基于OpenCL的數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)干擾模擬

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(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

基于OpenCL的數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)干擾模擬

王開拓,白雪,郭曉宇

(南京電子技術(shù)研究所，南京210039)

針對現(xiàn)代戰(zhàn)爭復(fù)雜電磁環(huán)境以及數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)干擾信號生成數(shù)據(jù)量大、多波束等難點(diǎn)，利用圖形處理器(GPU)帶寬高，運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使用OpenCL異構(gòu)編程框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)級并行策略，設(shè)計(jì)了基于OpenCL的五種典型數(shù)字干擾并行算法；算法根據(jù)GPU的讀寫機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)掘了現(xiàn)有GPU的并行計(jì)算能力；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于GPU的數(shù)據(jù)并行計(jì)算程序與中央處理器(CPU)平臺相比較，加速比最大可達(dá)3.25，提高了相關(guān)雷達(dá)回波模擬設(shè)備的速度，基本滿足數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)信號處理的實(shí)時(shí)性要求。

數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)；OpenCL；數(shù)字干擾信號；GPU

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下，電子戰(zhàn)是其中至關(guān)重要組成部分。敵方對我關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)施干擾的行為在復(fù)雜電磁環(huán)境下必然存在。數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)是一種接收和發(fā)射波束都以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的相控陣?yán)走_(dá)。其擁有許多傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)所無法比擬的優(yōu)越性。尤其具有大的動(dòng)態(tài)范圍、容易實(shí)現(xiàn)多波束的優(yōu)點(diǎn)[1]。因?yàn)閿?shù)字相控陣?yán)走_(dá)的如上優(yōu)點(diǎn)使其在現(xiàn)代裝備體系中的比重日益增大，也增加了對抗敵方干擾的風(fēng)險(xiǎn)，這就需要模擬真實(shí)干擾回波來滿足數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)日常訓(xùn)練的需求。同時(shí)數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)自身抗干擾的能力較強(qiáng)。這種處理干擾信號的優(yōu)勢同時(shí)提高了雷達(dá)訓(xùn)練設(shè)備模擬數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)干擾信號的難度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬尤為困難。在保證模擬速度的情況下必然會(huì)犧牲計(jì)算精度為代價(jià)。

OpenCL是一套由khronos國際標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)展并維護(hù)的為異構(gòu)平臺編寫程序的標(biāo)準(zhǔn)框架，適用于多核心處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)及數(shù)字信號處理器(DSP)等硬件。通過OpenCL相關(guān)技術(shù)可以最大化利用多核心設(shè)備的計(jì)算能力，大幅提升計(jì)算性能，在科研、國防等各種領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景[9]。

本文首先闡述數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)不同干擾信號的實(shí)現(xiàn)算法，然后在此基礎(chǔ)上提出基于OpenCL的異構(gòu)并行干擾實(shí)現(xiàn)方法，運(yùn)用OpenCL相關(guān)技術(shù)針對GPU 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并通過與基于CPU的串行實(shí)現(xiàn)算法數(shù)據(jù)比對，對并行優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行分析。

1 干擾模型

本文選取比較有代表性的6種干擾樣式進(jìn)行研究。包括無源干擾和有源干擾，具體干擾樣式分別為切片干擾，移頻干擾，隨機(jī)脈沖干擾，密集假目標(biāo)干擾，同頻異步干擾以及無源箔條干擾。模擬雷達(dá)發(fā)射信號均為線性調(diào)頻(LFM)信號，其表達(dá)式為：

1.1 切片干擾

切片干擾是一種欺騙式時(shí)域干擾。通過對目標(biāo)信號做快時(shí)間脈內(nèi)處理，使脈沖壓縮信號時(shí)域的相干性被破壞來實(shí)現(xiàn)對被干擾雷達(dá)的干擾。具體做法為在脈沖內(nèi)對目標(biāo)信號進(jìn)行時(shí)域復(fù)制，使多目標(biāo)信號在時(shí)域重疊，原理如圖1所示。使被干擾雷達(dá)對真正目標(biāo)的檢測和跟蹤效果達(dá)不到預(yù)期。

設(shè)τ為一個(gè)切片脈沖串的脈寬，Ts為切片的重復(fù)周期。切片脈沖串可記為:

則頻域表達(dá)式為:

