楊 濤, 趙啟釗, 2, 孫光才, 2, 李光偉, 費(fèi)曉燕, 楊 軍, 劉會(huì)濤

基于多處理板聯(lián)合SAR成像的分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)研究

楊 濤1, 趙啟釗1, 2, 孫光才1, 2, 李光偉1, 費(fèi)曉燕1, 楊 軍3, 劉會(huì)濤4

(1. 西安電子科技大學(xué), 陜西 西安 710071; 2. 西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071; 3. 西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710000; 4. 珠海納睿達(dá)科技有限公司, 廣東 珠海 519085)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星的探測范圍有限, 全軌利用率不高, 并且單個(gè)衛(wèi)星的計(jì)算和存儲(chǔ)資源有限, 難以完成大量的星載合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。本文擬采用多處理板聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理方法, 針對(duì)星上分布式計(jì)算構(gòu)建一種模擬系統(tǒng), 以提高星上數(shù)據(jù)處理效率, 驗(yàn)證多處理板聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理方法在高效利用衛(wèi)星計(jì)算與存儲(chǔ)資源、提升單個(gè)衛(wèi)星全軌利用率等方面的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)基于距離多普勒(range Doppler, RD)成像算法的多衛(wèi)星分布式SAR實(shí)時(shí)處理方法, 并以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片為核心構(gòu)建了分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的單個(gè)衛(wèi)星RD算法處理過程, 該系統(tǒng)將處理過程分為三個(gè)階段。每個(gè)階段內(nèi)運(yùn)算任務(wù)被合理地分配給不同的數(shù)據(jù)處理單元。利用高分三號(hào)衛(wèi)星(GF-3) SAR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理, 以檢驗(yàn)方法和系統(tǒng)的性能。

合成孔徑雷達(dá); 距離多普勒成像算法; 現(xiàn)場可編程門陣列; 分布式計(jì)算模擬系統(tǒng); 高分三號(hào)衛(wèi)星

合成孔徑雷達(dá)(SAR)以其獨(dú)特的優(yōu)勢引起了雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。它可以全天時(shí)、全天候工作, 具有高分辨率和遠(yuǎn)距離成像的特點(diǎn)。SAR作為一種微波主動(dòng)成像系統(tǒng), 在軍事和民用領(lǐng)域都顯示出了卓越的價(jià)值。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和信號(hào)處理硬件設(shè)備的不斷完善, 合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)的研究越來越受到人們的重視。

SAR衛(wèi)星軌道高, 運(yùn)行穩(wěn)定, 無運(yùn)動(dòng)誤差[2], 不受國家空域和氣候的限制[3]。由于這些優(yōu)勢, 星載SAR已成為各國研究和開發(fā)的遙感技術(shù)。自第一顆SAR衛(wèi)星成功進(jìn)入軌道以來, SAR衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展了幾十年。其觀測能力也有了很大的提高。例如, 覆蓋范圍從幾十公里擴(kuò)大到幾百公里[4-5], 分辨率從幾十米提高到幾米甚至不到1 m。中國于2016年發(fā)射的GF-3是一顆C波段多極化高分辨率遙感衛(wèi)星, 具有12種工作模式, 分辨率可達(dá)1 m[6]。高分辨率衛(wèi)星成像模式包括傳統(tǒng)的條帶成像模式和掃描成像模式, 以及海洋應(yīng)用的波成像模式和全球觀測成像模式[7-9]。GF-3衛(wèi)星是一種高分辨率遙感衛(wèi)星, 其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過同類衛(wèi)星的水平。因此GF-3數(shù)據(jù)的處理已成為近年來研究的熱點(diǎn)。

由于SAR衛(wèi)星需要具有高時(shí)效性、廣覆蓋、高分辨率等特性, 因此其信息量大, 數(shù)據(jù)流密集[10]。到目前為止, SAR衛(wèi)星在探測和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方面還存在一系列問題。例如, SAR衛(wèi)星的角速度可能與地球自轉(zhuǎn)的角速度不同。當(dāng)SAR衛(wèi)星探測地球的目標(biāo)場景時(shí), 星載雷達(dá)可能無法探測到該區(qū)域。

