CN103558592A - 一种基于mpi并行计算的星载sar回波数据模拟方法 - Google Patents

一种基于mpi并行计算的星载sar回波数据模拟方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103558592A
CN103558592A CN201310462986.XA CN201310462986A CN103558592A CN 103558592 A CN103558592 A CN 103558592A CN 201310462986 A CN201310462986 A CN 201310462986A CN 103558592 A CN103558592 A CN 103558592A
Authority
CN
China
Prior art keywords
distance
orientation
echo
echo data
aperture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310462986.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103558592B (zh
Inventor
于泽
李洲
李春升
刘敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BEIJING CEWEI TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201310462986.XA priority Critical patent/CN103558592B/zh
Publication of CN103558592A publication Critical patent/CN103558592A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103558592B publication Critical patent/CN103558592B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4052—Means for monitoring or calibrating by simulation of echoes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，该方法的目的是为了提高星载SAR卫星回波生成速度，得到的结果是星载SAR回波信号数据。本发明对星载SAR回波数据的模拟是基于消息传递接口的，包括有五个步骤，分别是：步骤一：任务分配节点对模拟任务（SAR图像）进行了任务分配与回波数据矩阵大小设置；步骤二：由多个计算节点采用多进程并行来完成任务计算；步骤三：动态控制节点对多个计算节点完成的任务进行动态分配；步骤四：量化节点依据量化条件进行动态量化处理；步骤五：数据处理节点对量化后的回波数据进行拼接，得到星载SAR回波信号数据。

Description

一种基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法
技术领域
本发明涉及一种星载SAR的信号处理方法，更特别地说，是指一种基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法。
背景技术
星载SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）是一种具有全天候、全天时的能力的成像系统，不受云、雨、雾、黑夜等自然条件的限制，在军事领域、地形测绘等许多领域有广泛的应用价值。星载SAR系统原始回波信号的模拟对SAR系统设计、成像算法研究等有重要意义。
1999年10月哈尔滨工业大学出版社出版、刘永坦编著的《雷达成像技术》指出，合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）安装在运动平台上，按照一定的重复频率发射、接收脉冲，形成回波信号。SAR系统的结构框图如图1所示，SAR系统包括有星上雷达系统、卫星平台及数据下传系统和地面系统三部分，对合成孔径雷达成像处理是在地面系统中完成的。地面系统通过地面接收站接收卫星平台及数据下传系统下发的回波信号，该回波信号经SAR信号处理器进行成像处理，获得SAR图像；所述SAR图像存储于备档操作系统中。
MPI（Message Passing Interface，消息传递接口）是由全世界工业、科研和政府部门联合建立的一个消息传递编程标准，标准中定义了一组函数接口用于进程间的消息传递，其目的是为基于消息传递的并行程序设计提供一个高效、可扩展、统一的编程环境。1992年4月29日至30日，在威吉亚尼的威廉姆斯堡召开的分布存储环境消息传递标准讨论会标志着MPI标准化的开始。由Dongarra，Hempel和Walker提议的初始草案于1992年11月推出，并在1993年2月完成修订，形成了MPI-1版本。到1997年7月，对MPI1.0进行了重大的扩充，推出了MPI-2版本。
传统的星载SAR系统回波数据模拟采用仿物理回波生成方式，采用串行方式收集每个散射元的多普勒信息，计算方式复杂，运算量巨大。对于一个512×512的点阵形散射元，运行时间可达3天。目前，对于星载SAR回波模拟研究的快速回波生成技术已成为热点问题。张超等提出了基于SOCKET并行计算的回波数据模拟方法，但依然采用了传统的目标回波生成方式。易予生等提出了利用MATLAB中DCT（Destributed Computing Toolbox）工具箱进行回波模拟，并采用了与张超等相同的回波生成方式。路兴强等提出了基于FFT（快速傅里叶变换）的回波生成方式，并采用了MPI进行计算，大大提高了运行效率。以上研究仅仅考虑了接收机内部视频段正交解调后的信号模拟，无法加入系统链路误差、后端AGC（自动增益控制）处理等，模拟环节考虑不足。至今，国内外尚未有提出可完整反映系统链路环节的星载SAR回波数据模拟方法。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，该方法利用控制节点将数据模拟任务切分为大颗粒运算任务，利用MPI消息传递机制实现计算节点运算任务的分配，收集各子孔径回波信号的强度信息，最后利用信息共享的方式获得全孔径的星载SAR回波数据。本发明解决了大型地面目标模拟运行时间较长的问题，利用这种方法可以保证回波模拟精度并大大提高运算效率，且适应多种扫描模式的回波模拟任务。
本发明的一种基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，其特征在于对星载SAR回波数据的模拟是基于消息传递接口的，包括有五个步骤，分别是：
步骤一：任务分配节点对模拟任务进行了任务分配与回波数据矩阵大小设置；
所述任务分配节点先设置出回波数据模拟的矩阵大小，记为N方位×N距离，然后通过矩阵大小确定出任务分配节点申请的内存大小，即为N方位×N'距离×8字节。
步骤二：由多个计算节点采用多进程并行来完成任务计算；
每个计算节点依据任务分配节点申请的内存大小为N方位×N'距离×8字节进行每个进程的消息传递接口初始化；然后，每个计算节点依据对应进程、以及进程对应的方位时刻的所有方位时间采样点，计算得到回波信号散射强度；
步骤三：动态控制节点对多个计算节点完成的任务进行动态分配；
所述动态控制节点对接收到的value回波-max和value回波-min分发给所有的量化节点；
步骤四：量化节点依据量化条件进行动态量化处理；
步骤五：数据处理节点对量化后的回波数据进行拼接，得到星载SAR回波信号数据。
