基于MPI OpenMP的雷达信号脉内分析并行加速方法.pdf

收稿日期:2 0 2 3 0 3 1 9基于MP I+O p e n MP的雷达信号脉内分析并行加速方法姚 群,童 真,柴 恒(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 2 2 5 1 0 1)摘要:雷达脉内分析一般采用中频数据,数据量大,处理算法复杂,运算量大,实时性差。基于多节点高性能多核C P U信号处理平台,提出了一种基于消息传递接口(MP I)+开放式多处理(O p e n MP)的雷达信号脉内分析技术,综合利用了MP I跨节点并行以及O p e n MP节点内并行的特点,实现了雷达信号脉内分析的高性能脉冲级并行处理。在基于I n t e l X e o n 2 6 4 0 构建的多节点集群系统上的测试结果表明,该方法显著的提高了脉内分析的处理速度。关键词:信号处理;消息传递接口;O p e n MP;脉内分析 中图分类号:T N 9 7 1.1文献标识码:A文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 0 6 6-0 4D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 1 4P a r a l l e l A c c e l e r a t i o n M e t h o d f o r I n t r a-p u l s e A n a l y s i s o fR a d a r S i g n a l B a s e d o n MP I+O p e n MP YAO Q u n,TONG Z h e n,CHA I H e n g(T h e 7 2 3 I n s t i t u t e o f C S S C,Y a n g z h o u 2 2 5 1 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:R a d a r i n t r a-p u l s e a n a l y s i s g e n e r a l l y a d o p t s i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y d a t a,w h i c h h a s a l a r g e a m o u n t o f d a t a,c o m p l e x p r o c e s s i n g a l g o r i t h m s,a l a r g e a m o u n t o f c o m p u t a t i o n a n d p o o r r e a l-t i m e p e r f o r m a n c e.B a s e d o n t h e m u l t i-n o d e h i g h-p e r f o r m a n c e m u l t i-c o r e C P U s i g n a l p r o c e s s i n g p l a t-f o r m,t h i s p a p e r p r o p o s e s a n i n t r a-p u l s e a n a l y s i s t e c h n o l o g y o f r a d a r s i g n a l b a s e d o n m e s s a g e p a s s-i n g i n t e r f a c e(MP I)+o p e n m u l t i p r o c e s s i n g(O p e n MP),w h i c h c o m p r e h e n s i v e l y u t i l i z e s t h e c h a r a c-t e r i s t i c s o f MP I c r o s s-n o d e p a r a l l e l i s m a n d O p e n MP i n t r a-n o d e p a r a l l e l i s m t o r e a l i z e h i g h-p e r f o r m-a n c