楊 杰 馬夢博 鐘何平

（1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室 天津 300042）（2.海軍工程大學(xué)海軍水聲技術(shù)研究所 武漢 430033）

1 引言

合成孔徑聲納（Synthetic Aperture Sonar，SAS）是一種高分辨率成像聲納，其具有距離向分辨率高和方位向分辨率與距離無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)的側(cè)掃聲納和多波束測深儀相比，分辨率高1～2個(gè)數(shù)量級，可以廣泛用于海底測量、水下考古、海底石油勘探和搜尋水下失落物體等，也能提高水雷的識別能力［1～5］。在合成孔徑聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，原始回波仿真是一個(gè)比不可少的環(huán)節(jié)［6～7］，可通過仿真來預(yù)測設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，避免造成錯(cuò)誤設(shè)計(jì)所帶來的損失。常用的回波仿真方法主要有時(shí)域法［8～9］和頻域法［10～12］兩種。時(shí)域法主要是完全按照回波模型進(jìn)行仿真，沒有進(jìn)行任何近似，是最精確的仿真方法，其缺點(diǎn)是運(yùn)算量極大，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。頻域仿真方法與時(shí)域仿真方法相比，效率較高，但是降低了所生成的仿真回波精度。

隨機(jī)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多核計(jì)算已在多種應(yīng)用領(lