Методика проектирования структуры вычислительных систем выявления слабоконтрастных неоднородностей в отраженном радиолокационном сигнале

При разработке современных вычислительных систем существенную роль играют выбор структуры вычислительной системы и подбор комплектующих для входящих в её состав ЭВМ. Незначительное изменение входных параметров или параметров обработки может оказать существенное влияние на требования к вычислительной системе и привести к необходимости ее повторного проектирования. Для облегчения задачи проектирования вычислительных систем необходим механизм, позволяющий быстро выбрать структуру вычислительной системы и выработать требования к её компонентам.

В рамках данной работы впервые разработана методика построения вычислительной системы выявления слабоконтрастных неоднородностей на фоне морской поверхности. Эта система позволяет обнаруживать разливы нефти и нефтепродуктов на морской поверхности, большие косяки рыб и другие аномалии на и под морской поверхностью путем обработки отраженного радиолокационного сигнала.

Процедура обработки сигнала проводится в два этапа: на первом этапе производится оцифровка принятого сигнала и его предварительная обработка, позволяющая получить радиолокационный портрет морской поверхностина втором этапе, на основе анализа' набора радиолокационных картин, происходит выявление слабоконтрастных неоднородностей. Для решения каждой из задач было решено использовать специальные модули цифровой обработки* сигналов: на модуль «радар-процессор» были возложены функции решения задач первого этапа, на модуль «спецвычислитель» — функции по решению задач второго этапа.

Основной проблемой при проектировании вычислительной системы стало обеспечение необходимости решения поставленной задачи выявления слабоконтрастных неоднородностей в режиме реального времени на различных типах радиолокационных станций (РЛС) с широким диапазоном требований по длине рабочей области и точности представления результатов обработки. Предложенная методика позволит существенно ускорить процесс разработки подобных вычислительных систем, работающих в режиме реального времени, под заданные требования заказчика, включающие площадь обрабатываемой поверхности, дальность и точность представления результата.

Целью данной работы является разработка комплексной методики построения вычислительной системы по обработке отраженного радиолокационного сигнала с морской поверхности и выявлению в нем слабоконтрастных неоднородностей в реальном масштабе времени.

Для разработки этой методики в ходе работы были выявлены и решены задачи анализа нагрузки на компоненты специальной ЭВМ при обработке радиолокационной информации и выявления «узких» мест вычислительной системыразработки и проверки математических моделей, позволяющих рассчитать нагрузку, как для уже имеющихся образцов системы оцифровки радиолокационной информации, так и для вычислительной системы объединяющей несколько СпецЭВМ с целью увеличения её производительностивыбрана модель объединения нескольких СпецЭВМ, позволяющая достичь большей производительности в режиме реального временирассмотрены существующие методы оценки производительности вычислительных систем и предложены способы оценки характеристик комплектующих СпецЭВМ, позволяющих проверить соответствие характеристик конкретной СпецЭВМ требованиям, предъявляемым модельюразработки на основе выбранной математической модели методики построения вычислительной системыразработки программы, позволяющей рассчитать на основе требований к вычислительной системе и заданной организации, требования к компонентам СпецЭВМ.

Научная новизна работы заключается в разработке принципиально новой модели вычислительной системы, позволяющейпо параметрам работы конкретной РЛС, значению угла обзора, требованиям к результату обработки определить количественные и качественные требования к СпецЭВМ и их компонентам, входящим в состав вычислительной системы. А также, по результатам моделирования, впервые в отечественной практике, разработана методика проектирования вычислительных систем выявления слабоконтрастных неоднородностей, обеспечивающая эффективное использование ресурсов СпецЭВМ и позволяющая обработать больший объем информации в вычислительной системе, состоящей из нескольких СпецЭВМ в режиме реального времени.