采用本发明方法得到星载SAR原始回波数据，可减少回波数据模拟的运行时间，可适应多种扫描模式的回波模拟任务，即支持服务器架构的集群运算环境，又支持基于局域网连接的计算机网络运算环境。
本发明基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法的优点：
①基于MPI的消息传递机理，由控制节点分配任务，计算节点相互独立的完成运算，保证了回波数据模拟过程中可能出现的信息交叉传递错误，在提高运算效率的同时，保证了回波数据模拟过程的准确性。
②采用升采样和卷积的方式，在频域完成多点目标回波信号的模拟，极大的减少了了回波模拟的运算量，提高了运行效率。
③通过频域的增采样，较好的控制了提升运行效率所引入的模拟失真，能够更准确的重建回波信号的真实特性。
附图说明
图1是传统SAR系统框图。
图2是本发明的基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟的结构框图。
图2A是本发明的一种计算节点完成星载SAR回波数据的计算流程图。
图3是星载SAR空间几何关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的星载SAR回波数据模拟是在备档操作系统（参见图1所示）中完成的。具体地，是对SAR信号处理器输出的SAR图像进行星载SAR原始回波数据的模拟拾取。备档操作系统可以是由多台计算机组成，如图2所示，多台计算机之间采用MPI进行信息传递。根据每台计算机执行的任务不同，可以将执行控制任务分配的计算机称为任务分配节点，将执行计算任务的计算机称为计算节点，将依据量化条件进行量化计算的计算机称为量化节点，将执行数据拼接的计算机称为数据处理节点，将收集并控制原始回波数据动态范围的计算机称为动态控制节点。为了实现多进程的并行计算，所述计算节点和所述量化节点设置为多个，即A计算节点、B计算节点、M－1计算节点、M计算节点、A量化节点、B量化节点、M－1量化节点、M量化节点。所述计算节点采用如图2A所示的流程进行计算。而所述量化节点均采用量化条件对SAR回波数据进行量化处理。
计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU四核主频2GHz，内存4GB，硬盘180GB；操作系统为windows XP64bit\windows server200864bit；并行接口为MPICH1.0.1p版本。
本发明是一种基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，该方法的目的是为了提高星载SAR卫星回波生成速度，得到的结果是星载SAR回波信号数据。参见图2、图2A所示，本发明对星载SAR回波数据的模拟是基于消息传递接口的，包括有五个步骤，分别是：
步骤一：任务分配节点对模拟任务（SAR图像）进行了任务分配与回波数据矩阵大小设置；
步骤二：由多个计算节点采用多进程并行来完成任务计算（如图2A所示）；
步骤三：动态控制节点对多个计算节点完成的任务进行动态分配；
步骤四：量化节点依据量化条件进行动态量化处理；
步骤五：数据处理节点对量化后的回波数据进行拼接，得到星载SAR回波信号数据。
任务分配节点
在本发明中，参见图2所示，在基于MPI传输过程中，任务分配节点实现的功能为：任务分配节点先设置出回波数据模拟的矩阵大小，记为N方位×N距离，然后通过矩阵大小确定出任务分配节点申请的内存大小，即为N方位×N'距离×8字节。
在本发明中，所模拟的原始回波信号数据E二维回波为一个复数型二维矩阵，采用矩阵形式表示为
Figure BDA0000392207820000051
N方位表示沿方位向的采样点数；
N距离表示沿距离向的采样点数；
a1-1表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第1个采样点；
a1-2表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第2个采样点；
a1-N距离表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第N距离个采样点；
a2-1表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第1个采样点；
a2-2表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第2个采样点；
a2-N距离表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第N距离个采样点；
Figure BDA0000392207820000066
表示沿方位向上采集到的第N方位个方位时刻的距离向的第1个采样点；
Figure BDA0000392207820000067
表示沿方位向上采集到的第N方位个方位时刻的距离向的第2个采样点；
表示沿方位向上采集到的第N方位个方位时刻的距离向的第N距离个采样点。
不同脉冲周期的采样点数之间的采样时间间隔为脉冲重复时间，记为
Figure BDA0000392207820000061
举例说，如a1-1与a2-1之间的采样时间间隔为脉冲重复时间，记为
连续两个采样点数之间的采样时间间隔记为c表示光速，fs表示距离向采样率。举例说，如a1-1与a1-2之间的采样时间间隔为
Figure BDA0000392207820000064
在本发明中，为进行快速傅里叶变换（FFT），需要将距离向的采样点数N距离扩充，扩充后距离向采样点数记为N'距离，N'距离为2的整数次幂，且有0.5×N'距离＜N距离≤N'距离。扩充矩阵E扩充表示为
Figure BDA0000392207820000065
复数据的实部和虚部均为单精度浮点型数据，占内存4个字节，则任务分配节点所申请内存为N方位×N'距离×8字节。为保证备档操作系统运行效率，任务分配节点的物理内存必须满足大于N方位×N'距离×16字节。
计算节点
每个计算节点依据任务分配节点申请的内存大小为N方位×N'距离×8字节进行每个进程的消息传递接口初始化。
由任务分配节点接收同一通信域内的并行通信的进程数量，分配给A计算节点、B计算节点、……、M计算节点上的各个进程的运算任务，确定出各个进程对应的消息信封。
在本发明中，计算节点的总数记为M，M也称为计算节点的标识号，则并行计算的进程数也是QM，每个进程对应的消息信封的消息标识记为PM。参见图2所示，则A计算节点的进程数记为QA，QA对应的消息信封的消息标识记为PA。B计算节点的进程数记为QB，QB对应的消息信封的消息标识记为PB。M－1计算节点的进程数记为QM-1，QM-1对应的消息信封的消息标识记为PM-1。M计算节点的进程数记为QM，QM对应的消息信封的消息标识记为PM。
在本发明中，对卫星模拟运行时间进行子孔径划分，分配计算节点中每个进程的运算任务，则有：
A计算节点对应的进程PA分配的子孔径方位向点数记为NUMA；
B计算节点对应的进程PB分配的子孔径方位向点数记为NUMB；
M－1计算节点对应的进程编号为PM-1分配的子孔径方位向点数记为NUMM-1；
M计算节点对应的进程编号为PM分配的子孔径方位向点数记为NUMM。
在本发明中，进程PA、进程PB到进程PM-1分配的子孔径方位向点数相等，且等于
Figure BDA0000392207820000071
的整数部分。进程PM分配的子孔径方位向点数为N方位-(M-1)×NUMA。
则进程PA所需模拟的子孔径回波数据的大小记为NUMA×N'距离，所需处理的方位向卫星模拟时间段为[t0,tA)，t0为卫星模拟起始时间，tA表示进程PA的子孔径回波结束时间，记为
进程PB所需模拟的子孔径回波数据的大小为NUMB×N'距离，所需处理的方位向卫星模拟时间段为[tA,tB)，tB表示进程PB的子孔径回波结束时间，记为 t B = t A + NUM B prf .
