程)，32 GB内存台式计算机。

图6 仿真场景态势图

表1 雷达设备工作参数

对仿真过程中雷达侦察设备侦收到的脉冲进行分析处理，得到信号频率分布图如图7所示，信号重复周期图如图8所示。对比仿真场景中雷达设备的参数，可见该仿真平台能够正确模拟电磁环境中雷达脉冲的生成，实现雷达电磁环境仿真的主要功能。

图7 信号频率图

图8 信号重复周期图

4.2 实时性验证

为了比较仿真串行处理和并行处理的实时性能，并验证仿真雷达数量和脉冲密度对处理性能的影响，搭建了3种仿真场景进行对比验证。

场景1部署10部雷达，合计生成脉冲密度为10万脉冲/s。场景2部署10部雷达，合计生成脉冲密度为20万脉冲/s；场景3部署20部雷达，合计生成脉冲密度为20万脉冲/s。仿真硬件运行环境同4.1节所示。因为实时性测试不涉及雷达参数测量，这里不再对配置雷达参数进行详细说明。仿真得到不同场景下脉冲生成计算时间表如表2所示。

表2 脉冲生成时间

从表2可以得出以下结论：在相同计算条件下，采用并行设计的生成脉冲耗时明显优于串行设计。

对场景1和场景2的结果进行比对，串行计算情况：20万脉冲密度环境下较10万脉冲密度耗时翻倍，即仿真计算耗时同脉冲密度为线性关系。并行计算情况：在20万脉冲密度环境下较10万脉冲密度耗时约为1.5倍。

从场景2和场景3的对比中可以看出，同样的脉冲密度条件下，随着雷达个数的不同，同种计算条件下脉冲生成时间基本相同。

并行计算时，多核之间的资源调度需要一定的时间。当计算复杂度较低时，资源调度的时间占据整个计算所需时间的比重大；反之，当计算的复杂度较高时，资源调度占据的比重就小。当采用并行处理时，需要根据算法的复杂度选择合理的并行调度策略，提高系统资源的利用率，以达到最优的计算性能。

5 结束语

为了解决电磁环境仿真实时性问题，本文在研究了并行计算特征的基础上分析了电磁环境的组成和相关影响因素，提出了基于并行计算技术的雷达电磁环境仿真设计方法，并完成了该电磁环境仿真平台的性能测试验证。测试验证证实该仿真平台能够模拟真实电磁环境，实时生成稳定的脉冲数据。鉴于该平台在仿真性能上具备良好的实时性和稳定性特点，现已应用于电子战仿真系统中。