Практическая ценность работы заключается в возможности быстрого и экономичного подбора комплектующих для СпецЭВМ, входящих в состав вычислительной системы, что, в свою очередь, сокращает временные и финансовые затраты на разработку и модернизацию вычислительной системы под требования заказчика. Эта методика позволяет с помощью типового программного обеспечения строить вычислительные системы, работающие в режиме реального времени, для РЛС с различными характеристиками радиолокационных сигналов.

Предложенные методы тестирования компонентов ЭВМ также позволяют быстро определить их пригодность для решения поставленной задачи и требуемое количество СпецЭВМ для построения вычислительной системы заданной производительности.

Применение методики выбора структуры вычислительной системы выявления слабоконтрастных неоднородностей было опробовано в рамках темы «Орел-МИРЭА».

Результаты диссертационной работы были внедрены при выполнении НИР и НИОКР для ЗАО «Альтаир-НТПЦ».

На защиту в данной работе выносятся следующие положения:

— результаты анализа нагрузки на компоненты вычислительной системы и выявленные «узкие места»;

— математические модели существующих образцов вычислительной системы и результаты их проверки;

— математические модели вычислительной системы, состоящей из нескольких СпецЭВМ;

— математическая модель вычислительной системы, обеспечивающая обработку большего объема информации в реальном масштабе времени-,.

— методика выбора структуры вычислительной системы;

— способы оценки производительности комплектующих СпецЭВМ, позволяющие проверить соответствие характеристик СпецЭВМ требованиям, предъявляемым моделью;

— применение методики и разработанного программного обеспечения для практического выбора структуры вычислительной системы, соответствующей параметрам радиолокационной станции и режимам её работы.

Выводы.

Анализ приведенных в главе результатов расчетов программы «ModelVSkN» по формулам предложенной методики позволяет сделать вывод, что для обеспечения функционирования вычислительной системы выявления слабоконтрастных неоднородностей с исходными заданными параметрами достаточно двух исследованных СпецЭВМ.

При увеличении частоты зондирующих импульсов до 1600 Гц данная вычислительная система будет функционировать на пределе реальной пропускной способности шины PCI исследованных СпецЭВМ.

Для работы с РЛС с частотой зондирующих импульсов 3200 Гц, необходимо либо перестроить вычислительную систему, увеличив количество СпецЭВМ до четырех, добавить дополнительные модули «радар-процессор», а модули спецвычислитель распределить между всеми СпецЭВМ, либо сократить дальность рабочей области.

Использование отдельной ЭВМ отображения в данных вариантах не целесообразно.

Заключение

f В данной работе представлено подробное описание вычислительной системы выявления слабоконтрастных неоднородностей и основных её компонентов: модулей «радар-процессор», «спецвычислитель» и специального программного обеспечения. Вместе с описанием модулей приведены их структурные схемы и алгоритмы работы модулей и программного обеспечения.

Проведен анализ вычислительной системы выявления слабоконтрастных неоднородностей и позволивший выявить компоненты СпецЭВМ, влияющие на производительность вычислительной системы в целом. Такими компонентами стали: шина интерфейса модулей (сейчас PCI и Compact-PCI), оперативная память, шина видеоадаптера и накопитель.

Для разработки методики проектирования* вычислительных систем выявления слабоконтрастных неоднородностей, были предложены шесть основных математических моделей:

1. Модель работы вычислительной системы состоящей из одной СпецЭВМ и одного модуля «радар-процессор».

2. Модель работы вычислительной системы состоящей из одной СпецЭВМ и одного модуля «спецвычислитель».

3. Модель работы вычислительной системы состоящей из одной СпецЭВМ, оснащенной" одним модулем «радар-процессор» и одним> модулем «спецвычислитель».

4. Модель работы вычислительной системы состоящей из двух СпецЭВМ, в первой — один модуль «радар-процессор», во второй — один модуль «спецвычислитель».

5. Модель работы вычислительной системы состоящей из двух СпецЭВМ, в первой — два модуля «радар-процессор», во второй — два модуля «спецвычислитель».