因此, SAR衛(wèi)星的全軌道利用率較小, 限制了其探測任務(wù)的效率。此外, 由于衛(wèi)星的大小、重量和功率的限制, 單個(gè)衛(wèi)星的計(jì)算和存儲(chǔ)資源有限, 抑制了衛(wèi)星的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力。近年來, 提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理能力和全軌道利用率已成為星載SAR實(shí)時(shí)成像亟待解決的問題。文獻(xiàn)[10]和[11]通過單板實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了一種使用多個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片作為多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元的星載實(shí)時(shí)成像系統(tǒng), 每個(gè)處理單元處理一塊數(shù)據(jù)。該方法采用并行處理的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 減少了SAR成像的時(shí)間。然而, 一個(gè)攜帶多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元的單一衛(wèi)星將增加它的體積、重量和功率。此外, 該系統(tǒng)不能提高衛(wèi)星全軌道利用率。即將發(fā)射的“深圳一號(hào)”商業(yè)聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星采用激光通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸, 這樣可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化衛(wèi)星之間的協(xié)同工作, 因此提高每顆衛(wèi)星的檢測響應(yīng)能力和效率具有重要的研究意義。針對(duì)這些情況, 有必要基于多處理板聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理方法研究一種分布式計(jì)算模擬系統(tǒng), 以驗(yàn)證多處理板聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理方法在高效利用衛(wèi)星計(jì)算與存儲(chǔ)資源、提升單個(gè)衛(wèi)星全軌利用率等方面的優(yōu)點(diǎn)。

目前的星間高速激光數(shù)據(jù)通信技術(shù)尤其是雙星間高速激光數(shù)據(jù)通信技術(shù)已經(jīng)日趨成熟[13]。并且, 采用較少的衛(wèi)星構(gòu)建的分布式系統(tǒng)穩(wěn)定性較高, 總能找到一顆衛(wèi)星作為主處理衛(wèi)星。因此本文構(gòu)建的分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)采用3顆衛(wèi)星聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理方法, 其中一顆衛(wèi)星接收原始回波數(shù)據(jù), 并在預(yù)處理后將處理任務(wù)分配給多個(gè)衛(wèi)星, 圖1為三衛(wèi)星聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作示意圖。

圖1 三衛(wèi)星聯(lián)合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作示意圖

本文構(gòu)建的分布式計(jì)算模擬系統(tǒng), 采用由1個(gè)FPGA芯片與兩組64位的DDR3存儲(chǔ)器互聯(lián)而成的處理板, 每個(gè)板代表一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元。將被處理的數(shù)據(jù)按照分布式計(jì)算原則合理分配到多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元, 那么每個(gè)數(shù)據(jù)處理單元的處理任務(wù)小, 以便節(jié)省計(jì)算和存儲(chǔ)資源。采用分布式處理, 節(jié)省了處理數(shù)據(jù)的時(shí)間, 縮短了圖像數(shù)據(jù)處理周期[14-15]。多衛(wèi)星分布式處理方法避免了各衛(wèi)星計(jì)算資源的閑置, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速處理。此外, 該系統(tǒng)還可以提高每顆衛(wèi)星的全軌道利用率。同時(shí), 本文選擇了適用于多衛(wèi)星分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)的距離多普勒(range Doppler, RD)算法, 將子孔徑分割與數(shù)據(jù)分布式處理相結(jié)合, 提出了一個(gè)實(shí)用的實(shí)時(shí)操作流程。

本文在第1節(jié)中首先對(duì)兩種高效星載成像算法進(jìn)行了比較。并描述了RD算法在各階段的任務(wù)。在2.1節(jié)中, 根據(jù)分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)各模塊的功能描述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在第2.2節(jié)中分析了每個(gè)處理階段的數(shù)據(jù)流。第2.3節(jié)詳細(xì)計(jì)算了各階段的處理時(shí)間, 驗(yàn)證了系統(tǒng)性能的有效性。第3節(jié)描述了在分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)上處理GF-3數(shù)據(jù)的結(jié)果, 并將結(jié)果與通用64位計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較, 以驗(yàn)證方法以及模擬系統(tǒng)的有效性。與單板處理相比, 處理時(shí)間和資源的占用減少。

1 分布式數(shù)據(jù)處理算法

在選擇星載實(shí)時(shí)SAR成像算法時(shí), 不僅要考慮分辨率的精度[16], 還要考慮計(jì)算量。較少的計(jì)算復(fù)雜度可以有效地縮短數(shù)據(jù)成像處理時(shí)間, 提高分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的性能。此外, 單顆衛(wèi)星還存在載荷有限、處理資源利用率低等問題。多衛(wèi)星分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以克服這些限制。因此, 在構(gòu)建分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)時(shí)有必要選擇一種適合于多衛(wèi)星分布式數(shù)據(jù)處理方法的成像算法。

