CN113484841A - 一种搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，属于雷达数据处理技术领域领域，该方法包括：航迹头索引化压缩处理；动态分配并行航迹起始工作任务数；均衡分配每工作任务处理的航迹头数量。采用本发明可动态分配并行航迹起始的工作任务数，均衡分配每个并行工作任务处理的航迹头，易于工程实现，实时性高，性能较好，硬件资源消耗少，利于提升搜索雷达航迹起始的计算性能。

Description

一种搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法
技术领域
本发明属于雷达数据处理技术领域，具体为一种搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法。
背景技术
雷达作为一种无线电探测与测距设备，军事上早期主要用于探测飞机，通过雷达波束发射信号，当波束扫过目标时产生回波信号，雷达系统接收到目标回波信号，将回波信号绘制到坐标平面显示器上，操作员就可以获取目标的位置信息。通过连续对目标扫描，就能够获取目标的航迹并预测其未来的位置。早期操作员用铅笔将每次扫描的目标位置信息标记在平面坐标上以获取目标航迹，这种方法虽然简单，但是受制于操作员的主观经验影响大、航迹精度差、跟踪目标批次少、同时操作员也容易疲劳，借助计算机可以有效解决依靠雷达操作员的这些问题，自动完成目标航迹跟踪处理的整个过程，这种计算机被称为“数据处理器”，按其基本功能逻辑，数据处理可分为：航迹起始、点迹-航迹相关、航迹预测、航迹滤波、航迹终止。(《雷达数据处理第一卷》， A.费利那，F.A.斯塔德著，匡永胜，张祖稷等译)
董志荣在其研究中指出，航迹起始应指：未进入稳定跟踪(航迹保持)之前的航迹确立过程，这里既包括航迹头的选择，又包括航迹起始航迹段及其形成的过程。(《董志荣，论航迹起始方法，情报指挥控制系统与仿真技术，1999(2)》)。按照数据处理方式，航迹起始算法可分配顺序处理技术和批处理技术两大类：顺序处理技术代表性的算法有直观法、逻辑法等，其基本思想是对每次扫描得到的回波数据逐一处理，根据一定时间窗内的点迹关联结果判断是否建立初始航迹，顺序处理技术具有较低的计算量。批处理技术代表性的算法有Hough变换法及其改进算法，其主要思想是通过将多次扫描得到的回波数据联合处理，利用Hough变换来实现回波信号的非相干积累，从而提高航迹起始性能。批处理技术适用于强杂波背景的情况，但由于计算量较大、实时性较弱。
由于航迹处理理论研究上为了对研究问题进行描述，会对问题进行概率分布、参数设定的假定，如似然概率分布、后验概率分布、虚警概率等，这些理论研究的方法有助于对问题的深入研究，但在工程实践上没有多少实用价值，工程实践中更多采用逻辑法。《董志荣，多目标密集环境下的航迹处理问题及其集合论描述法，火控技术， 1981(2)》
基于逻辑法的航迹起始方法，在工程实践中其步骤可描述为五步：
第一步，用第1次扫描量测作为航迹头，用探测目标最小、最大速度门限来确立初始相关域，对落入初始相关域的第2次扫描量测，均建立可能航迹；
第二步，对第一步建立的每个可能航迹进行直线外推，以外推点为中心建立相关域，工程上一般取3倍航迹外推误差协方差作为相关域大小，对第3次扫描量测落入相关域离外推点最近者给予相关；
第三步，若后续相关域没有量测，有两种处理方式可以选择：一是直接撤消掉此可能航迹，二是用目标加速度限制来扩大相关域，判断第3次扫描量测是否落入扩大的相关域；
第四步，继续上述的步骤，直到形成稳定航迹时，航迹起始方算完成；
第五步，在历次扫描中，均未落人相关域参与航迹相关判别的那些量测(称自由量测)均作为新的航迹头，按第一步的方法处理。
针对上述方法第四步稳定航迹判断，参照航迹起始滑窗法的m/n逻辑，在n次连续扫描中有不少于m次量测互联就可以判定航迹起始成功。在工程上，只取下述两种情况：
(1)2/3比值，作为快速启动；
(2)3/4比值，作为正常航迹起始；
在多目标密集环境下，航迹起始方法固有的组合爆炸带来的计算量，给数据处理设备本身的计算能力和处理的实时性带来了巨大挑战。在现有硬件资源限制条件下，为了应对这种挑战，工程和科研工作从两个方面着手来解决问题：
