CN112214467B - 一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统及存储方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统及存储方法，该系统包括若干雷达杂波数据采集节点、两个以上的数据管理节点、若干高速存储设备、两个以上的万兆以太网交换机和两个以上的FC交换机，其中各雷达杂波数据采集节点分别与雷达、万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，两个数据管理节点分别与万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，各高速存储设备分别与FC交换机连接通信。本发明所公开的存储系统，由雷达杂波数据采集节点、数据管理节点、高速存储设备、数据管理专用文件系统等组成，实现属性数据与杂波数据的分别独立传输，确保满足高速采集杂波数据的传输特性，具有很好的可靠性、负载均衡性、共享存储性和横向可扩展性。

Description

一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统及存储方法
技术领域
本发明属于杂波数据实时采集存储管理领域，特别涉及该领域中的一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统及存储方法。
背景技术
雷达采集的杂波数据主要用于研究背景(包括陆地、海面)的电磁散射特性，并将研究的结果应用于目标检测，有利于提高目标检测的准确率。传统的雷达采集杂波数据后端存储主要是采用磁带机、硬盘等等，仅仅能满足单波段、低采样率、低带宽(kHz量级)等雷达数据的实时采集存储需求。目前雷达的带宽已经发展到几兆赫兹甚至上百兆赫兹，雷达的通道数由单通道发展到多通道，雷达接收机采集的数据量由MB/s增加到了GB/s量级，因此传统的雷达实时采集杂波数据存储方法已经无法满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统及存储方法。
本发明采用如下技术方案：
一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统，其改进之处在于：包括若干雷达杂波数据采集节点、两个以上的数据管理节点、若干高速存储设备、两个以上的万兆以太网交换机和两个以上的FC交换机，其中各雷达杂波数据采集节点分别与雷达、万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，两个数据管理节点分别与万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，各高速存储设备分别与FC交换机连接通信。
进一步的，雷达杂波数据采集节点包括通用服务器、多通道数据高速采集卡、两个以上的万兆以太网卡和两个以上的FC网卡，其中多通道数据高速采集卡与雷达接收机连接通信，万兆以太网卡与万兆以太网交换机连接通信，FC网卡与FC交换机连接通信。
进一步的，数据管理节点为通用服务器，在通用服务器内安装有双路CPU、万兆以太网卡和FC网卡，其中万兆以太网卡与万兆以太网交换机连接通信，FC网卡与FC交换机连接通信。
进一步的，高速存储设备采用基于SAN或NAS的分布式存储设备，其控制器引擎数量为2个以上，控制器缓存为32GB以上。
一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储方法，使用上述的系统，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)构建系统管理的文件系统：在各数据管理节点安装文件系统的服务器端版本，在各雷达杂波数据采集节点安装文件系统的客户端版本；
(2)构建存储杂波数据的文件格式：每个数据文件由多帧数据组成，帧与帧之间按照时间顺序先后写入文件；
(3)雷达接收机接收的杂波数据经过光纤传输至雷达杂波数据采集节点，经文件系统的调配管理，杂波数据经FC交换机传输至各高速存储设备进行实时存储，属性数据经万兆以太网交换机传输至数据管理节点，由数据管理节点对各高速存储设备进行实时管理。
进一步的，步骤(1)中的文件系统采用StoreNext文件系统。