其中，

fs=1/Ts

雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號為x(t)，則經(jīng)切片處理后的脈沖信號為:

xe(t)=x(t)p(t)

其頻譜為:

由此可知得到的切片干擾信號頻譜為對原始信號頻譜X(f)進(jìn)行周期延拓后再加權(quán)求和，周期為fs，加權(quán)系數(shù)為αn。

圖1 切片干擾原理

1.2 移頻干擾

移頻干擾是干擾線性調(diào)頻信號的一種有效手段。通過對偵收信號在頻域上進(jìn)行移頻處理來破壞被干擾雷達(dá)對線性調(diào)頻信號進(jìn)行脈沖壓縮的效果。對于不同的移頻條件，移頻干擾分別具有欺騙性和壓制性。

設(shè)LFM信號的單位增益復(fù)包絡(luò)為：

頻譜為：

式中,K為線性調(diào)頻斜率；T為脈寬；B=KT為帶寬；D=BT(Dgt;gt;1)為時(shí)寬帶寬積。

當(dāng)移頻干擾輸入頻偏量為ξ時(shí)，對應(yīng)的移頻干擾為：

s(t)exp(j2πξt)

1.3 密集假目標(biāo)干擾

密集假目標(biāo)是一種空域干擾。在預(yù)設(shè)的距離-方位范圍內(nèi)模擬多方向、多批次的空間目標(biāo)信號，起到欺騙被干擾雷達(dá)，掩護(hù)真正目標(biāo)的目的。根據(jù)脈間和幀間時(shí)序關(guān)系設(shè)計(jì)的不同，密集假目標(biāo)干擾既具有欺騙性,也具有壓制性[5]。

設(shè)雷達(dá)和干擾機(jī)之間的距離為R，則干擾機(jī)偵察到的雷達(dá)信號可表示為:

式中,δ(t)為沖激函數(shù)，k為雷達(dá)發(fā)射信號的空間損耗。密集多假目標(biāo)干擾按照一定的時(shí)間間隔和調(diào)制規(guī)律復(fù)制并處理偵察到的雷達(dá)信號，進(jìn)行綜合疊加后實(shí)現(xiàn)密集性的干擾效果[5]。

密集假目標(biāo)干擾的數(shù)學(xué)模型為：

F(t)=R(t)exp(jΔw1t)*[k1δ(t-Δt1)]+...+

R(t)exp(jΔwnt)*[knδ(t-Δt1-Δt2-...Δtn)]

當(dāng)各干擾脈沖的延遲間距、幅度和相位調(diào)制系數(shù)互相相等,即為滿足Δti=Δt,ki=K′,exp(jΔwit)=exp(jΔwt)時(shí),模型可以進(jìn)一步簡化表示為：

根據(jù)密集假目標(biāo)干擾的數(shù)學(xué)模型，可構(gòu)建如下的信號生成流程圖:

圖2 密集假目標(biāo)干擾原理

1.4 同頻異步干擾

當(dāng)同一區(qū)域有多部雷達(dá)同時(shí)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。當(dāng)不同雷達(dá)的工作脈沖周期不相同或不存在整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，互相之間就會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的同頻異步干擾(如圖3所示)[7]。

圖3 同頻異步干擾示意圖

1.5 無源箔條干擾

箔條干擾是一種無源欺騙干擾。通過在空中施放巨量的密集金屬箔條絲，在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)雷達(dá)波反射體。通常用于針對進(jìn)攻兵器制導(dǎo)雷達(dá)的干擾，使其判決目標(biāo)失敗。

照射在箔條云上的雷達(dá)發(fā)射信號作為回波將被數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)接收后進(jìn)行數(shù)字信號處理。箔條云的回波信號模型為：

sc(t)=Ac(t-τc)u(t-τc)exp{j2πfcd(t-τc)}

其中:τc是箔條回波的時(shí)延，fcd是箔條云相對雷達(dá)的多普勒頻率，Ac是目標(biāo)雷達(dá)回波的幅度增益。箔條云運(yùn)動(dòng)模型與箔條發(fā)射速度、箔條發(fā)射方向、風(fēng)速、風(fēng)向、飛機(jī)狀態(tài)等多種因素有關(guān)，在此不做過多討論[8]。