进程PM-1所需模拟的子孔径回波数据的大小为NUMM-1×N'距离，所需处理的方位向卫星模拟时间段为[tM-2,tM-1)，tM-2表示进程PM-2的子孔径回波结束时间，记为
Figure BDA0000392207820000074
tM-1表示进程PM-1的子孔径回波结束时间，记为其中，tM-3表示进程PM-3的子孔径回波结束时间，NUMM-2表示M－2计算节点对应的进程编号为PM-2分配的子孔径方位向点数，NUMM-1表示M－1计算节点对应的进程编号为PM-1分配的子孔径方位向点数。
进程PM所需模拟的子孔径回波数据的大小为NUMM×N'距离，所需处理的方位向卫星模拟时间段为[tM-1,tM)。tM表示进程PM的子孔径回波结束时间，记为
Figure BDA0000392207820000082
NUMM表示M计算节点对应的进程编号为PM分配的子孔径方位向点数。
在本发明中，将方位时间点范围和模拟参数封装至消息数据中，所述消息数据与消息信封构成消息并传递给每个计算节点。
（一）散射元与卫星的相对位置
在本发明中，星载SAR空间几何关系请参考魏钟铨等著《合成孔径雷达卫星》第七章的内容，2001年2月第一版。
根据星载SAR空间几何关系以及图3所示，得到在卫星运行时刻t下，不同子孔径下卫星SAT与地形场景中的散射元SCA的相对位置，即视线距离Rt。在图3中，地球坐标系记为O-XYZ。
其中，视线距离记为
Figure BDA0000392207820000083
xat表示散射元在天线坐标系中的X轴上的值，yat表示散射元在天线坐标系中的Y轴上的值，zat表示散射元在天线坐标系中的Z轴上的值。
其中，视线夹角记为 θ t = sin - 1 [ x at 2 + z at 2 x at 2 + y at 2 + z at 2 ] 1 / 2 .
（二）计算回波散射强度信号
为了方便说明，下面以M计算节点作为任意一个计算节点进行说明。利用卫星与散射元的相对位置关系，由计算节点得到不同方位时刻卫星相对于每个散射元的多普勒相位信息，并计算该散射元在此方位时刻的回波起始时刻。利用回波起始时刻计算该散射元的脉冲起始位置点。该点的相位为卫星相对散射元运动的多普勒相位，幅度为双程天线方向加权和散射元反射强度之积。将每个散射元的脉冲起始位置点叠加，从而得到回波信号散射强度。
对于任意一个计算节点M的进程PM，其分配的子孔径方位向点数为NUMM，其所需模拟的子孔径回波信号大小为NUMM×N'距离，在新的采样率fs'＝fs×L对其距离向进行L倍升采样，既构造得到一个大小为NUMM×(N'距离×L)的复数矩阵
Figure BDA0000392207820000091
所述
Figure BDA0000392207820000092
NUMM表示M计算节点的进程PM的子孔径方位向总的采样点数；
N'距离×L表示沿距离向进行L倍升采样后的距离向新的采样点数；
Figure BDA0000392207820000093
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第1个采样点；
Figure BDA0000392207820000094
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第2个采样点；
Figure BDA0000392207820000095
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第N距离个采样点；
Figure BDA0000392207820000096
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第1个采样点；
Figure BDA0000392207820000097
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第2个采样点；
Figure BDA0000392207820000098
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第N距离个采样点；
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM个方位时刻的距离向的第1个采样点；
Figure BDA0000392207820000101
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM1个方位时刻的距离向的第2个采样点；
Figure BDA0000392207820000102
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM1个方位时刻的距离向的第N距离个采样点。
在本发明中，在进程PM对应的方位向卫星模拟时间段为[tM-1,tM)，在卫星运行时刻t下，且有t∈[tM-1,tM)。计任意一个散射元与此时刻t卫星的相对距离Rt和视线夹角θt，即波前距离记为Rwft SCA。
Figure BDA0000392207820000103
所述的取值取整数部分，TDelay表示回波窗开启时间，c表示光速。
在本发明中，任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波起始点位置记为
Figure BDA0000392207820000105
所述 Pbe t SCA = [ ( R t - Rwf t SCA ) × 2 c ] f s ′ .
在本发明中，任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波起始点位置
Figure BDA0000392207820000107
上的幅度为
Figure BDA0000392207820000109
σ表示任意一个散射元的散射系数，π表示圆周率，d表示方位向的天线尺寸，λ表示信号载频对应的波长。在本发明中，
Figure BDA00003922078200001010
为卫星天线4dB宽度，当视线夹角θt小于天线4dB宽度的一半且视线距离Rt大于或等于波前距离Rwft SCA时，该散射元产生回波幅度不为零；当视线夹角θt大于天线4dB宽度的一半或视线距离Rt小于波前距离Rwft SCA时，该散射元不能被卫星天线照射，幅度为零，记为
Figure BDA00003922078200001011
的“其他”。
在本发明中，任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波起始点位置
Figure BDA0000392207820000111
上的多普勒相位为
Phase t SCA = exp ( - j 4 × π × R t λ + j × Rand ) , θ t ≤ λ 2 d 0 , θ t > λ 2 d , j表示虚数为
Figure BDA0000392207820000114
Rand为服从正态分布的随机变量。
在本发明中，任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波信号散射强度向量记为
Figure BDA0000392207820000115
将内回波起始点位置
Figure BDA0000392207820000117
对应采样点赋值记为 Phase t SCA × G t SCA .
