Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.51

АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург

Разработка имитатора сигналов на выходах гидроакустических приёмников фазированной антенной решётки во временной области

В.Н. Тимофеев, О.А. Копачёв

Аннотация

имитация сигнал гидроакустический антенна

Работа посвящена вопросу разработки программы имитации сигналов на выходах гидроакустических приёмников антенной решётки во временной области. Приведено краткое описание алгоритмов имитации. Предлагается способ реализации имитатора на графических процессорах NVIDIA.

В настоящее время при создании гидроакустических комплексов необходимо разрабатывать специальное программное обеспечение. Разработка такого программного обеспечения сопряжена с необходимостью обработки больших объемов сигнальной информации и необходимостью решения задач повышенной алгоритмической сложности.

На стадии разработки программного обеспечения гидроакустических комплексов становится необходимо использовать специальные программы, называемые имитаторами, которые моделируют входные данные. В данной работе рассматривается вопрос разработки имитатора выходов гидроакустических приемников фазированных антенных решеток в цифровом виде.

Целью работы является описание способа построения алгоритмов имитации сигналов на выходах гидроакустических приёмников (ГАП) во временной области с использованием результатов гидроакустических расчётов, полученных на пространственно-временной сетке. Особенностью рассматриваемой задачи является задание помехо-сигнальной обстановки на входе антенны с использованием нестационарной имитационной модели во временной области, в отличие от моделей, построенных в спектральной области и являющихся кусочно-стационарными. Рассмотренный подход позволяет создавать аппаратно-программные средства в том числе и для отладки систем предварительной обработки сигналов, макетов антенн и других технических систем. Уделяется внимание вопросу реализации разработанного программного обеспечения на графических процессорах с использованием технологии CUDA, что позволяет значительно повысить быстродействие.^{Научный руководитель к.т.н.} А.В. Шафранюк.

Постановка задачи

Создаваемый имитатор работает в составе комплекса программ, обеспечивающих его данными о тактической ситуации и результатами гидроакустических расчетов. Имитатор должен принимать входные данные от программы «Система гидроакустических расчётов», которая в свою очередь принимает входные данные от программы «Имитатор тактической обстановки». В имитаторе тактической обстановки происходит задание движения объектов в рассматриваемом тактическом эпизоде, их динамику. Система гидроакустических расчётов используется для построения модели гидроакустического канала. На рисунке 1 показана схема взаимодействия между указанными программами.

Рис. 1. Схема взаимодействия разрабатываемого имитатора с другими программами

Параметры движения и шумоизлучения объектов, конфигурация имитируемой антенны, данные о скорости звука в море и другие параметры, используемые для расчетов, считываются из базы данных.

Общая структура имитатора

Алгоритмы функционирования имитатора, исходя из выполняемых ими функций, можно разделить на несколько логических блоков. Это разделение показано на рисунке 2.

Рис. 2. Общая структура имитатора

Рассмотрим каждый блок в отдельности.

Задание излучаемого шума объектов

В блоке «Задание излучаемого шума объектов» происходит два вида действий:

· Генерация с заданной частотой временных отсчетов шума от каждого шумоизлучающего объекта, присутствующего в тактическом эпизоде. Сгенерированные отсчеты сохраняются в буфере;

· Интерполяция шума для произвольного момента времени. На основе данных, хранящихся в буфере, происходит расчет шума от объекта в запрошенный произвольный момент времени

Временные отсчеты шума генерируются последовательно с частотой, превышающей более чем в 2 раза верхнюю частоту рабочего диапазона частот, и сохраняются в буфере размером , образуя набор значений , где - индекс последнего сгенерированного временного отсчета. Нумерация временных отсчетов начинается с нуля, временной отсчет соответствует моменту начала имитации.

Генерируемые временные отсчеты шума имеют размерность , т.е. размерность акустического давления в полосе частот 1 Гц.

Формирование отклика гидроакустического приёмника на локальные источники

В блоке происходит имитация прохождения сквозь морскую среду акустических лучей от всех шумоизлучающих объектов до каждого из имитируемых гидроакустических приемников. Данный блок принимает данные от системы гидроакустических расчётов, содержащие информацию о рассчитанной помехо-сигнальной обстановке в точке носителя имитируемой антенны. В этом блоке производится два вида расчетов.

Коррекция временных задержек.

Для каждого ГАП вычисляется время пробега по каждому из лучей, пришедших в точку расположения носителя антенны.