2 OpenCL編程模型

2.1 OpenCL架構(gòu)

OpenCL是一種開放的并行編程標(biāo)準(zhǔn)，相比于單純CPU為核心的串行模擬系統(tǒng)，由于GPU擁有遠(yuǎn)高于CPU的浮點(diǎn)計(jì)算能力以及極大的吞吐帶寬，故而CPU-GPU異構(gòu)并行系統(tǒng)就帶有巨大的計(jì)算優(yōu)勢。OpenCL架構(gòu)就提供了在多核CPU、GPU設(shè)備上進(jìn)行異構(gòu)并行編程的標(biāo)準(zhǔn)框架，使研發(fā)人員能夠發(fā)揮異構(gòu)并行處理平臺的優(yōu)勢。

對OpenCL模型的描述如圖4所示。主機(jī)平臺連接到多個(gè)支持OpenCL的設(shè)備上。主機(jī)平臺可以是通用計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)工作站。OpenCL設(shè)備可以是 CPU、GPU或其它專用高速處理器，如DSP、FPGA等。每個(gè)OpenCL設(shè)備包含多個(gè)計(jì)算單元(Computing Unit，CU)，每個(gè)計(jì)算單元又由若干處理單元(Processing Element，PE)組成[2]。在主機(jī)平臺運(yùn)行主機(jī)程序，在所有OpenCL設(shè)備上運(yùn)行內(nèi)核函數(shù)。主機(jī)程序定義內(nèi)核函數(shù)的上下文并管理內(nèi)核的運(yùn)行。

圖4 OpenCL模型

OpenCL模型中主機(jī)程序管理內(nèi)核函數(shù)的運(yùn)行是通過為該內(nèi)核函數(shù)創(chuàng)建N維索引空間來實(shí)現(xiàn)的。該N維索引空間內(nèi)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)被稱為工作項(xiàng)(Work Item)，由多個(gè)工作項(xiàng)可以組成一個(gè)工作組(Work Group)。對于同一個(gè)工作組，其包含的所有工作項(xiàng)都將在同一個(gè)計(jì)算單元(CU)上由多個(gè)處理單元(PE)并發(fā)執(zhí)行。對于GPU而言，計(jì)算單元即為SIMD(單指令多數(shù)據(jù))引擎，處理單元即為線程處理器(Thread Processor)，即一個(gè)工作組內(nèi)的所有工作項(xiàng)都將在同一個(gè)SIMD引擎上由多個(gè)線程處理器同步并發(fā)執(zhí)行，所有工作項(xiàng)都將執(zhí)行相同的內(nèi)核程序。但是傳入每個(gè)工作項(xiàng)用來計(jì)算的參數(shù)可以是不同的。

2.2 基于OpenCL建模

對于整個(gè)模擬過程，可以從功能實(shí)現(xiàn)上分為三個(gè)部分，分別為系統(tǒng)接口、參數(shù)計(jì)算和回波生成。對于雷達(dá)幀信號處理，這三部分在功能上是串行的邏輯關(guān)系。模擬程序首先讀取預(yù)設(shè)好的雷達(dá)、目標(biāo)、干擾部分信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在整個(gè)模擬過程中不變。然后將預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞給回波參數(shù)計(jì)算程序，計(jì)算生成干擾回波所必須的參數(shù)。最后在回波生成部分利用已知計(jì)算參數(shù)得到多通道數(shù)字干擾回波，具體過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能框圖

若針對如上功能進(jìn)行模擬，在不使用GPU的情況下，即先利用CPU同構(gòu)串行系統(tǒng)對整體功能進(jìn)行模擬。在預(yù)設(shè)場景下(具體見3.1節(jié))，在回波預(yù)設(shè)長度增大時(shí)，生成干擾回波CPU計(jì)算時(shí)間占整體模擬時(shí)間的比例逐漸提高，即整個(gè)模擬過程運(yùn)算性能的提高就在于改善干擾回波生成速度上。