在本发明中，若散射元的总数记为D，则有第一个散射元的回波信号散射强度向量记为
Figure BDA0000392207820000119
则有第二个散射元的回波信号散射强度向量记为则有第D个散射元的回波信号散射强度向量记为散射元的回波信号散射强度向量(
Figure BDA00003922078200001112
和)是一个一维的N'距离×L的矩阵。为了方便说明，下面以
Figure BDA00003922078200001113
为任意一个散射元的回波信号散射强度向量进行举例说明。
M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的所有散射元的回波信号散射强度向量记为SigM1。且有（当t为M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻时）。由于
Figure BDA00003922078200001115
是一个一维的N'距离×L的矩阵，则散射元的回波信号散射强度用矩阵表达为
Figure BDA00003922078200001117
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的沿距离向的第1个采样点上的散射强度，sM1-2表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的沿距离向的第2个采样点上的散射强度，
Figure BDA00003922078200001118
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点上的散射强度。
M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的所有散射元的回波信号散射强度向量记为SigM2。且有（当t为M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻时）。由于
Figure BDA0000392207820000122
是一个一维的N'距离×L的矩阵，则散射元的回波信号散射强度用矩阵表达为
Figure BDA0000392207820000128
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的沿距离向的第1个采样点上的散射强度，sM2-2表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的沿距离向的第2个采样点上的散射强度，
Figure BDA0000392207820000129
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点上的散射强度。
M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM个方位时刻的所有散射元的回波信号散射强度向量记为
Figure BDA0000392207820000123
且有 Sig NUM M = S t SCA 1 + S t SCA 2 + . . . + S t SCA D （当t为M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM个方位时刻时）。由于
Figure BDA0000392207820000125
是一个一维的N'距离×L的矩阵，则散射元的回波信号散射强度用矩阵表达为
Figure BDA00003922078200001210
Figure BDA00003922078200001211
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第1个采样点上的散射强度，
Figure BDA00003922078200001212
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第2个采样点上的散射强度，
Figure BDA00003922078200001213
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点上的散射强度。
则M计算节点的进程PM的所有散射元的回波信号散射强度矩阵记为
Figure BDA0000392207820000126
所述
（三）回波散射强度信号与线性调频信号卷积得到子孔径回波数据
在本发明中，卷积请参考洪文等译的《合成孔径雷达成像—算法与实现》第二章的第二节中的内容，2007年10月第一版。
在本发明中，一维的线性调频信号构造请参考朱国富等译的《雷达系统设计MATLAB仿真》第三章第四节的内容，2009年10月第一版。其中，脉冲宽度为τp，信号带宽为Bw，采样率为fs，具体的参数取值参见表3。
步骤301：对M计算节点的进程PM回波信号散射强度
Figure BDA0000392207820000131
中第一行
Figure BDA0000392207820000136
进行卷积，得到M计算节点的进程PM的第一行回波数据
Figure BDA0000392207820000137
uM1-1表示SigM1卷积后的第1个方位时刻的沿距离向的第1个采样点的回波数据，uM1-2表示SigM1卷积后的第1个方位时刻的沿距离向的第2个采样点的回波数据，
Figure BDA0000392207820000138
表示SigM1卷积后的第1个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点的回波数据；
步骤302：对M计算节点的进程PM回波信号散射强度
Figure BDA0000392207820000132
中第二行进行卷积，得到M计算节点的进程PM的第二行回波数据
Figure BDA00003922078200001310
uM2-1表示SigM2卷积后的第2个方位时刻的沿距离向的第1个采样点的回波数据，uM2-2表示SigM2卷积后的第2个方位时刻的沿距离向的第2个采样点的回波数据，
Figure BDA00003922078200001311
表示SigM2卷积后的第2个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点的回波数据；
步骤303：对M计算节点的进程PM回波信号散射强度
Figure BDA0000392207820000133
中第NUMM行
Figure BDA0000392207820000134
进行卷积，得到M计算节点的进程PM的第NUMM行回波数据
Figure BDA0000392207820000135
Figure BDA0000392207820000141
表示卷积后的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第1个采样点的回波数据，表示
Figure BDA0000392207820000143
卷积后的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第2个采样点的回波数据，表示
Figure BDA0000392207820000145
卷积后的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点的回波数据；
步骤304：对M计算节点的进程PM的第一行回波数据ES-echoM1经L倍降采样处理，得到降采样后第一行回波数据ES-downM1；所述
Figure BDA0000392207820000147
uuM1-1表示取ES-echoM1中第1个元素uM1-1的值，uuM1-2表示取ES-echoM1中第L+1个元素uM1-L+1的值，uuM1-N'距离表示取ES-echoM1中第(N'距离-1)×L+1个元素uM1-(N'距离-1)×L+1的值；
步骤305：对M计算节点的进程PM的第二行回波数据ES-echoM2经L倍降采样处理，得到降采样后第二行回波数据ES-downM2；所述uuM2-1表示取ES-echoM2中第1个元素uM2-1的值，uuM2-2表示取ES-echoM2中第L+1个元素uM2-L+1的值，
Figure BDA0000392207820000149
表示取ES-echoM2中第(N'距离-1)×L+1个元素uM2-(N'距离-1)×L+1的值；
步骤306：对M计算节点的进程PM的第NUMM行回波数据
Figure BDA00003922078200001410
经L倍降采样处理，得到降采样后第NUMM行回波数据
Figure BDA00003922078200001411
所述
Figure BDA00003922078200001412
Figure BDA00003922078200001413
表示取
Figure BDA00003922078200001414
中第1个元素
Figure BDA00003922078200001415
的值，
Figure BDA00003922078200001416
表示取中第L+1个元素
Figure BDA00003922078200001418
的值，
Figure BDA00003922078200001419
表示取
Figure BDA00003922078200001420
中第(N'距离-1)×L+1个元素
Figure BDA00003922078200001421
的值；
降采样方式具体为：M计算节点的进程PM的第NUMM行回波数据
Figure BDA00003922078200001422
经L倍降采样处理，即沿距离向对
Figure BDA00003922078200001423
上每隔L个点取一个值（既第1,L+1,...,(N'距离-1)L+1）赋给
Figure BDA00003922078200001424
步骤307：构建M计算节点的进程PM降采样后的子孔径回波矩阵记为
Figure BDA0000392207820000151
其中矩阵的行数为NUMM，列数为N'距离。设
Figure BDA0000392207820000152