Задержка времени рассчитывается относительно точки , в которой заданы все сигналы локальных источников, как отражённые, так и излучённые, и точки излучения сигнала (см. рис. 3 и 4). Обе точки определяют области однородности поля. Внутри каждой из этих областей скорости звука полагаются постоянными и равными соответственно и . Месторасположение источника звука задаётся вектором , а расположение гидроакустического приёмника вектором .

Рис. 3. Область однородности вокруг точки приема

Рис. 4. Область однородности вокруг точки излучения

Временная задержка для каждого луча определяется выражением:

, где

- орт, направленный в сторону, противоположную распространению луча и перпендикулярный волновому фронту;

- орт, направленный по распространению луча и перпендикулярный волновому фронту;

- время пробега по лучу.

Таким образом, для текущего временного отсчёта, определяемого на гидроакустическом приёмнике, сообразно с установленной на нём частотой дискретизации:

определяется запросное время к блоку «Задание излучаемого шума объектов»:

Полученное значение шума будет значением акустического давления на входе ГАП без учета потерь при распространении.

Имитация потерь при распространении.

Для каждого луча, приходящего на ГАП, вычисляется влияние рефракции, затухания и расширения фронта волны на изменение акустического давления при распространении от источника к приемнику. Для этого используется КИХ-фильтр, коэффициенты которого рассчитываются методом обратного преобразования Фурье заданной комплексной амплитудно-частотной характеристики.

Имитация распределенной помехи

В блоке происходит имитация распределенного анизотропного шума моря на входе каждого гидроакустического приемника. Сигнал на выходах различных гидроакустических приемников, вызванный этим шумом, коррелирован определенным образом. Эта корреляция учитывается путем расчета корреляционной матрицы помех перед началом имитации.

Имитация канала гидроакустического приёмника

В блоке происходит суммирование значений, полученных в блоках «Формирование отклика ГАП на локальные источники» и «Имитация распределенной помехи». Результат суммирования является значением акустического давления на входе ГАП. Далее в блоке происходит преобразование накопленных значений акустического давления с учетом АФЧХ ГАП, в результате чего формируется цифровой сигнал, поступающий на выход имитатора.

Использование графических процессоров NVIDIA для реализации имитатора

Алгоритмы, описанные выше, требуют большого объема вычислений. В целях ускорения вычислений целесообразно использование графических процессоров. Рассмотрим, каким образом можно эффективно реализовать эти алгоритмы с помощью технологии CUDA.

CUDA (англ. Compute Unified Device Architecture) - программно-аппаратная архитектура параллельных вычислений, позволяющая существенно увеличить вычислительную производительность благодаря использованию графических процессоров марки NVIDIA. Язык программирования, используемый для реализации алгоритмов на графических процессорах, является расширением языка C++.

Можно заметить, что вычисления, выполняемые для любого отдельного гидроакустического приёмника, совершенно не зависят от вычислений для других приемников. Таким образом, имитация сигналов на выходе каждого ГАП является отдельной независимой подзадачей. Поэтому, учитывая вышеописанную иерархию потоков в CUDA, можно выделить блоков потоков (где - число гидроакустических приёмников в антенне), как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Разбиение вычислений на блоки потоков

Рассмотрим разбиение расчетов на потоки внутри одного блока. Расчеты по описанным алгоритмам производятся единообразно для каждого луча, поступающего на ГАП. Рассчитанные сигналы на входе ГАП по всем лучам суммируются. Поэтому целесообразно выделить вычисление сигнала на входе ГАП для одного луча в отдельный поток. Таким образом, индекс потока внутри блока определяется упорядоченной парой , где - номер шумоизлучающего объекта, - номер луча от данного объекта. Это проиллюстрировано на рисунке 6.

Рис. 6. Разбиение вычислений на потоки внутри одного блока

Как было указано ранее, для ускорения вычислений внутри блока потоков рекомендуется использовать разделяемую память. Рассмотрим, какие данные можно хранить в разделяемой памяти в каждом из блоков. Очевидно, что такие данные должны быть общими для всех потоков внутри блока (то есть общими для всех лучей, поступающих на вход ГАП). При этом нужно учитывать, что объем разделяемой памяти ограничен (от 16 до 48 КБ в зависимости от архитектуры графического процессора), поэтому хранить большие объемы данных в ней не представляется возможным.