OpenCL支持?jǐn)?shù)據(jù)并行和任務(wù)并行兩種編程模型。數(shù)據(jù)并行模型是指在內(nèi)存對象的不同元素上進(jìn)行統(tǒng)一的運(yùn)算利用工作項(xiàng)的全局索引和局部索引來映射其要處理的內(nèi)存元素[9]，實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)較為寬松的數(shù)據(jù)并行模型，不要求每個(gè)工作項(xiàng)與其作用的內(nèi)存數(shù)據(jù)之間一定有嚴(yán)格的一一對應(yīng)的關(guān)系。對于第一部分提出的五種不同樣式的干擾計(jì)算公式。雖然具體實(shí)現(xiàn)的算法都不相同，但如果不考慮其實(shí)際物理意義，僅分析觀察干擾模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。就會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然全部五種干擾的數(shù)學(xué)表達(dá)式看似復(fù)雜，實(shí)際上內(nèi)部的運(yùn)算法則只涉及基本運(yùn)算，并沒有判斷、迭代或嵌套等邏輯相關(guān)過程的運(yùn)算。對其進(jìn)行干擾模擬運(yùn)算量大，源于相同運(yùn)算程序的大量反復(fù)執(zhí)行。這種實(shí)現(xiàn)算法天然具有易數(shù)據(jù)并行的特征，并且對于回波生成部分，數(shù)字干擾回波各個(gè)數(shù)據(jù)之間是獨(dú)立的，因此可以采取數(shù)據(jù)并行的方式進(jìn)行系統(tǒng)模擬，有利于OpenCL架構(gòu)發(fā)揮其在大規(guī)模數(shù)據(jù)并行計(jì)算上的優(yōu)勢。

數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)信號處理同時(shí)形成Nc個(gè)波束。對于每個(gè)波束，雷達(dá)發(fā)射脈沖數(shù)Np，單個(gè)脈沖接收波門內(nèi)信號處理點(diǎn)數(shù)為Ns，則數(shù)字干擾回波總點(diǎn)數(shù)為Nc*Ns*Np。數(shù)據(jù)并行方式可以只定義工作項(xiàng)的數(shù)目，把工作組大小的確定工作交由GPU來實(shí)現(xiàn)。將每個(gè)單獨(dú)數(shù)字信號點(diǎn)上的運(yùn)算定義為在GPU的工作項(xiàng)上執(zhí)行的內(nèi)核程序。由于各個(gè)波束的回波排布形式都是相同的，不同波束僅僅影響信號調(diào)制功率的不同，且對應(yīng)波束的調(diào)制功率為標(biāo)量，所以在GPU中計(jì)算的回波信號點(diǎn)數(shù)為Ns*Np，即所需GPU工作項(xiàng)為Ns*Np。

在工作項(xiàng)上執(zhí)行的內(nèi)核程序過程步驟如下所示：

1)將執(zhí)行參數(shù)傳入內(nèi)核函數(shù)。

2)for(干擾數(shù)量){

3)if (當(dāng)前工作項(xiàng)上是否存在干擾或目標(biāo)信號){

4)解算工作項(xiàng)相對回波出現(xiàn)點(diǎn)位的真實(shí)時(shí)間差。

5)計(jì)算真實(shí)時(shí)間差對應(yīng)的信號相位。

6)for(接收波束數(shù)){

7)執(zhí)行干擾生成計(jì)算。

}

}

}

8)對計(jì)算得到回波數(shù)據(jù)按接收波束進(jìn)行組波輸出。

每種干擾生成計(jì)算不同。以移頻干擾為例，其核心計(jì)算過程(如上4～7)如下所示：

position←當(dāng)前工作項(xiàng)ID；

len←已知回波信號寬度；

fd←信號多普勒頻率；

shiftF←信號單次移頻點(diǎn)數(shù)；

PRT←脈沖重復(fù)周期；

IDx←當(dāng)前脈沖序號；

K←線性調(diào)頻信號調(diào)頻斜率；

AChannel←移頻干擾信號的波束調(diào)制復(fù)系數(shù)(實(shí)部、虛部分別為為r和i)；

Temp←當(dāng)前工作項(xiàng)上的移頻干擾回波復(fù)信號；

for(移頻總次數(shù))

{

t←position - (len/2)；

x←2π*(fd+shiftF)*(t+PRT*IDx)+πK*t*t；

cost +← cos(x)；

sint +← sin(x)；

}

cost ← cost/sqrt(cost*cost + sint*sint)；

sint ← sint/sqrt(cost*cost + sint*sint)；

for(接收波束數(shù))

{

Temp.r ← Temp.r +cost*AChannel.r -sint

* AChannel.i;

Temp.i ←Temp.i + sint*AChannel.r + cost

* AChannel.i;