中的任意元素的矩阵位置为(row,col)，其中row表示该元素在矩阵中的行号，且1≤row≤NUMM，col表示该元素在矩阵中的列号，且1≤col≤N'距离。
Figure BDA0000392207820000153
(row,col)表示任意行和任意列的元素在矩阵
Figure BDA0000392207820000154
中的数值。
同理可得，A计算节点的进程PA降采样后的子孔径回波矩阵记为
Figure BDA0000392207820000155
其中矩阵的行数为NUMA，列数为N'距离。设
Figure BDA0000392207820000156
中的任意元素的矩阵位置为(row,col)，其中row表示该元素在矩阵中的行号，且1≤row≤NUMA，col表示该元素在矩阵中的列号，且1≤col≤N'距离。
Figure BDA0000392207820000157
(row,col)表示任意行和任意列的元素在矩阵
Figure BDA0000392207820000158
中的数值。
同理可得，B计算节点的进程PB降采样后的子孔径回波矩阵记为
Figure BDA0000392207820000159
其中矩阵的行数为NUMB，列数为N'距离。设
Figure BDA00003922078200001510
中的任意元素的矩阵位置为(row,col)，其中row表示该元素在矩阵中的行号，且1≤row≤NUMB，col表示该元素在矩阵中的列号，且1≤col≤N'距离。
Figure BDA00003922078200001511
(row,col)表示任意行和任意列的元素在矩阵
Figure BDA00003922078200001512
中的数值。
（四）提取子孔径回波数据强度范围
A计算节点中的子孔径回波数据矩阵
Figure BDA0000392207820000161
中最大值记为
Figure BDA0000392207820000162
A计算节点中的子孔径回波数据矩阵中最小值记为
Figure BDA0000392207820000164
B计算节点中的子孔径回波数据矩阵中最大值记为B计算节点中的子孔径回波数据矩阵
Figure BDA0000392207820000167
中最小值记为
Figure BDA0000392207820000168
M计算节点中的子孔径回波数据矩阵中最大值记为
Figure BDA00003922078200001610
M计算节点中的子孔径回波数据矩阵
Figure BDA00003922078200001611
中最小值记为
Figure BDA00003922078200001612
选取
Figure BDA00003922078200001613
到
Figure BDA00003922078200001614
中的最大子孔径回波数据强度，并将其作为全孔径回波数据最大强度值记为ValEmax；
选取
Figure BDA00003922078200001615
到中的最小子孔径回波数据强度，并将其作为全孔径回波数据最小强度值记为ValEmin。
在本发明中，依据每个计算节点对应的进程，以及进程对应的方位时刻的所有方位时间采样点，计算其回波信号散射强度，则可以得到任意进程PM的回波散射强度信号数据。该回波数据在每个散射元在原始回波数据的脉冲起始点位置上，给出了相应的回波强度和多普勒相位信息。
动态控制节点
动态控制节点对接收到的value回波-max和value回波-min分发给所有的量化节点。
量化节点
A量化节点依据量化条件
Figure BDA00003922078200001617
进行量化处理，得到A量化节点的量化后回波数据A-Lh。V表示量化位数。
所述
Figure BDA0000392207820000171
中的字母物理意义为：
αA1-1表示
Figure BDA0000392207820000172
中第1个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αA1-2表示
Figure BDA0000392207820000173
中第1个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001711
表示
Figure BDA0000392207820000174
中第1个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
αA2-1表示
Figure BDA0000392207820000175
中第2个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αA2-2表示
Figure BDA0000392207820000176
中第2个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001712
表示中第2个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001713
表示
Figure BDA0000392207820000178
中第NUMA个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001714
表示中第NUMA个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001715
表示
Figure BDA00003922078200001710
中第NUMA个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据。
B量化节点依据量化条件
Figure BDA0000392207820000181
进行量化处理，得到B量化节点的量化后回波数据B-Lh。
所述中的字母物理意义为：
αB1-1表示
Figure BDA0000392207820000183
中第1个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αB1-2表示中第1个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001811
表示
Figure BDA0000392207820000185
中第1个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
αB2-1表示
Figure BDA0000392207820000186
中第2个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αB2-2表示
Figure BDA0000392207820000187
中第2个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001812
表示
Figure BDA0000392207820000188
中第2个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001813
表示
Figure BDA0000392207820000189
中第NUMB个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001814
表示
Figure BDA00003922078200001810
中第NUMB个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001911
表示
Figure BDA0000392207820000191
中第NUMB个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据。
M量化节点依据量化条件
Figure BDA0000392207820000192
进行量化处理，得到M量化节点的量化后回波数据M-Lh。
所述
Figure BDA0000392207820000193
中的字母物理意义为：
αM1-1表示
Figure BDA0000392207820000194
中第1个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αM1-2表示中第1个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001912
表示
Figure BDA0000392207820000196
中第1个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
αM2-1表示
Figure BDA0000392207820000197
中第2个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αM2-2表示
Figure BDA0000392207820000198
中第2个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
表示
Figure BDA0000392207820000199
中第2个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA00003922078200001914
表示
Figure BDA00003922078200001910
中第NUMM个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA0000392207820000204
表示
Figure BDA0000392207820000201
中第NUMM个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure BDA0000392207820000205
表示
Figure BDA0000392207820000202
中第NUMM个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据。