e p u l s e-l e v e l p a r a l l e l p r o c e s s i n g o f r a d a r s i g n a l i n t r a-p u l s e a n a l y s i s.T h e t e s t r e s u l t s o n a m u l t i-n o d e c l u s t e r s y s t e m b u i l t o n I n t e l X e o n 2 6 4 0 s h o w t h a t t h i s m e t h o d s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e s t h e p r o-c e s s i n g s p e e d o f i n t r a-p u l s e a n a l y s i s.K e y w o r d s:s i g n a l p r o c e s s i n g;m e s s a g e p a s s i n g i n t e r f a c e;O p e n MP;i n t r a p u l s e a n a l y s i s 0 引 言随着新体制雷达的广泛使用,现代电子战面临的电磁环境更加复杂,信号波形复杂多变,各类脉内调制类型如相位调制、线性/非线性调频、频率编码、复合调制等调制类型的雷达信号逐渐增多。传统的电子侦察(E S M)设备测量的五大常规参数(中心频率、幅度、脉宽、到达时间和到达角)已经无法适应当前复杂电磁环境下的电子对抗过程中信号分选、目标识别等关键环节的需求。雷达信号的脉内调制信息作为雷达信号的重要参数,可以更加详细地反映雷达信号的本质信息,为参数复杂多变的新体制雷达信号的分选与识别提供帮助1。雷达脉内分析一般采用中频数据,数据量大,处理算法复杂,运算量大,实时性很难满足,无法有效支援电子战行动2-3。为了充分利用雷达脉内调制特征信息,提高分选和识别的准确性,迫切需要提高脉内分析的计算速度,提高脉内分析的实时性。2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4随着多核通用计算处理器技术的高速发展,高性能多核C P U正逐渐取代数字信号处理器(D S P)、P o w e r P C成为电子侦察信号处理领域的主要处理单元,并且进一步向多节点集群化的方向发展4-6。为了充分发挥电子侦察信号处理计算平台的性能,本文开展了基于多节点多核C P U计算平台的并行计算技术研究,根据雷达信号脉内分析处理的特点,提出了一种基于 消息传递 接口+开 放 式 多 处 理(MP I+O p e n MP)的雷达信号脉内分析并行计算技术,综合了 MP I 和O p e n MP 并行编程环境的优点,提高了雷达信号脉内分析的处理速度。1 并行编程模型多节点多核C P U计算平台属于对称多处理(S y mm e t r i c M u l t i-P r o c e s s i n g,S MP)架构,该结构同时具备了节点内共享内存与节点间分布式存储的层次特点,因此同时支持节点间消息传递和节点内共享内存并行编程模型,其中MP I与O p e n MP是这2类并行编程模型的代表。O p e n MP是用于共享内存并行化的标准共享内存、多处理应用程序接口(A P I)。O p e n MP为线程创建、管理和同步提供了一组编译器指令、环境变量和运行库函数,通过f o r k-j o i n编程模型实现并行性。在此模型中,程序开始作为单个进程或线程顺序执行,当运行至并行区域时,创建其他几个从线程来执行并行任务,并行域代码执行完后再回到主线程7。O p e n MP为程序员提供了更高层的并行编程抽象,只需要在程序中添加编译指令以及调用库函数,就可以在共享内存系统中实现高效的并行程序,降低了并行编程的难度和复杂度,同时具有良好的可移植性。MP I是为开发基于消息传递模型的并行程序而制定的工业标准消息传递接口。在并行计算中,多台计算机或者同一台计算机内的多个处理器核心被称为一个节点,共同完成计算任务。在分布式内存系统中,并行计算的最大挑战是如何同步各个并行节点的动作,在节点之间交换数据以及对整个并行集群提供命令和控制8。MP I为这些任务定义了一套标准的函数。