一是减少组合爆炸带来的计算量。工程实践上采取分批、分区、波门等方法。搜索雷达一般按照方位将雷达扫描的空域划分扇区，如16个、32个、64个等，扇区数取2 的整数倍，这样方位编码值适合计算机编码表示。王亚莉等人在其研究中指出在划分扇区数较多的情况下，高速目标做切向运动时，在1个扫描周期会跨多个扇区，需要跨多个扇区进行相关，这样会增加数据存储和点迹相关的难度，工程上扇区数N的计算公式：
Figure BDA0003179743450000031
N数值取16的整数倍，其中，R为雷达盲区(单位：米)、T雷达扫描周期(单位：秒)、V雷达设计可探测目标最大运动速度(单位：米每秒)。在做扇区相关时，只需考虑当前扇区(扇区号K)、当前扇区前一个扇区(扇区号K-1)、当前扇区后一个扇区(扇区号K+1)三个扇区，减小跨多个扇区关联的难度。袁德诚等人进一步通过改进扇区划分的方法，将点迹扇区与航迹扇区划分不再重叠，而是相差半个扇区进行划分，修改扇区关联规则只需与点迹扇区K和点迹扇区K-1两个扇区点迹关联判断，以降低粗关联组合对的数量，提高关联效率。
二是采取并行处理技术，提高计算性能。并行处理技术首先把求解问题分解为多个可以并行运算的子问题，然后把每个子问题分配到多个处理器上同时求解，从而降低问题总的解决时间。朱海涛等人尝试运用对称多处理器并行处理技术来提高计算速度，在对称多处理器(Symmetric Multi-Processor，SMP)架构下，采用多个相同型号的处理器核，每个处理器核拥有独立的高速缓存，共享内存资源。探讨了多任务并行处理在雷达数据处理上应用的框架，将数据处理按功能划分为点迹预处理、数据互联、航迹起始、跟踪、点迹与航迹维护，在这五个功能内部可划分为多个子任务，每个子任务对应一个执行线程并行处理；在功能之间需要等待前一功能所有子任务都完成，才能进入下一功能，因此在功能之间设置栅障(barrier)实现多任务的同步。通过仿真实验证明并行处理架构性能比传统的串行系统有了明显提升。从仿真结果来看性能没有成线性关系提升，主要时间损耗都在栅障(barrier)处，线程竞争共享资源、线程切换消耗处理器时间等原因，线程同步需等待最慢线程执行完成。
因此，在多任务并行处理框架下，如何保证各子任务处理均衡，使最慢线程等待时间尽可能小是优化系统性能的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，具体步骤为：
步骤1：对航迹头进行索引化压缩处理，且用数组表示航迹头距离索引值；
步骤2：动态分配并行航迹起始工作任务数；
步骤3：均衡分配每个工作任务处理的航迹头。
优选地，对航迹头进行索引化压缩处理的具体步骤为：
步骤1.1：对当前扇区处理的k个航迹头按照距离由近到远进行排序；
步骤1.2：从排序后的航迹头中取出第1个航迹头，在距离上按单位进行量化处理为距离索引值，用数组成员idx[0]记录；
步骤1.3：取下一个航迹头，在距离上按单位进行量化处理为距离索引值，用idxt临时记录，如果idxt≠idx[0]，则用数组成员idx[1]记录距离索引值；否则继续使用 idx[0]；
步骤1.4：重复步骤1.3，直到当前扇区所有k个航迹头处理完毕，共产生d个距离索引值。
优选地，搜索雷达在方位上划分扇区，将当前扇区所有点迹作为航迹头进行自动航迹起始。
优选地，航迹头的点迹数据包括距离、方位、仰角信息。
优选地，动态分配并行航迹起始工作任务数的具体方法为：
步骤2.1：根据处理器性能，设定最大并行航迹起始任务数为N，N为多核处理器核心数的2倍；设定每个子任务最大处理能力为航迹头的M个距离索引；
步骤2.2：计算并行处理任务数T：如果d能被M整除，则T等于
Figure BDA0003179743450000051
否则，T 等于
Figure BDA0003179743450000052
取整后再加1；
步骤2.3：更新并行计算任务数T及处理航迹头索引数量d：如果T≥N，则更新并行最大任务数为T＝N，更新需处理的航迹头索引数量d＝T×M；否则，无需更新。
优选地，均衡分配每个工作任务处理的航迹头的具体方法为：
步骤3.1：分配前T-1个任务处理航迹头，其起止距离索引值为：
SIi＝idx[i×M]
EIi＝idx[(i+1)×M]