数据处理节点
由数据节点接收计算节点各个进程的量化子孔径回波数据，并进行数据拼接，得到最终的星载SAR原始回波数据。
在同一通信域内的不同进程将会进行大量的数据传输，为保证数据传输的安全性，需采用同步传输模式将每个计算节点的量化子孔径回波数据分别传送到数据处理节点。数据处理节点按照方位向子孔径分配顺序将第A,B，...，M个计算进程对应的量化子孔径回波数据按顺序排列，沿方位向子孔径拼接并赋值给全孔径回波数据矩阵ECHO全孔径量化，该矩阵大小为N方位×N'距离，且
Figure BDA0000392207820000203
在本发明中，把每个量化后的回波数据记录入ECHO全孔径量化中，则ECHO全孔径量化矩阵为：
Figure BDA0000392207820000211
在本发明中，去掉矩阵ECHO全孔径量化距离向后面大小为N方位×(N'距离-N距离)的矩阵，得到大小为N方位×N距离的回波数据ECHO最终回波，即
Figure BDA0000392207820000221
回波数据ECHO最终回波为最终的星载SAR回波数据。
仿真实例
卫星轨道参数、卫星姿态参数和雷达参数如表1、表2和表3所示。
表1卫星轨道参数
参数 取值
半长轴a（km） 42164.2
轨道倾角η（°） 60
偏心率e 0
近地点幅角ω（°） 0
升交点赤经Ω（°） 0
表2卫星姿态参数
参数 取值
偏航角θy（°） 0
俯仰角θp（°） 0
横滚角θr（°） 0
表3雷达参数
参数 取值
方位天线长度d（m） 18
带宽Bw（MHz） 45
采样率fs（MHz） 50
脉宽τp(μs) 4
脉冲重复频率prf（Hz） 400
波长λ（m） 0.24
中心视角θL（°） 3.0
按照表1至表3的参数分别对位于赤道附近的地面上500km×500km范围内场景的五种不同数量的点阵目标（分别为100×100、100×200、100×300、100×400、100×500）进行了回波仿真，得到五个全孔径回波数据，利用表1至表3的参数进行回波数据仿真，得出相应的仿真需要时间见表4，通过对比表4中的参数可以看出，基于MPI并行后的回波数据模拟使得仿真时间大大高于串行时的效率，而且随着进程数目的增加时间相应缩短。
表4星载回波仿真时间表（单位：秒）
场景目标点阵数 并行4进程 并行8进程 并行16进程
100×100 63.66 39.40 33.88
100×200 82.66 47.58 38.36
100×300 99.13 56.91 43.93
100×400 117.49 68.83 47.78
100×500 134.87 76.16 53.68

Claims (5)

1.一种基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，其特征在于对星载SAR回波数据的模拟是基于消息传递接口的，包括有五个步骤，分别是：
步骤一：任务分配节点对模拟任务进行了任务分配与回波数据矩阵大小设置；
所述任务分配节点先设置出回波数据模拟的矩阵大小，记为N方位×N距离，然后通过矩阵大小确定出任务分配节点申请的内存大小，即为N方位×N'距离×8字节；
步骤二：由多个计算节点采用多进程并行来完成任务计算；
每个计算节点依据任务分配节点申请的内存大小为N方位×N'距离×8字节进行每个进程的消息传递接口初始化；然后，每个计算节点依据对应进程、以及进程对应的方位时刻的所有方位时间采样点，计算得到回波信号散射强度；
步骤三：动态控制节点对多个计算节点完成的任务进行动态分配；
所述动态控制节点对接收到的value回波-max和value回波-min分发给所有的量化节点；
步骤四：量化节点依据量化条件进行动态量化处理；
步骤五：数据处理节点对量化后的回波数据进行拼接，得到星载SAR回波信号数据。
2.根据权利要求1所述的基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，其特征在于：每个计算节点在获取回波信号散射强度的执行步骤为：
（一）获取散射元与卫星的相对位置，即视线距离记为
Figure FDA0000392207810000011
表示散射元在天线坐标系中的X轴上的值，yat表示散射元在天线坐标系中的Y轴上的值，zat表示散射元在天线坐标系中的Z轴上的值；视线夹角记为
（二）计算回波散射强度信号
对于任意一个计算节点M的进程PM，其分配的子孔径方位向点数为NUMM，其所需模拟的子孔径回波信号大小为NUMM×N'距离，在新的采样率fs'＝fs×L对其距离向进行L倍升采样，既构造得到一个大小为NUMM×(N'距离×L)的复数矩阵
Figure FDA0000392207810000013
NUMM表示M计算节点的进程PM的子孔径方位向总的采样点数；
N'距离×L表示沿距离向进行L倍升采样后的距离向新的采样点数；
Figure FDA0000392207810000014
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第1个采样点；
Figure FDA0000392207810000015
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第2个采样点；
Figure FDA0000392207810000021
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第N距离个采样点；
Figure FDA0000392207810000022
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第1个采样点；
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第2个采样点；
Figure FDA0000392207810000024
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第N距离个采样点；
Figure FDA0000392207810000025
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM个方位时刻的距离向的第1个采样点；
Figure FDA0000392207810000026
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM1个方位时刻的距离向的第2个采样点；
Figure FDA0000392207810000027
表示M计算节点的进程PM的子孔径沿方位向上采集到的第NUMM1个方位时刻的距离向的第N距离个采样点；
在进程PM对应的方位向卫星模拟时间段为[tM-1,tM)，在卫星运行时刻t下，且有t∈[tM-1,tM)；计任意一个散射元与此时刻t卫星的相对距离Rt和视线夹角θt，即波前距离记为Rwft SCA；
Figure FDA0000392207810000028
所述
Figure FDA0000392207810000029
的取值取整数部分，TDelay表示回波窗开启时间，c表示光速；
任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波起始点位置记为
Figure FDA00003922078100000210
所述 Pbe t SCA = [ ( R t - Rwf t SCA ) × 2 c ] f s ′ ;
任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波起始点位置
Figure FDA00003922078100000212
上的幅度为
Figure FDA00003922078100000213
Figure FDA00003922078100000214
σ表示任意一个散射元的散射系数，π表示圆周率，d表示方位向的天线尺寸，λ表示信号载频对应的波长；在本发明中，
Figure FDA0000392207810000031
为卫星天线4dB宽度，当视线夹角θt小于天线4dB宽度的一半且视线距离Rt大于或等于波前距离Rwft SCA时，该散射元产生回波幅度不为零；当视线夹角θt大于天线4dB宽度的一半或视线距离Rt小于波前距离Rwft SCA时，该散射元不能被卫星天线照射，幅度为零，记为
Figure FDA00003922078100000316
的“其他”；
任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波起始点位置
Figure FDA0000392207810000032
上的多普勒相位为
Figure FDA0000392207810000033
Phase t SCA = exp ( - j 4 × π × R t λ + j × Rand ) , θ t ≤ λ 2 d 0 , θ t > λ 2 d , j表示虚数为
Figure FDA0000392207810000035
Rand为服从正态分布的随机变量；
任意一个散射元在卫星运行时刻t下的回波信号散射强度向量记为
Figure FDA0000392207810000036
将
Figure FDA0000392207810000037
内回波起始点位置对应采样点赋值记为
Figure FDA0000392207810000039
若散射元的总数记为D，任意一个散射元的回波信号散射强度向量记为
Figure FDA00003922078100000310
散射元的回波信号散射强度向量是一个一维的N'距离×L的矩阵；
则任意一个计算节点的进程PM的所有散射元的回波信号散射强度矩阵记为
Figure FDA00003922078100000312
Figure FDA00003922078100000313
（三）回波散射强度信号与线性调频信号卷积得到子孔径回波数据
设置脉冲宽度为τp，信号带宽为Bw，采样率为fs；
步骤301：对M计算节点的进程PM回波信号散射强度中第一行进行卷积，得到M计算节点的进程PM的第一行回波数据
Figure FDA00003922078100000318