Можно выделить следующие данные, являющиеся общими для всех лучей, не требующие больших объемов памяти для их хранения:

· моменты времени и , для которых имеются последовательно поступившие на вход имитатора данные о помехо-сигнальной обстановке;

· координаты носителя имитируемой антенны для моментов времени и ;

· ориентация носителя имитируемой антенны для моментов времени и ;

· координаты ГАП, соответствующего блоку, в системе координат носителя антенны;

· скорости звука на горизонтах источников, присутствующих в данных о помехо-сигнальной обстановке;

· скорость звука на горизонте носителя антенны.

Также в разделяемой памяти можно разместить значение общего сигнала на входе ГАП, представляющее собой сумму сигналов по всем лучам. Суммирование сигналов по всем лучам в таком случае производится с помощью стандартной функции атомарного сложения atomicAdd().

Результаты работы

Исследуем зависимость времени вычислений от количества имитируемых ГАП, количества объектов в тактическом эпизоде и частоты дискретизации, с которой рассчитываются сигналы на выходах ГАП. Будем измерять время, за которое рассчитываются выходные данные для имитационного периода 1 секунда.

Исследования будем проводить для графического процессора NVIDIA Tesla K20c.

Рассмотрим зависимость времени вычислений от количества имитируемых ГАП. Зафиксируем число шумоизлучающих объектов в тактическом эпизоде (примем его равным 1) и частоту дискретизации (примем ее равной 500 Гц).

Рис.7. Зависимость времени расчетов от количества ГАП

Рассмотрим зависимость времени вычислений от количества шумоизлучающих объектов, присутствующих в тактическом эпизоде. Зафиксируем число ГАП (примем его равным 100) и частоту дискретизации (примем ее равной 500 Гц).

Рис. 8. Зависимость времени расчетов от количества объектов

Рассмотрим зависимость времени вычислений от частоты дискретизации. Зафиксируем число ГАП (примем его равным 100) и число шумоизлучающих объектов в тактическом эпизоде (примем его равным 1).

Рис. 9. Зависимость времени расчетов от частоты дискретизации

Очевидно, что для того, чтобы имитация производилась в режиме реального времени, необходимо, чтобы время расчета для имитационного периода 1 с было меньше 1 секунды реального времени. Как видно из рис. 7, 8, 9, в случае небольшого количества ГАП, шумоизлучающих объектов или малой частоты дискретизации имитация в режиме реального времени достижима.

Заключение

В ходе данной работы были разработаны и реализованы алгоритмы имитации сигналов на выходах ГАП фазированной антенной решетки произвольной конфигурации.

Было установлено, что предложенные в работе алгоритмы позволяют имитировать различные эффекты, связанные с нестационарностью модели сигнала - например, эффект Доплера - естественным образом, без введения дополнительных моделей. В этом заключается их преимущество перед моделями, построенными в спектральной области и являющихся кусочно-стационарными.

В связи с большим объемом вычислений разработанная программа реализована на графических процессорах NVIDIA с помощью технологии CUDA. Это позволило значительно сократить время вычислений. Было установлено, что в некоторых случаях разработанная программа может имитировать сигналы на выходах ГАП в режиме реального времени.

Разработанный имитатор может применяться для отработки различных программно-аппаратных комплексов обработки гидроакустических сигналов, в том числе макетов блоков первичной обработки сигналов.

Направлениями для дальнейших исследований в области разработки имитатора являются:

· добавление имитации реверберации;

· добавление имитации сигналов активных гидролокационных систем;

· оптимизация программы с целью повышения ее быстродействия;

· распараллеливание расчетов между несколькими спецвычислителями.

Литература

1. Малышкин, Г. С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Т. 1. Оптимальные методы / Г. С. Малышкин. - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011. - 400 с.

2. Огурцов, Ю. П. Гидроакустическое поле морских объектов: учебное пособие / Ю. П. Огурцов. - СПб.: СПбГМТУ, 2006. - 120 с.

3. Свердлин, Г. М. Прикладная гидроакустика: учебное пособие / Г. М. Свердлин. - 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1990. - 320 с.

4. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко. - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

5. Урик, Роберт Дж. Основы гидроакустики / Роберт Дж. Урик. - Л.: Судостроение, 1978. - 448 с.

6. Шафранюк, А. В. Моделирование сигнала на выходах гидроакустических приёмников фазированной антенной решётки во временной области / А. В. Шафранюк, В. Н. Тимофеев, О. А. Копачёв // Материалы конференции «Управление в морских и аэрокосмических системах» (УМАС-2014). - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014. - C. 848-854

Размещено на Allbest.ru