6. Модель работы вычислительной системы состоящей из двух СпецЭВМ, в каждой из которых по одному модулю «радар-процессор» и «спецвычислитель».

Для каждой модели были приведены структурные схемы и выведены формулы расчета нагрузки на основные компоненты СпецЭВМ.

Проведенный анализ расчетных результатов и результатов практических тестов показал корректность выведенных формул для моделей № 1 и № 2. ч! j.

А анализ моделей № 3 и № 4 позволил прийти к выводу, что наиболее перспективным с точки зрения оптимизации по критерию производительности будет использование модели № 3, предполагающей объединение в составе одной СпецЭВМ различных модулей, отвечающих за обработку выделенной зоны. При этом каждая из СпецЭВМ, входящих в состав вычислительной системы, отвечает за обработку своей зоны из всей области обработки.

Этот анализ также позволил отказаться от модели № 5, обладающей недостатками модели № 4 и положил в основу разрабатываемой методики проектирования вычислительных систем модель № 6, являющуюся развитием модели № 3.

Модель № 6, предполагает объединение в составе одной СпецЭВМ модулей разных типов, проводящих обработку «своего» сегмента зоны обнаружения. Деление зоны обнаружения между СпецЭВМ в составе одной вычислительной системы при этом производится по дальности.

При разработке методики также были рассмотрены возможные варианты распределения задач вывода и сохранения информации между СпецЭВМ вычислительной системы:

1. Каждая СпецЭВМ хранит оцифрованную информацию самостоятельно, отображение идет на одной из них.

2. Хранение и отображение информации осуществляется на одной СпецЭВМ.

3. Вводится дополнительная ЭВМ для хранения и отображения информации.

4. Вводится дополнительная ЭВМ для отображения информации, а оцифрованную информацию хранит каждая СпецЭВМ самостоятельно.

Так как варианты 2 и 3, предполагающие хранение всей оцифрованной информации на одной из СпецЭВМ, применимы только для ограниченного ряда вычислительных систем с малым объемом обрабатываемой информации, так как в них подсистема хранения информации становится наиболее перегруженным элементом и требует не только высокопроизводительной подсистемы записи информации, но и высокопроизводительной сетевой подсистемы, от их дальнейшего рассмотрения было решено отказаться.

При сравнении вариантов 1 и 4 был сделан вывод, что при условии предварительной обработки информации и ее подготовки к отображению на.

СпецЭВМ оцифровки, нагрузка на СпецЭВМ оцифровки и отображения возрастет в соответствии с объемом принимаемой от других СпецЭВМ информации. Это позволило прийти к следующему выводу в рамках разработанной методики: если производительности СпецЭВМ оцифровки для обеспечения отображения недостаточно и/или необходимо разместить экран отображения на некотором расстоянии от СпецЭВМ оцифровки, то задачу отображения лучше переложить на отдельную ЭВМ. В других случаях возможно использование варианта с возложением задачи отображения на одну из СпецЭВМ оцифровки.

В работе также были рассмотрены методы тестирования компонентов СпецЭВМ и было предложено использование тестов, ориентированных на выдачу реальной производительности компонентов ЭВМ при решении требуемой задачи, в отличие от тестов, определяющих «сырую» производительность. Для каждого из основных компонентов ЭВМ были предложены соответствующие методы тестирования.

Предложенная методика и формулы расчета были реализованы в программе расчета требований к компонентам СпецЭВМ исходя из заданной производительности и структуры вычислительной системы.

Данная программа, названная «Мос1е1/ЗкМ», была использована при расчете нагрузки на компоненты СпецЭВМ вычислительной системы в рамках НИОКР «Орел-МИРЭА» для ЗАО «Альтаир-НТПЦ». Полученные результаты позволили принять решение и о структуре вычислительной системы, и об ограничениях, накладываемых на режимы обработки при использовании вычислительной системы вместе с РЛС с увеличенной частотой зондирующих импульсов.