uM1-1表示SigM1卷积后的第1个方位时刻的沿距离向的第1个采样点的回波数据，uM1-2表示SigM1卷积后的第1个方位时刻的沿距离向的第2个采样点的回波数据，
Figure FDA00003922078100000319
表示SigM1卷积后的第1个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点的回波数据；
步骤302：对M计算节点的进程PM回波信号散射强度
Figure FDA00003922078100000315
中第二行进行卷积，得到M计算节点的进程PM的第二行回波数据
Figure FDA0000392207810000042
uM2-1表示SigM2卷积后的第2个方位时刻的沿距离向的第1个采样点的回波数据，uM2-2表示SigM2卷积后的第2个方位时刻的沿距离向的第2个采样点的回波数据，
Figure FDA0000392207810000043
表示SigM2卷积后的第2个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点的回波数据；
步骤303：对M计算节点的进程PM回波信号散射强度中第NUMM行
Figure FDA0000392207810000044
进行卷积，得到M计算节点的进程PM的第NUMM行回波数据
Figure FDA0000392207810000045
Figure FDA0000392207810000046
表示
Figure FDA0000392207810000047
卷积后的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第1个采样点的回波数据，
Figure FDA0000392207810000048
表示
Figure FDA0000392207810000049
卷积后的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第2个采样点的回波数据，
Figure FDA00003922078100000410
表示
Figure FDA00003922078100000411
卷积后的第NUMM个方位时刻的沿距离向的第N'距离×L个采样点的回波数据；
步骤304：对M计算节点的进程PM的第一行回波数据ES-echoM1经L倍降采样处理，得到降采样后第一行回波数据ES-downM1；所述uuM1-1表示取ES-echoM1中第1个元素uM1-1的值，uuM1-2表示取ES-echoM1中第L+1个元素uM1-L+1的值，表示取ES-echoM1中第(N'距离-1)×L+1个元素uM1-(N'距离-1)×L+1的值；
步骤305：对M计算节点的进程PM的第二行回波数据ES-echoM2经L倍降采样处理，得到降采样后第二行回波数据ES-downM2；所述
Figure FDA00003922078100000414
uuM2-1表示取ES-echoM2中第1个元素uM2-1的值，uuM2-2表示取ES-echoM2中第L+1个元素uM2-L+1的值，
Figure FDA00003922078100000415
表示取ES-echoM2中第(N'距离-1)×L+1个元素uM2-(N'距离-1)×L+1的值；
步骤306：对M计算节点的进程PM的第NUMM行回波数据
Figure FDA00003922078100000416
经L倍降采样处理，得到降采样后第NUMM行回波数据
Figure FDA00003922078100000417
所述
Figure FDA00003922078100000418
Figure FDA00003922078100000419
表示取
Figure FDA00003922078100000420
中第1个元素
Figure FDA00003922078100000421
的值，表示取
Figure FDA00003922078100000423
中第L+1个元素
Figure FDA00003922078100000424
的值，
Figure FDA00003922078100000425
表示取
Figure FDA00003922078100000426
中第(N'距离-1)×L+1个元素
Figure FDA00003922078100000427
的值；
步骤307：构建M计算节点的进程PM降采样后的子孔径回波矩阵记为
Figure FDA0000392207810000051
其中矩阵的行数为NUMM，列数为N'距离；设中的任意元素的矩阵位置为(row,col)，其中row表示该元素在矩阵中的行号，且1≤row≤NUMM，col表示该元素在矩阵中的列号，且1≤col≤N'距离；
Figure FDA0000392207810000053
(row,col)表示任意行和任意列的元素在矩阵
Figure FDA0000392207810000054
中的数值；
同理可得，A计算节点的进程PA降采样后的子孔径回波矩阵记为
Figure FDA0000392207810000055
其中矩阵的行数为NUMA，列数为N'距离；设
Figure FDA0000392207810000056
中的任意元素的矩阵位置为(row,col)，其中row表示该元素在矩阵中的行号，且1≤row≤NUMA，col表示该元素在矩阵中的列号，且1≤col≤N'距离；
Figure FDA0000392207810000057
(row,col)表示任意行和任意列的元素在矩阵
Figure FDA0000392207810000058
中的数值；
同理可得，B计算节点的进程PB降采样后的子孔径回波矩阵记为
Figure FDA0000392207810000059
其中矩阵的行数为NUMB，列数为N'距离；设
Figure FDA00003922078100000510
中的任意元素的矩阵位置为(row,col)，其中row表示该元素在矩阵中的行号，且1≤row≤NUMB，col表示该元素在矩阵中的列号，且1≤col≤N'距离；(row,col)表示任意行和任意列的元素在矩阵中的数值；
（四）提取子孔径回波数据强度范围
A计算节点中的子孔径回波数据矩阵
Figure FDA00003922078100000513
中最大值记为
Figure FDA00003922078100000514
A计算节点中的子孔径回波数据矩阵
Figure FDA00003922078100000515
中最小值记为
B计算节点中的子孔径回波数据矩阵
Figure FDA00003922078100000517
中最大值记为
Figure FDA00003922078100000518
B计算节点中的子孔径回波数据矩阵中最小值记为
M计算节点中的子孔径回波数据矩阵
Figure FDA00003922078100000521
中最大值记为
Figure FDA00003922078100000522
M计算节点中的子孔径回波数据矩阵中最小值记为
Figure FDA0000392207810000062
选取
Figure FDA0000392207810000063
到
Figure FDA00003922078100000616
中的最大子孔径回波数据强度，并将其作为全孔径回波数据最大强度值记为
Figure FDA0000392207810000064
选取
Figure FDA0000392207810000065
到
Figure FDA00003922078100000617
中的最小子孔径回波数据强度，并将其作为全孔径回波数据最小强度值记为ValEmin。
3.根据权利要求1所述的基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，其特征在于：每个量化节点采用量化条件进行的量化处理为：
任意一个量化节点依据量化条件进行量化处理，得到任意一个量化节点的量化后回波数据M-Lh；
所述
Figure FDA0000392207810000067
中的字母物理意义为：
αM1-1表示中第1个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αM1-2
Figure FDA0000392207810000069
中第1个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure FDA00003922078100000618
表示
Figure FDA00003922078100000610
中第1个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
αM2-1表示
Figure FDA00003922078100000611
中第2个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
αM2-2表示
Figure FDA00003922078100000612
中第2个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure FDA00003922078100000619
表示
Figure FDA00003922078100000613
中第2个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据；
Figure FDA00003922078100000620
表示
Figure FDA00003922078100000614
中第NUMM个方位向时刻沿距离向第1个采样点量化后的回波数据；
Figure FDA00003922078100000621
表示
Figure FDA00003922078100000615
中第NUMM个方位向时刻沿距离向第2个采样点量化后的回波数据；
Figure FDA0000392207810000074
表示中第NUMM个方位向时刻沿距离向第N'距离个采样点量化后的回波数据。
4.根据权利要求1所述的基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，其特征在于：对量化节点输出的量化后回波数据的拼接为：