SAR信號(hào)的點(diǎn)目標(biāo)回波是距離向與方位向耦合的曲線。二維耦合對(duì)SAR成像處理的影響主要體現(xiàn)在距離徙動(dòng)和聚焦深度兩個(gè)方面。它需要對(duì)二維耦合進(jìn)行解耦。通過調(diào)整方位匹配濾波器的參數(shù), 可以克服聚焦深度的影響。距離徙動(dòng)使點(diǎn)目標(biāo)回波軌跡不在同一距離單元上, 而是沿曲線軌跡形成二維數(shù)據(jù)矩陣。曲線軌跡也隨著距離的變化而變化。星載高分辨率SAR實(shí)時(shí)成像算法采用子孔徑處理技術(shù)。數(shù)據(jù)積累不需要達(dá)到一個(gè)完整的合成孔徑, 當(dāng)一個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)積累到一定數(shù)量時(shí)就可以開始處理, 比全孔徑處理更具實(shí)時(shí)性。-算法和RD算法是高分辨率成像中常用的算法。

-算法可以在二維頻域內(nèi)直接進(jìn)行脈沖壓縮、相位補(bǔ)償和Stolt變換[17]。該方法不需要距離徙動(dòng)校正, 圖像質(zhì)量較好。但是在Stolt變換過程中需要進(jìn)行額外的插值, 這也增加了計(jì)算量, 降低了成像精度。

RD算法適用于星載SAR具有距離徙動(dòng)的成像處理[18-21], RD算法流程圖如圖2所示。

圖2 RD成像算法流程圖

在RD算法中引入徙動(dòng)校正, 對(duì)距離徙動(dòng)進(jìn)行處理。該算法不需要插值處理, 算法結(jié)構(gòu)簡單。通過復(fù)雜乘法和快速傅里葉變換(FFT)/快速傅里葉逆變換(IFFT)就可以完成精確的成像處理。計(jì)算量大大減少。硬件系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)RD算法進(jìn)行多衛(wèi)星分布式SAR成像處理, 避免了數(shù)據(jù)的二維耦合。便于在多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的分布式處理。由于RD算法操作規(guī)則簡單, 分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用RD算法作為成像算法。

由于硬件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)處理, 將RD算法按不同補(bǔ)償函數(shù)可分為三個(gè)階段。第一階段分別對(duì)方位數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT操作, 結(jié)束后, 將數(shù)據(jù)按方位向分配給多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元; 第二階段是使用多個(gè)處理單元進(jìn)行距離FFT, 通過乘以補(bǔ)償項(xiàng)21和22完成脈沖壓縮和距離徙動(dòng)校正, 然后進(jìn)行距離向IFFT操作, 結(jié)束后, 將每塊數(shù)據(jù)在距離向上分成3部分; 為了保證方位向圖像的連續(xù), 第三階段根據(jù)分布式原理重新分配到多個(gè)處理單元中, 每個(gè)處理單元通過在方位向中乘以一個(gè)補(bǔ)償項(xiàng)3來執(zhí)行方位脈沖壓縮。最后, 進(jìn)行方位IFFT生成最終圖像。此時(shí)完成整個(gè)RD算法流程, 系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集。

2 分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理, 系統(tǒng)的處理單元需要具有較高的計(jì)算能力[22-29]。在SAR實(shí)時(shí)成像的實(shí)際工程應(yīng)用中, FPGA具有高性能計(jì)算、易于并行化處理的特點(diǎn)[30-35]。該系統(tǒng)有3個(gè)FPGA板, 代表3顆衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)處理單元。每個(gè)板的核心是一個(gè)XC7VX690T FPGA芯片, 該芯片具有450個(gè)乘法器, 52 Mb RAM, 3 600個(gè)DSP48, 80個(gè)高速收發(fā)器。豐富的計(jì)算資源可以滿足實(shí)時(shí)成像的要求。兩組64位寬、2 GB容量的DDR3存儲(chǔ)器與FPGA芯片并行連接。數(shù)據(jù)通過光纖通信模塊在不同的板間傳輸, 傳輸速率可達(dá)10 Gbps。目前衛(wèi)星星間高速激光通信速率可以達(dá)到10 Gbps, 而最新的OMG5光纖傳輸速率可達(dá)100 Gbps, 因此在本模擬系統(tǒng)中采用光纖來模擬星間激光通信的方法是完全可行的。

圖3 多衛(wèi)星SAR分布式數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)