}

3 模擬結(jié)果及分析

模擬使用硬件平臺為CPU:Intel i5-4700H；GPU: AMD Radeon E8860。

設(shè)置模擬的五種干擾均為伴隨干擾，將雷達(dá)實(shí)際檢測目標(biāo)設(shè)在100公里處。以線性調(diào)頻信號為例設(shè)置雷達(dá)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行仿真。信號采樣率fs= 2.5 MHz，信號帶寬B=2 MHz，脈沖寬度T=0.15 ms。每種干擾數(shù)量分別設(shè)為1。在沒有設(shè)置任何干擾時(shí)，可以得到單目標(biāo)回波如圖6所示。

圖6 單目標(biāo)回波

選擇執(zhí)行切片干擾，脈內(nèi)切片寬度40微秒，接收波門內(nèi)切片總次數(shù)以及脈內(nèi)切片次數(shù)均為4。雷達(dá)接收機(jī)信號處理結(jié)果如圖7所示。

圖7 切片干擾回波

執(zhí)行密集假目標(biāo)干擾，在距雷達(dá)100-230公里范圍內(nèi)每隔2公里設(shè)置一個(gè)假目標(biāo)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 密集假目標(biāo)干擾回波

移頻干擾單次移頻寬度為500 KHz，移頻總次數(shù)為4次。結(jié)果如圖9所示。

圖9 移頻干擾回波

同頻異步干擾設(shè)置為單部同型雷達(dá)干擾，干擾(出現(xiàn))距離為230公里。

圖10 同頻異步干擾回波

對于箔條干擾，設(shè)置覆蓋整個(gè)雷達(dá)回波距離范圍的箔條云，回波如圖11所示。

圖11 箔條干擾回波

對于以上五種干擾，由于計(jì)算量的不同，利用OpenCL異構(gòu)計(jì)算其回波的時(shí)間也不相同。計(jì)算量最大的移頻回波平均計(jì)算時(shí)間為43.3微秒。若僅使用CPU進(jìn)行回波模擬，移頻干擾回波平均計(jì)算時(shí)間為105微秒。相對于CPU同構(gòu)計(jì)算平臺，OpenCL異構(gòu)平臺計(jì)算速度提高了2.42倍。表1表示了OpenCL異構(gòu)平臺下五種干擾各自的計(jì)算時(shí)間以及相對CPU速度提高的程度。

表1 干擾計(jì)算時(shí)間及速度提高程度 單位：微秒

4 結(jié)論

數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)干擾模擬數(shù)據(jù)量大，要求較高的計(jì)算速度，對現(xiàn)有平臺計(jì)算性能提出了巨大的挑戰(zhàn)。對于數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)干擾回波模擬，本文使用OpenCL異構(gòu)平臺進(jìn)行回波數(shù)據(jù)計(jì)算，生成得到多種典型干擾回波，通過與CPU平臺對比，CPU-GPU異構(gòu)平臺可以顯著提高回波計(jì)算速度。如能夠進(jìn)一步提高平臺硬件性能，預(yù)計(jì)干擾回波生成速度將更加滿足實(shí)時(shí)性要求。

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JammingSimulationofDigitalPhasedArrayRadarBasedonOpenCL

Wang Kaituo，Bai Xue，Guo Xiaoyu

(Nanjing Research Institute of Electronic Technology,Nanjing 210039, China)

For the modern war’s complex electromagnetic environment and digital phased array radar’s jamming signal to generate large amounts of data, multi-beam and other difficulties.Depend on the high bandwidth and strong computing power of the graphics processor (GPU), using OpenCL heterogeneous programming framework to achieve data-level parallel Strategy, designed five typical digital jamming parallel algorithm based on OpenCL.The algorithm is optimized according to the read and write mechanism of the GPU, which fully explores the parallel computing ability of GPU. The experimental results show that the GPU-based data parallel computing program compares with the central processing unit (CPU) platform with an acceleration ratio of up to 3.25, which enhances the speed of radar echo simulation equipment and basically satisfies the digital phased array radar’s Real-time signal processing simulation requirements.

digital phased array radar; OpenCL; digital jamming signal; GPU

2017-06-07；

2017-07-17。

王開拓(1993-)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事信號與信息系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0186-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.048

TP391.9

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