进一步的，步骤(2)中的文件命名规则为：波段_时间_带宽_采样率_脉宽_重频_频点_是否捷变频_是否扫描_是否仿机载.dat，其中，波段指P、L、S、X、Ku；时间精确到秒，长度为14位；带宽长度为3位；采样率长度为3位；脉宽长度为3位；重频长度为5位；频点长度为5位；是否捷变频：00表示固定频点，01表示捷变频；是否扫描：扫描分为机扫、相扫、混合扫描，00表示固定，01表示机扫、02表示相扫、03表示混合扫描；是否仿机载：00表示没有仿机载，01表示仿机载。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的存储系统，由雷达杂波数据采集节点、数据管理节点、高速存储设备、数据管理专用文件系统等组成，采用由万兆光纤以太网络和FC万兆光纤网络组成的双网架构设计，实现属性数据与杂波数据的分别独立传输，确保满足高速采集杂波数据的传输特性，具有很好的可靠性、负载均衡性、共享存储性和横向可扩展性，在解决了多波段集群观测雷达高速采集杂波数据的实时、集中存储难题的同时还解决了雷达实时采集数据、历史归档数据的存储问题。尤其适用于多波段地面观测雷达、多波段岸基观测雷达等。
本发明所公开的存储方法，基于高性能存储设备、专用的文件系统以及适用于数据高速存储的文件格式，有效解决了多波段雷达高速采集数据实时存储和管理的难题，为后期杂波特性研究提供了数据支撑。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开存储系统的组成框图；
图2是本发明实施例1所公开存储系统的组网示意图；
图3是本发明实施例1所公开存储方法中步骤(2)的文件格式示意图；
图4是本发明实施例1所公开存储方法中步骤(3)的数据流向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统，包括若干雷达杂波数据采集节点、两个以上的数据管理节点、若干高速存储设备、两个以上的万兆以太网交换机和两个以上的FC交换机，其中各雷达杂波数据采集节点分别与雷达、万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，两个数据管理节点分别与万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，各高速存储设备分别与FC交换机连接通信。
在本实施例中，雷达杂波数据采集节点包括通用服务器、多通道数据高速采集卡(采集速度可达GB/s)、两个以上的万兆以太网卡和两个以上的FC网卡，其中多通道数据高速采集卡与雷达接收机连接通信，万兆以太网卡与万兆以太网交换机连接通信，FC网卡与FC交换机连接通信。
数据管理节点为通用服务器，在通用服务器内安装有双路CPU、万兆以太网卡和FC网卡(万兆以太网卡和FC网卡采用冗余设计)，其中万兆以太网卡与万兆以太网交换机连接通信，FC网卡与FC交换机连接通信。实现对存储的杂波数据相关信息的管理(包括文件存储的位置、文件的大小等等)。两个数据管理节点之间采用主备设计，正常运行情况下，两个数据管理节点服务器的信息与内容是一致，当其中主服务器出现故障时，另外一台自动提升为主服务，确保整个系统的正常运行。
高速存储设备用于存储实时采集的雷达杂波数据，具有极高的访问带宽、可扩展性、高可靠性等等。因此，采用基于SAN(Storage Area Network，例如EMC的VMAX10高端存储)或NAS(例如HP X9000存储)的分布式存储设备，位于数据管理节点的后端，采用FC协议连接成高速网络，实现数据管理节点与存储设备之间多对多的本地高速连接。高速存储设备性能描述如下：①控制器引擎：采用冗余双分类处理器架构，控制流和数据可并行工作，设计的控制器引擎数量≥2个，每一个引擎架构相同且处理能力均衡。②高速缓存：控制器缓存设计≥32GB，所有缓存用于高速数据块I/O数据交换及控制，高速缓存采用镜像保护，断电后缓存数据可写入磁盘。③RAID技术：存储设备中的磁盘可配置为RAID0/1/5/6，且可共存，支持多对多高速RAID重建、无中断在线数据迁移。④磁盘故障恢复：采用高速多对多磁盘故障恢复设计，提高恢复速度的同时，保证存储设备的性能。⑤通道切换功能：配置通道管理功能，可在服务器与磁盘间实现路径的负载均衡和故障切换，支持基于数据块级的负载均衡功能。
高速存储设备的台数可以依据用户数据采集节点或采集速度，进行横向扩充，采集速度越高、部署的存储设备越多，部署的存储设备越多，总的数据传输带宽越宽，以便满足高速数据存储的需求。