多衛(wèi)星SAR分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的模塊如圖4所示, 主計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)原始的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和處理后的圖像數(shù)據(jù)。使用三塊FPGA板對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理。每個(gè)板由一系列功能模塊組成。

各FPGA板的模塊組成如圖5所示。PCIe卡接收到雷達(dá)的原始數(shù)據(jù), 發(fā)送到DDR3存儲(chǔ)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過處理的圖像將由PCIe模塊傳輸?shù)街鳈C(jī)。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)流執(zhí)行三個(gè)階段的處理, 處理過程包括FFT、IFFT和相位補(bǔ)償。補(bǔ)償相位存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理模塊的緩沖器中, 它支持原始數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)換。光纖通信模塊在各FPGA卡之間傳輸數(shù)據(jù)。復(fù)位模塊向系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào), 使系統(tǒng)返回到初始狀態(tài), 它增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘模塊為光纖通信模塊和DDR3存儲(chǔ)模塊提供時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 多衛(wèi)星SAR分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊組成

圖5 FPGA板的模塊組成

該系統(tǒng)有3條獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸線路。一是數(shù)據(jù)分配線路, 用于將回波數(shù)據(jù)發(fā)送到每個(gè)數(shù)據(jù)處理單元; 二是用于傳輸成像結(jié)果的圖像采集線路; 三是系統(tǒng)控制線路, 用于各單元之間的通信和控制。

2.2 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流分析

在多衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)分布式處理方案的實(shí)現(xiàn)中, 任意兩板之間的數(shù)據(jù)傳輸均可通過高速光纖完成。主計(jì)算機(jī)通過PCIe將SAR原始數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA板1, FPGA板1接收原始數(shù)據(jù)后, 經(jīng)過處理后, 將數(shù)據(jù)處理任務(wù)分配給包括FPGA板1在內(nèi)的3個(gè)數(shù)據(jù)處理單元, 這3個(gè)處理單元的處理任務(wù)在原理上是相同的。

第一階段, FPGA板1接收原始數(shù)據(jù), 然后進(jìn)行方位向的FFT, 在方位向上將數(shù)據(jù)分為3個(gè)部分, 并存儲(chǔ)一部分?jǐn)?shù)據(jù)。其余兩部分的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)搅硗鈨蓚€(gè)FPGA板上。第一個(gè)階段的數(shù)據(jù)分布如圖6所示。

圖6 第一階段數(shù)據(jù)處理流程圖

在第二階段, 對(duì)每個(gè)FPGA板中的數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向的處理。FFT操作在距離向上執(zhí)行。然后進(jìn)行距離脈沖壓縮和距離徙動(dòng)校正, 并完成對(duì)補(bǔ)償項(xiàng)21和22的相乘。最后, 在距離向執(zhí)行IFFT。處理任務(wù)完成后, 將FPGA板1上8 192×4 096點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及FPGA板2和FPGA板3上8 192×2 048點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別劃分為3個(gè)范圍內(nèi)的部分。FPGA板的數(shù)據(jù)處理和劃分流程圖如圖7所示。

第二階段完成后, 對(duì)4塊板上的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分配, 使方位數(shù)據(jù)在各板上連續(xù)完整。經(jīng)過脈沖壓縮和方位向IFFT處理, 完成了數(shù)據(jù)處理。這一階段的數(shù)據(jù)處理和劃分流程如圖8所示。

隨后, 經(jīng)過處理的每個(gè)FPGA板的圖像數(shù)據(jù)通過光纖和PCIe卡發(fā)送到主計(jì)算機(jī), 在主計(jì)算機(jī)成像。

2.3 數(shù)據(jù)處理時(shí)間消耗分析

利用GF-3衛(wèi)星3 m分辨率且點(diǎn)數(shù)為8 192×8 192 點(diǎn)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)采用100 MHz時(shí)鐘, 雙通道處理數(shù)據(jù), 利用仿真計(jì)算各個(gè)操作所用的時(shí)間。