MP I的优点是高性能、大规模性和可移植性,是高性能计算的主要模型。O p e n MP和MP I这2种编程模型可以在同一个程序中使用,适用于由共享和分布式内存组成的架构,如多核处理器集群9-1 0。在O p e n MP和MP I混合编程模型中,MP I可用于跨节点提供过程级并行,而O p e n MP可用于通过使用编译器指令在节点内实现循环级并行,如图1所示。在混合编程模型中,O p e n MP线程将共享每个节点的内存,因而此时的消耗内存总量会远远小于使用纯MP I进程模型时所占用的内存总量,轻量级线程间的通信也因为取代了传统的MP I进程收发通信机制而变得更快,并且由于跨节点间更少的MP I,通信混合模型的可扩展性也因而得到显著提升。图1 MP I+O p e n MP模型2 雷达信号脉内分析并行处理电子侦察雷达信号脉内分析架构如图2所示,通常分为两部分:首先对原始的中频信号进行数字化采样,完成信号检测,这一部分通常在F P GA处理单元内完成;之后将脉冲信号数据送至脉内分析模块,获取脉内特征参数以及常规参数(中心频率、幅度、脉宽、到达时间),生成包含调制样式与调制参数的脉冲描述字(P DW),供后续分选识别模块进一步使用,生成辐射源描述字(E DW),提高其对复杂环境的适应性。上述流程关键是提升脉内分析环节处理速度,以满足实时性要求1 1-1 2。图2 电子侦察雷达信号脉内分析架构雷达信号脉内分析的最主要功能是对脉冲数据的调制类型识别与参数解调,目前广泛应用的脉内分析方法主要分为基于似然函数的分析算法和基于特征的分析算法。基于似然函数的方法计算量大,计算复杂度高,工程中一般采用基于特征提取的脉内分析方法,算法流程如图3所示。76第4期姚群,等:基于MP I+O p e n MP的雷达信号脉内分析并行加速方法图3 基于特征的脉内分析算法雷达信号脉内分析以一个完整的脉冲数据为数据 分 析 单 元,各 个 脉 冲 间 的 数 据 是 相 互 独 立的1 3-1 4。因此脉内分析功能的并行计算加速根据并行的粒度不同可分为2种方式:一种是细粒度单脉冲级的加速,即对单个脉冲脉内分析的算法流程进行加速;另一种粗粒度加速方式是以脉冲为最小单位进行并行计算。为了获得最大的单脉冲并行计算性能,细粒度单脉冲级脉内分析并行加速需要根据图3流程中的算法模块进行并行化设计,系统的并行化程度取决于设计人员对算法的设计。图4给出了一种可供参考的单脉冲级别脉内分析并行化示意图,针对脉内分析流程中不同处理算法进行相应的并行化设计,输出包含调制参数的单个P DW。单脉冲级的加速方式,理论上可以获取最小的单脉冲脉内分析时延。但是由于脉冲流数据量大,该方法会频繁产生I/O读取与线程切换,导致处理开销变大,同时该方式对脉内算法分析流程的并行化实现要求极高,设计难度大,不易于后期算法更新扩展。图4 单脉冲脉内分析并行化参考示意图另一种粗粒度加速方式是以脉冲为最小单位进行并行计算,即为每个脉冲的脉内分析任务分配一个线程,并行计算多个脉冲数据,最终汇总所有脉冲的P DW结果输出,如图5所示。脉内分析算法各个脉冲分析计算任务数据完全独立1 5,在并行计算时不需要额外的数据通信开销,该并行方式可以充分发挥系统并行计算的能力,并且易于后期处理算法的灵活升级。但是该方式需要存储一段时间的脉冲数据,因此会引入至少1帧数据块的延迟,而雷达信号分选功能本身就需要累积一段时间的数据,因此此部分延迟开销并不影响后续分选功能。综上所述,实时脉内分析针对实时脉冲数据流,进行相同的分析处理,各个脉冲数据相互独立,因此本文提出为每个节点分配1个MP I进程,用于处理一 定 数 量 的 脉 冲 数 据,同 时 在 节 点 内 部 利 用图5 脉冲级脉内分析并行化O p e n MP为每个脉冲串分配一个分析线程,实现多线程并行计算,如图6所示。为了考虑各个节点的负载均衡性,脉冲串数据的分配一般需要考虑数据量而非脉冲数据个数,具体实现步骤如下:(1)在每个节点上建立MP I进程,并进行必要的初始化;(2)主数据节点的主进程对数据进行划分,通过节点间通信为每个节点的MP I进程分配数据;(3)在 每 个 节 点 的MP I进 程 内 部,通 过 O p e n MP 编译指导语句,对脉冲串数据进行脉冲级的多线程并行计算(线程数量根据硬件平台的计算核心数进行配置);(4)当全部计算完成后,MP I进程结束,由主节点进程汇总结果输出。