其中，i为任务编号，取值从0开始到T-2；SIi是任务i处理的航迹头起始距离索引值；EIi是任务i处理的航迹头终止距离索引值；距离索引值在SIi和EIi之间的航迹头由编号i任务处理，T为任务数，M为距离索引个数；
步骤3.2：分配第T个任务处理的航迹头，其起止距离索引值为：
SIT-1＝idx[(T-1)×M]
EIT-1＝idx[d-1]
其中，SIT-1是任务T-1处理的航迹头起始距离索引值；EIT-1是任务T-1处理的航迹头终止距离索引值；距离索引值在SIT-1和EIT-1之间的航迹头由编号T-1任务处理， d为距离索引值个数。
本发明的有益效果为：本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明在多任务并行下动态分配工作任务数，减少多任务竞争资源；(2)本发明在多任务并行下均衡分配各任务工作量，减少对最慢任务的等待时间；(3)本发明在强杂波环境下满足实时航迹起始要求，性能较好。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为1KM量化航迹头距离索引示意图。
图3为各任务平均分配航迹头示意图。
图4为仿真效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供的一种搜索雷达多任务并行处理航迹头的方法，结合图1的组成框图，具体步骤为：
步骤1：航迹头索引化压缩处理；
工程上，搜索雷达在方位上划分扇区，将当前扇区所有点迹作为航迹头进行自动航迹起始，这些作为航迹头的点迹数据包括距离、方位、仰角等信息。对航迹头索引化压缩处理如图2，航迹头距离索引值用idx数组表示，其步骤如下：
步骤1.1：对当前扇区处理的k个航迹头按照距离由近到远进行排序；
步骤1.2：从排序后的航迹头中取出第1个航迹头，在距离上按1千米为单位进行量化处理为距离索引值，用数组成员idx[0]记录；
步骤1.3：取下一个航迹头，在距离上按1千米为单位进行量化处理为距离索引值，用idxt临时记录。如果idxt≠idx[0]，则用数组成员idx[1]记录距离索引值；否则继续使用idx[0]；
步骤1.4：重复步骤1.3，直到当前扇区所有k个航迹头处理完毕，共产生d个距离索引值，第d个记录为idx[d-1]。
步骤2：动态分配并行航迹起始工作任务数；
在SMP处理器架构下并行编程，由于并行任务之间共享内存资源，存在资源竞争，资源竞争会影响任务执行效率，因此并行模型下并不是任务数多就好；并且，多任务下任务之间切换也是很消耗处理器时间的。工程上一般取处理器核心数的2倍，本发明采取如下处理步骤：
步骤2.1：根据处理器性能，设定最大并行航迹起始任务数为N，N为多核处理器核心数的2倍；设定每个子任务最大处理能力为航迹头的M个距离索引；
步骤2.2：计算并行处理任务数T：如果d能被M整除，则T等于
Figure BDA0003179743450000071
否则，T 等于
Figure BDA0003179743450000072
取整后再加1；
步骤2.3：更新并行计算任务数T及处理航迹头索引数量d：如果T≥N，则更新并行最大任务数为T＝N，更新需处理的航迹头索引数量d＝T×M；否则，无需更新。
步骤3：均衡分配每个工作任务处理的航迹头
在SMP处理器架构下并行编程，给每个处理任务分配任务编号i，i取值从0开始到N-1，将航迹头均衡分配到编号i工作任务，如图3所示，具体步骤为：
步骤3.1：分配前T-1个任务处理航迹头，其起止距离索引值为：
SIi＝idx[i×M]
EIi＝idx[(i+1)×M]
其中，i为任务编号，取值从0开始到T-2；SIi是任务i处理的航迹头起始距离索引值；EIi是任务i处理的航迹头终止距离索引值；距离索引值在SIi和EIi之间的航迹头由编号i任务处理。
步骤3.2：分配第T个任务处理的航迹头，其起止距离索引值为：
SIT-1＝idx[(T-1)×M]
EIT-1＝idx[d-1]
其中，SIT-1是任务T-1处理的航迹头起始距离索引值；EIT-1是任务T-1处理的航迹头终止距离索引值；距离索引值在SIT-1和EIT-1之间的航迹头由编号T-1任务处理。