圖7 第二階段數(shù)據(jù)處理流程圖

圖8 第三階段數(shù)據(jù)處理流程圖

第一階段, 所有數(shù)據(jù)的處理全部在FPGA板1中進(jìn)行, 此階段主要工作時(shí)方位向的FFT, 所耗費(fèi)的時(shí)間就是FFT IP核進(jìn)行8 192次8 192點(diǎn)長度FFT轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間, FFT運(yùn)算的結(jié)果設(shè)置為順序輸出, FFT IP核進(jìn)行一次8 192點(diǎn)的浮點(diǎn)類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要32 945個(gè)時(shí)鐘周期, 因此第一階段FFT運(yùn)算需要的時(shí)間約為2.70 s, 在完成方位向的FFT運(yùn)算之后, 數(shù)據(jù)需要被寫入到DDR3中進(jìn)行存儲(chǔ), 方便后續(xù)的分布式運(yùn)算, DDR3的寫入速度為11 GB/s, 因此數(shù)據(jù)全部寫入DDR3所需要的時(shí)間為0.045 s。由于后續(xù)的處理是分布式處理, 所以數(shù)據(jù)需要采用跳地址的方式從DDR3中讀取并且通過光纖傳輸傳送到其余兩個(gè)子板卡中, DDR3跳地址讀取數(shù)據(jù)的速度為1.1 GB/s, 一半數(shù)據(jù)采用跳地址讀取的方式讀取耗費(fèi)的時(shí)間為0.23 s。光纖傳輸數(shù)據(jù)的速度為10 Gb/s, 光纖傳輸?shù)乃俣炔恍∮贒DR3跳地址讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間, 因此, 數(shù)據(jù)分發(fā)到子板卡的時(shí)間為0.23 s。所以, 第一階段完成處理總耗時(shí)約為3 s。

第二階段處理中, 相位復(fù)乘的時(shí)間可以忽略不計(jì), 數(shù)據(jù)主要進(jìn)行的是距離向的FFT和IFFT運(yùn)算處理, 由于主板卡中的數(shù)據(jù)量最大, 所以耗費(fèi)的時(shí)間也就最多。此階段, 進(jìn)行了一次4 096組8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)的FFT, 一次4 096組8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)的IFFT運(yùn)算, 參考第一階段可以得出距離向FFT和IFFT運(yùn)算耗費(fèi)的時(shí)間共為2.70 s。DDR3跳地址寫入數(shù)據(jù)的速度為0.7 GB/s, 數(shù)據(jù)跳地址寫入DDR3中的時(shí)間為0.35 s。后續(xù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的方位向拼接, 主板卡中的數(shù)據(jù)量最大, DDR3中跳地址寫入數(shù)據(jù)的總量為128 MB, 需要耗時(shí)為0.18 s, DDR3跳地址讀取數(shù)據(jù)的總量為128 MB, 需要耗時(shí)為0.12 s。因此, 第二階段處理總耗時(shí)約為3.35 s。

第三階段的處理中, 同樣的主板卡中的數(shù)據(jù)量最大, 且數(shù)據(jù)在此階段的處理為分布式并行處理, 主板卡需要進(jìn)行 4 096組8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)的FFT運(yùn)算, 參考前面兩個(gè)階段可以得出DDR3順序讀取數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)的時(shí)間為0.023 s, FFT運(yùn)算耗費(fèi)是時(shí)間為1.35 s。隨后, 子板卡中的數(shù)據(jù)需要全部通過光纖傳輸依次傳入主板卡中, 兩塊子板卡中的DDR3順序讀取數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)大于光纖傳輸?shù)乃俣? 因此需要按照光纖傳輸數(shù)據(jù)耗費(fèi)的時(shí)間來計(jì)算數(shù)據(jù)拼接耗費(fèi)的時(shí)間, 待拼接的數(shù)據(jù)量為256 MB, 光纖采用的速度為10 Gb/s, 可以得到數(shù)據(jù)拼接耗費(fèi)的時(shí)間為0.2 s, 數(shù)據(jù)上傳至主計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)量是512 MB, 耗費(fèi)的時(shí)間為0.4 s。所以, 這一階段耗費(fèi)的時(shí)間為 1.973 s。