数据处理节点按照方位向子孔径分配顺序将第A，B，...，M个计算进程对应的量化子孔径回波数据按顺序排列，沿方位向子孔径拼接并赋值给全孔径回波数据矩阵ECHO全孔径量化，该矩阵大小为N方位×N'距离，且有
Figure FDA0000392207810000072
把每个量化后的回波数据记录入ECHO全孔径量化中，则ECHO全孔径量化矩阵为：
Figure FDA0000392207810000073
去掉全孔径回波数据矩阵ECHO全孔径量化距离向后面大小为N方位×(N'距离-N距离)的矩阵，得到大小为N方位×N距离的回波数据ECHO最终回波，即：
Figure FDA0000392207810000081
所述回波数据ECHO最终回波为最终的星载SAR回波数据。
5.根据权利要求1所述的基于MPI并行计算的星载SAR回波数据模拟方法，其特征在于：多个计算节点与多个量化节点采用并行方式进行处理。
CN201310462986.XA 2013-10-08 2013-10-08 一种基于mpi并行计算的星载sar回波数据模拟方法 Active CN103558592B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310462986.XA CN103558592B (zh) 2013-10-08 2013-10-08 一种基于mpi并行计算的星载sar回波数据模拟方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310462986.XA CN103558592B (zh) 2013-10-08 2013-10-08 一种基于mpi并行计算的星载sar回波数据模拟方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103558592A true CN103558592A (zh) 2014-02-05
CN103558592B CN103558592B (zh) 2015-12-02

Family

ID=50012894

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310462986.XA Active CN103558592B (zh) 2013-10-08 2013-10-08 一种基于mpi并行计算的星载sar回波数据模拟方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103558592B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109188378A (zh) * 2018-08-30 2019-01-11 合肥工业大学 一种超声多普勒回波信号仿真方法
CN109669772A (zh) * 2018-12-28 2019-04-23 第四范式（北京）技术有限公司 计算图的并行执行方法和设备
CN113655986A (zh) * 2021-08-27 2021-11-16 中国人民解放军国防科技大学 一种基于numa亲和性的fft卷积算法并行实现方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050164147A1 (en) * 2004-01-02 2005-07-28 Legan Lance A. Animated radar signal display with fade
CN101281249A (zh) * 2008-05-20 2008-10-08 北京航空航天大学 一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法
CN101846740A (zh) * 2010-05-17 2010-09-29 北京航空航天大学 一种星载sar指定纬度区域回波仿真方法
CN103176170A (zh) * 2013-02-06 2013-06-26 中国科学院电子学研究所 一种基于gpu并行计算的sar回波模拟方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050164147A1 (en) * 2004-01-02 2005-07-28 Legan Lance A. Animated radar signal display with fade
CN101281249A (zh) * 2008-05-20 2008-10-08 北京航空航天大学 一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法
CN101846740A (zh) * 2010-05-17 2010-09-29 北京航空航天大学 一种星载sar指定纬度区域回波仿真方法
CN103176170A (zh) * 2013-02-06 2013-06-26 中国科学院电子学研究所 一种基于gpu并行计算的sar回波模拟方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张超等: "基于机群计算的星载SAR回波并行仿真研究", 《计算机工程与应用》, no. 25, 1 September 2007 (2007-09-01) *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109188378A (zh) * 2018-08-30 2019-01-11 合肥工业大学 一种超声多普勒回波信号仿真方法
CN109669772A (zh) * 2018-12-28 2019-04-23 第四范式（北京）技术有限公司 计算图的并行执行方法和设备
CN113655986A (zh) * 2021-08-27 2021-11-16 中国人民解放军国防科技大学 一种基于numa亲和性的fft卷积算法并行实现方法及系统
CN113655986B (zh) * 2021-08-27 2023-06-30 中国人民解放军国防科技大学 一种基于numa亲和性的fft卷积算法并行实现方法及系统
CN113655986B9 (zh) * 2021-08-27 2023-10-10 中国人民解放军国防科技大学 一种基于numa亲和性的fft卷积算法并行实现方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN103558592B (zh) 2015-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105677942B (zh) 一种重复轨道星载自然场景sar复图像数据快速仿真方法
CN104614713B (zh) 一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器
CN102854507B (zh) 一种基于gpu后向投影双站合成孔径雷达成像方法
CN105785361B (zh) 一种阵元失效条件下的mimo雷达成像方法
CN102565799B (zh) 一种多平台多模式sar回波的统一仿真实现方法
CN111443339A (zh) 一种双基sar空变校正成像方法、装置、设备及存储介质
CN103983972B (zh) 一种快速压缩传感三维sar稀疏成像方法
CN106405548A (zh) 基于多任务贝叶斯压缩感知的逆合成孔径雷达成像方法
CN102901964B (zh) 二维多孔径ScanSAR成像方法
CN107765226A (zh) 一种sar卫星雷达回波模拟方法、系统和介质
CN112070894A (zh) 真实环境导航多径实时仿真方法、装置、介质及电子设备
CN104459693A (zh) 基于gpu的弹载sar前斜视成像方法
CN107885917A (zh) 基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备
CN104237859A (zh) 利用gpu实现外辐射源雷达多通道时域杂波抑制的方法
CN103558592B (zh) 一种基于mpi并行计算的星载sar回波数据模拟方法
CN105093225A (zh) 基于双重稀疏约束的逆合成孔径雷达自聚焦成像方法
CN111694012A (zh) 一种基于机载激光雷达的三维地形在线生成方法及系统
CN102879768A (zh) 一种基于稳态rcs的星载sar高保真回波仿真方法
CN102928839B (zh) 多通道波束指向sar的全孔径成像方法
CN115184916A (zh) 一种海面风速联合反演方法、装置、介质及计算设备
CN103728617A (zh) 双基地合成孔径雷达时域快速成像方法
CN105607083A (zh) 兼容多种阵列天线的抗干扰处理方法和空域滤波器
CN105095586A (zh) 一种基于stk的多联合实时视景仿真方法
CN104483670B (zh) 基于gpu的合成孔径雷达回波仿真方法
CN103217686B (zh) 一种sar图像仿真过程中方位向聚焦位置的计算方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210315

Address after: 100802 room 60A, unit 1, block C, Yingdu building, No.48, Zhichun Road, Haidian District, Beijing

Patentee after: BEIJING CEWEI TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 100191 No. 37, Haidian District, Beijing, Xueyuan Road

Patentee before: BEIHANG University

TR01 Transfer of patent right