T个航迹起始任务按照分配的航迹头进行多任务并行航迹起始。至此，完成了基于多核处理器的搜索雷达多任务并行下航迹头的处理。仿真效果如图4，数据仿真82个扫描周期，336957个点迹数据，平均每周期4109个点迹，以11.25度为一个扇区，每周期32个扇区，平均每周期每个扇区处理128个航迹头，单任务处理需320毫秒完成，采用多任务并行处理130毫秒完成，效率提升约2.5倍。
本发明易于工程实现，实时性高，性能较好，硬件资源消耗少，利于提升搜索雷达航迹起始的计算性能。

Claims (6)

1.一种搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1：对航迹头进行索引化压缩处理，且用数组表示航迹头距离索引值；
步骤2：动态分配并行航迹起始工作任务数；
步骤3：均衡分配每个工作任务处理的航迹头。
2.根据权利要求1所述的搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，其特征在于，对航迹头进行索引化压缩处理的具体步骤为：
步骤1.1：对当前扇区处理的k个航迹头按照距离由近到远进行排序；
步骤1.2：从排序后的航迹头中取出第1个航迹头，在距离上按单位进行量化处理为距离索引值，用数组成员idx[0]记录；
步骤1.3：取下一个航迹头，在距离上按单位进行量化处理为距离索引值，用idxt临时记录，如果idxt≠idx[0]，则用数组成员idx[1]记录距离索引值；否则继续使用idx[0]；
步骤1.4：重复步骤1.3，直到当前扇区所有k个航迹头处理完毕，共产生d个距离索引值。
3.根据权利要求1所述的搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，其特征在于，搜索雷达在方位上划分扇区，将当前扇区所有点迹作为航迹头进行自动航迹起始。
4.根据权利要求1所述的搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，其特征在于，航迹头的点迹数据包括距离、方位、仰角信息。
5.根据权利要求1所述的搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，其特征在于，动态分配并行航迹起始工作任务数的具体方法为：
步骤2.1：根据处理器性能，设定最大并行航迹起始任务数为N，N为多核处理器核心数的2倍；设定每个子任务最大处理能力为航迹头的M个距离索引；
步骤2.2：计算并行处理任务数T：如果d能被M整除，则T等于
Figure FDA0003179743440000011
否则，T等于
Figure FDA0003179743440000021
取整后再加1；
步骤2.3：更新并行计算任务数T及处理航迹头索引数量d：如果T≥N，则更新并行最大任务数为T＝N，更新需处理的航迹头索引数量d＝T×M；否则，无需更新。
6.根据权利要求1所述的搜索雷达多任务并行下航迹头处理方法，其特征在于，均衡分配每个工作任务处理的航迹头的具体方法为：
步骤3.1：分配前T-1个任务处理航迹头，其起止距离索引值为：
SIi＝idx[i×M]
EIi＝idx[(i+1)×M]
其中，i为任务编号，取值从0开始到T-2；SIi是任务i处理的航迹头起始距离索引值；EIi是任务i处理的航迹头终止距离索引值；距离索引值在SIi和EIi之间的航迹头由编号i任务处理，T为任务数，M为距离索引个数；
步骤3.2：分配第T个任务处理的航迹头，其起止距离索引值为：
SIT-1＝idx[(T-1)×M]
EIT-1＝idx[d-1]
其中，SIT-1是任务T-1处理的航迹头起始距离索引值；EIT-1是任务T-1处理的航迹头终止距离索引值；距离索引值在SIT-1和EIT-1之间的航迹头由编号T-1任务处理，d为距离索引值个数。
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CN113835083A (zh) * 2021-10-19 2021-12-24 中安锐达(北京)电子科技有限公司 一种基于扇区滑窗的雷达数据处理方法

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