綜上所述, 每幀圖像的數(shù)據(jù)處理總時(shí)間約為8.323 s。由于上述估計(jì)沒有考慮軟件調(diào)度對(duì)速度的影響, 實(shí)際消耗的時(shí)間約為8.323～9.235 s。而用一個(gè)FPGA板100 MHz時(shí)鐘處理8 192×8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí), FFT IP核中數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT和IFFT操作的時(shí)間為2.7 s, 4次FFT運(yùn)算的總耗時(shí)10.8 s, DDR3讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)間為1.23 s。因此, 完成整個(gè)算法流程需要的時(shí)間為12.03 s。顯然, 分布式數(shù)據(jù)處理方法的加速效果是明顯的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過在模擬系統(tǒng)中對(duì)512 MB的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到清晰的圖像, 驗(yàn)證了分布式系統(tǒng)的計(jì)算性能和穩(wěn)定性。圖9是通過分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)GF-3實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果。3幅圖像包含24.6 km× 24.6 km的場景信息。圖9a為多衛(wèi)星分布式處理系統(tǒng)處理后的圖像。在分布式數(shù)據(jù)處理過程中, 由于數(shù)據(jù)從浮點(diǎn)類型轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)類型[27]造成了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的降低, 因此圖像中的一些目標(biāo)點(diǎn)顯得有些模糊。圖9b是在64位通用計(jì)算機(jī)上對(duì)同一場景進(jìn)行成像得到的圖像。圖9a雖然是連續(xù)累積的, 但顏色要比圖9b深。但是圖9a中的主要目標(biāo)可以被有效地呈現(xiàn)出來, 驗(yàn)證了多衛(wèi)星分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

圖9 GF-3數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖

注: 圖像覆蓋面積為24.6 km×24.6 km。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建的分布式計(jì)算模擬系統(tǒng)按照分布式數(shù)據(jù)處理原理對(duì)星上SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 提高了各衛(wèi)星的全軌道利用率, 大大縮短了數(shù)據(jù)處理時(shí)間。采用多星分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到清晰的SAR圖像, 驗(yàn)證了該方法的實(shí)時(shí)性和高精度。在實(shí)際情況中, 空間衛(wèi)星探測某一區(qū)域, 根據(jù)分布式原理將數(shù)據(jù)傳輸給多顆衛(wèi)星。這使得無法探測到該區(qū)域的衛(wèi)星能夠處理該區(qū)域的信號(hào)數(shù)據(jù)。而由于每顆衛(wèi)星的處理任務(wù)較小, 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的衛(wèi)星系統(tǒng)可以在每顆衛(wèi)星攜帶少量計(jì)算和存儲(chǔ)資源的情況下完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。系統(tǒng)將流水線處理與并行處理相結(jié)合, 將計(jì)算任務(wù)合理地分配給多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元。在不到 8.323 s的時(shí)間內(nèi)完成GF-3數(shù)據(jù)成像覆蓋面積24.6 km×24.6 km。使用更少的計(jì)算存儲(chǔ)資源和更快的數(shù)據(jù)處理速度, 該系統(tǒng)有利于實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星協(xié)同成像。它比傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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Distributed computing simulation system based on a multi-processing board combined with SAR imaging

YANG Tao1, ZHAO Qi-zhao1, 2, SUN Guang-cai1, 2, LI Guang-wei1, FEI Xiao-yan1, YANG Jun3, LIU Hui-tao4

(1. Xidian University, Xi’an 710071, China; 2. National Laboratory of Radar Signal Processing, Xidian University, Xi’an 710071, China; 3. College of Geomatics, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710000, China; 4. Zhuhai Naruida technology Ltd., Zhuhai 519085, China)

Synthetic-aperture radar (SAR) satellites have a limited detection range, low full-orbit utilization rates, and limited computing and storage resources on a single satellite, making performing many spaceborne SAR data-processing tasks difficult. This paper uses the data-processing method of multi-processing boards to build a simulation system for onboard distributed computing to improve the efficiency of data processing. It verifies the advantages of multi-processing boards’ data-processing methods in the efficient use of satellite computing and storage resources and in improving the full-orbit utilization rate of a single satellite. This system is based on the range-doppler (RD) algorithm of the multi-satellite distributed SAR real-time processing method and on the field-programmable gate array (FPGA) chip. Unlike the traditional single-satellite RD algorithm, this system divides the process into three stages. The computing tasks are appropriately assigned to different data-processing units within each stage. Original data of the Gaofen-3 SAR satellite are used for imaging processing in order to test the performance of the method and system.

synthetic aperture radar; range-Doppler algorithm; distributed data processing; field-programmable gate array; Gaofen-3

Nov. 6, 2020

TN959.3

A

1000-3096(2021)05-0054-08

10.11759/hykx20201106006

2020-11-06;

2021-02-27

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC1405600); 廣東省引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

[The National Key Research and Development Program of China, No. 2017YFC1405600; Introduction of Innovation and Entrepreneurship Team Project in Guangdong Province]

楊濤(1985—), 男, 講師, 博士, 主要從事雷達(dá)信號(hào)處理研究, E-mail: taoyang@mail.xidian.edu.cn

(本文編輯: 楊 悅)