下面给 出 混 合 编 程 模 型 实 时 脉 内 分 析 的 伪代码:MP I_I n i t();MP I_C o mm_r a n k();MP I_C o mm_s i z e();i f(m y i d=0)/主进程分发数据MP I_S e n d();e l s e/其余节点进程接收数据MP I_R e c v();o m p_s e t_n u m_t h r e a d s(n);/设置O p e n MP线程数n#p r a g m a o m p p a r a l l e l f o r/N个脉冲多线程并行 F o r i=1:N E l i n t();/脉内分析计算/*MP I进程通信,结果汇总至主节点输出*/MP I_F i n a l i z e();86舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 图6 基于MP I+O p e n MP的并行脉内分析流程3 测试结果本文采用的硬件测试平台为2台高性能计算服务器(每台包含2个X e o n E 5-2 6 4 0 C P U,单个C P U包含8核心,主频2.6 GH z),即每个节点共包含1 6核。软件环境为C e n t o s 7操作系统,测试程序采用c+编 写,编 译 环 境 使 用g c c-8.3.1,m p i c h-3.3.2等。在单个节点上,测试了采用O p e n MP并行编程模型在不同C P U核心数的情况下对脉内分析算法(常规参数测量、调制识别、调制参数解调等)的加速情况,如图7所示。其中测试采用常规信号中频脉冲数据,脉冲宽度1 0 s,脉冲数量1 0 0 0。图7 单节点O p e n MP/MP I加速比由图7可以看出:单节点内由于不需要进行进程间通信,O p e n MP获得了相对较好的加速性能。但随着核数的增多,因为存在多线程资源分配、回收等开销,加速比并未呈现线性增加的趋势。因此在实际应用中,需要根据具体处理算法需求,合理分配线程数以达到最优的效率。进一步对比单节点串行计算,单节点O p e n MP并行计算以及两节点MP I+O p e n MP并行计算的脉内分析处理时间,测试结果如表1所示。其中测试数据采用常规信号(N S)、线性调频信号(L FM)、二相编码信号(B P S K)和四相编码信号(Q P S K)的中频脉冲数据,脉冲宽度1 0 s,脉冲数量1 0 0 0。表1 处理用时对比(单位m s)调制类型串行计算并行计算O p e n MPMP I+O p e n MPN S4 6 5 85 1 62 9 6L FM6 7 7 16 2 63 6 8B P S K6 0 9 45 2 93 2 8Q P S K5 8 5 95 7 93 3 1 表1中,O p e n MP计算时使用单个服务器、单个进程3 2线程并行计算,MP I+O p e n MP计算时使用2台服务器,将计算数据平均分配至2个节点,在每个节点上采用单进程3 2线程的并行计算。可以看出,在单节点上采用O p e n MP加速能有效提高脉内分析的 处 理 速 度。在2个 节 点 间 采 用MP I+O p e n MP时,每个节点的计算数据量降低1倍,但是由于节点间通信的开销,导致实际计算速度提升小于2倍。图8给出了2种并行计算方式对不同调制类型数据的加速比。可以看出:MP I+O p e n MP的加速方法对不同调制类型的加速比达到了1 5以上。图8 不同调制类型的加速比4 结束语本文提出了一种基于MP I+O p e n MP的雷达 (下转第7 9页)96第4期姚群,等:基于MP I+O p e n MP的雷达信号脉内分析并行加速方法图5 F P GA仿真做运动补偿的脉冲压缩结果3 7 3,则目标检测距离s=(3 7 3-Tfs-1)5+5 9 4 0,经计算此时检测距离为6 0 0 0 m,与实际目标距离一致,由此说明F P GA实现运动补偿算法有效地消除了目标多普勒频移带来的测距误差。3 结束语通过理论计算及MAT L A B仿真,验证了采用 运动补偿消除目标多普勒频移造成测距误差的有效性,在此基础上设计运动补偿算法的F P GA实现方案,通过F P GA与MAT L A B联合仿真验证了基于F P GA的运动补偿实现方法可行、有效,在工程实现中为雷达系统提高测距精度提供了一种高效、快捷的解决方案。