如图2所示，万兆光纤以太网络连接数据管理节点与雷达杂波数据采集节点，实现对数据的管理；FC(Fiber Channel)万兆光纤网络连接雷达杂波数据采集节点、数据管理节点和高速存储设备，实现对雷达采集杂波数据的管理。
本实施例还公开了一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储方法，使用上述的系统，包括如下步骤：
(1)构建系统管理的文件系统：
文件系统是命名文件和存储文件的逻辑存储和恢复系统，如Dos、Windows、Linux等等操作系统。而本实施例中所阐述的文件系统，是安装于Linux或Windows操作系统的一个文件系统，具有高性能工作流和智能归档，简化数据共享，加快工作流程，创建一个高速共享存储池，从而实现多波段雷达实时数据的并行存储，对存入文件进行保护和检索。
文件系统可打破性能瓶颈和降低消耗，是提升多波段雷达采集数据高速存储系统整体性能的关键，并能在最大限度上简化存储系统管理软件。文件系统由客户端版本和服务器端版本组成，在数据管理节点安装服务器端版本，在雷达杂波数据采集节点安装客户端版本。本实施例中采用的文件系统为StoreNext文件系统，也可以采用其他免费的文件系统。
(1.1)服务器端的配置：
为了通过文件系统实现对高速磁盘的共享访问，需要完成对存储设备的Cache、磁盘卷的配置。其中，磁盘卷包括用于元数据、日志数据存储的磁盘卷和用于数据存储的磁盘卷。以多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统中名为RC.cfg的共享系统的部分内容为例(RC为RadarClutter的缩写)进行说明。文件系统的元数据和日志数据存储在同一个元数据条带组，共有5个用于杂波数据存储的磁盘卷组，每个条带卷组中包含三个磁盘卷，如下表所示：
Figure BDA0002722847160000041
Figure BDA0002722847160000051
说明：①磁盘卷的IO性能应满足杂波数据存储带宽的需求，如带宽不能满足，可通过增加条带组中磁盘卷的条数；②磁盘卷的卷标和文件系统名称及磁盘卷的文件系统卷标相关联，以便后期维护。如RC_XP_DATA073，说明如下：RC是指文件系统名称；XP是指存储系统类型；DATA是指杂波数据磁盘卷；MTJN是指存储元数据和日志数据的磁盘卷；073是指磁盘卷的LUN号。
(1.2)雷达杂波数据采集节点配置：
雷达杂波数据采集节点安装文件系统的客户端版本，安装完成后需要进行适用于大文件杂波数据(GB)参数的配置，进多次优化调试后，涉及的主要参数以及具体配置如下表所示：
Figure BDA0002722847160000052
Figure BDA0002722847160000061
说明：这些参数需要依据实际的应用场景进行配置，上述配置只适用于多波段雷达采集数据高速存储系统。
(2)构建存储杂波数据的文件格式：
雷达杂波数据采集节点采集的杂波数据以文件的形式存在，对于高速采集数据来说，不同的文件格式存储的效率是不一样的，如以.txt结尾的文本文件，数据存储的效率就比较低，无法满足高速采集数据存储的需求。为此提出了基于二进制的按帧存储的文件格式，每一帧的格式是一致，每个数据文件由多帧数据组成，如图3所示，每一帧由帧属性数据和多通道脉冲数据组成，帧与帧之间按照时间顺序先后写入文件，文件的名称也按一定的规则进行命名。这样的设计，不但有利于提高磁盘空间的利用率，而且按照数据块的方式有利于提高数据写入的速度。
(2.1)文件命名规则：
文件命名规则：波段_时间_带宽_采样率_脉宽_重频_频点_是否捷变频_是否扫描_是否仿机载.dat。说明如下：①波段：指P、L、S、X、Ku；②时间精确到秒，长度为14位；③带宽(MHz)，长度为3位，如2M带宽的表示方式为002；④采样率(MHz/10)，长度3位，如2.5M表示方式为025；⑤脉宽(us)，长度3为，如20us表示方式为020；⑥重频(KHz)，长度为5位，如10KHz的表示方式为10000；⑦频点(MHz)：长度为5，如频点为456的表示方式为00456；⑧是否捷变频：00表示固定频点，01表示捷变频，当在捷变频的方式进行工作时，频点对应的时首次使用的频点，在固定频点工作时，指设定的频点；⑨是否扫描：扫描分为机扫、相扫、混合扫描(机扫与相扫结合)。00表示固定，01表示机扫、02表示相扫、03表示混合扫描；⑩是否仿机载：00表示没有仿机载，01表示仿机载；例子如下：P20140810120534_002_025_020_10000_00456_01_02_00.dat。定义了有效的文件命名规则后，有利于数据的管理。