参考文献1 王华.C O R D I C算法在雷达舰速补偿中的应用J.舰船电子对抗,2 0 0 8,3 1(3):5 7 6 0.2 李攀.多普勒频移对脉冲压缩雷达的影响及其补偿研究D.武汉:华中科技大学,2 0 0 7.3 周杰.多普勒频移对L FM脉冲压缩的影响及补偿研究J.电子质量,2 0 1 3(2):7 8 8 1.4 彭卫华,张永伟.舰载雷达的舰速补偿J.舰船电子对抗,2 0 0 8,3 1(3):5 0 5 3.5 刘东华.X l i n x系列F P G A芯片I P核详解M.北京:电子工业出版社,2 0 1 3.(上接第6 9页)信号实时脉内分析并行计算方法,针对雷达信号脉冲数据流,在每个节点分配MP I进程,在节点进程的内部利用O p e n MP为每个脉冲串分配一个线程,实现脉冲级的脉内分析并行计算,充分发挥电子侦察信号处理计算平台的性能。测试结果表明,该方法对不同调制类型信号的处理速度都获得了较大的提升。该方法实时性好,并且易于扩展,可以为雷达信号脉内分析的实时处理提供解决方案。参考文献1 易俊芬.高精度多雷达信号脉内分析与 分选 研 究及D S P高效实现D.成都:电子科技大学,2 0 1 6.2 庄跃迁.一种基于高性能G P U的实时脉内分析实现方案J.电子设计工程,2 0 1 9,2 7(1 9):1 0 0 1 0 4,1 0 9.3 曹俊纺,赵航,吴昊,等.基于P o w e r P C的脉内实时分析处理技术J.雷达与对抗,2 0 1 9,3 9(4):2 5 2 7,4 0.4 耿昭谦,朱虎明,李旭明,等.基于高性能计算的雷达信号处理研究综述J.电子科技,2 0 2 1,3 4(9):1 6.5 魏梦瑶.基于X 8 6架构C P U的雷达信号处理算法研究J.电子科技,2 0 1 7,3 0(5):5 5 5 7,6 1.6 S HA RMA R,KANUNG O P.P e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f MP I a n d h y b r i d MP I+O p e n MP p r o g r a mm i n g p a r a-d i g m s o n m u l t i-c o r e p r o c e s s o r s c l u s t e rC/2 0 1 1 I n-t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R e c e n t T r e n d s i n I n f o r m a-t i o n S y s t e m s.K o l k a t a,I n d i a:I E E E,2 0 1 1:1 3 7 1 4 0.7 胡银丰,孔强.基于MP I+O p e n MP混合编程模型的并行声纳信号处理技术研究J.舰船电子工程,2 0 1 7,3 7(1 2):1 3 0 1 3 3.8 王亭亭.基于O p e n MP和MP I的并行算法研究D.长春:吉林大学,2 0 1 1.9 范培勤,张林,唐帅,等.MP I+O p e n MP I混合编程的实现与性能分析J.计算机科学与应用,2 0 1 9,9(1 0):1 8 5 9 1 8 6 6.1 0王惠春.基于S MP集群的MP I+O p e n MP混合并行编程模型研究与应用D.湘潭:湘潭大学,2 0 0 8.1 1W I L E Y R G.电子情报(E L I N T)雷达信号截获与分析M.北京:电子工业出版社,2 0 0 8.1 2吴昊.雷达信号脉内特征实时分析处理技术研究D.武汉:中国舰船研究院,2 0 1 6.1 3毕大平,董晖,姜秋喜.基于瞬时频率的脉内调制识别技术J.电子对抗技术,2 0 0 5,2 0(2):6 9.1 4吴建超.雷达信号脉内参数估计算法研究D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 3.1 5姚群,周帅,柴恒,等.一种基于o p e n m p加速的电子情报中频数据处理方法:1 1 2 3 9 5 4 6 4 AP.2 0 2 1 0 2 2 3.97第4期杨敏:基于F P GA的运动补偿实现方法