(2.2)文件格式：
杂波数据按帧存储在文件中，判定数据帧是否准确，只需要判定帧头和帧尾的标志位是否正确即可。每一帧数据的格式如下：
Figure BDA0002722847160000071
Figure BDA0002722847160000081
(3)如图4所示，雷达接收机接收的杂波数据经过光纤传输至雷达杂波数据采集节点，经文件系统的调配管理，杂波数据经FC交换机传输至各高速存储设备进行实时存储，属性数据经万兆以太网交换机传输至数据管理节点， 由数据管理节点对各高速存储设备进行实时管理。
下面以正常运行的多波段海杂波测量数据高速存储系统为例进行说明：
设计指标要求：系统容量：≥400TB；系统最大写入速度：3.75GB/s；5个节点实际最大写入速度：2.6GB/s。
设备配置：
Figure BDA0002722847160000082
Figure BDA0002722847160000091
依据上表中的设备配置信息，完成系统组网设计、参数配置以及数据文件结构设计，并进行实际测试，测试方法分为实际测试和模拟测试两个方面。
①实际测试：测量条件是5个数据采集终端同时高速采集数据运行1小时，测试结果见下表：
Figure BDA0002722847160000092
Figure BDA0002722847160000101
系统正常运行1个小时，共采集数据9.36TB，采集数据正常，证明设计满足要求。
②模拟测试：在5个数据采集终端同时运行Parkable软件，版本为v2.95，采用FileAccess的方式，设定FileSize为1TB、BlockSize为65536、Don't use Buffering，测试结果见下表：
Figure BDA0002722847160000102
单个节点的写入速度为1.2GB/s左右，5个节点合计为6GB/s左右，远大于3.75GB/s的设计指标要求。

Claims (1)

1.一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储方法，使用一种多波段雷达实时采集杂波数据高速存储系统，包括若干雷达杂波数据采集节点、两个以上的数据管理节点、若干高速存储设备、两个以上的万兆以太网交换机和两个以上的FC交换机，其中各雷达杂波数据采集节点分别与雷达、万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，两个数据管理节点分别与万兆以太网交换机和FC交换机连接通信，各高速存储设备分别与FC交换机连接通信；雷达杂波数据采集节点包括通用服务器、多通道数据高速采集卡、两个以上的万兆以太网卡和两个以上的FC网卡，其中多通道数据高速采集卡与雷达接收机连接通信，万兆以太网卡与万兆以太网交换机连接通信，FC网卡与FC交换机连接通信；数据管理节点为通用服务器，在通用服务器内安装有双路CPU、万兆以太网卡和FC网卡，其中万兆以太网卡与万兆以太网交换机连接通信，FC网卡与FC交换机连接通信；高速存储设备采用基于SAN或NAS的分布式存储设备，其控制器引擎数量为2个以上，控制器缓存为32GB以上，其特征在于，包括如下步骤：
（1）构建系统管理的文件系统：在各数据管理节点安装文件系统的服务器端版本，在各雷达杂波数据采集节点安装文件系统的客户端版本；
（2）构建存储杂波数据的文件格式：每个数据文件由多帧数据组成，帧与帧之间按照时间顺序先后写入文件；
（3）雷达接收机接收的杂波数据经过光纤传输至雷达杂波数据采集节点，经文件系统的调配管理，杂波数据经FC交换机传输至各高速存储设备进行实时存储，属性数据经万兆以太网交换机传输至数据管理节点，由数据管理节点对各高速存储设备进行实时管理；
步骤（1）中的文件系统采用StoreNext文件系统；
步骤（2）中的文件命名规则为：波段_时间_带宽_采样率_脉宽_重频_频点_是否捷变频_是否扫描_是否仿机载.dat，其中，波段指P、L、S、X、Ku；时间精确到秒，长度为14位；带宽长度为3位；采样率长度为3位；脉宽长度为3位；重频长度为5位；频点长度为5位；是否捷变频：00表示固定频点，01表示捷变频；是否扫描：扫描分为机扫、相扫、混合扫描，00表示固定，01表示机扫、02表示相扫、03表示混合扫描；是否仿机载：00表示没有仿机载，01表示仿机载。
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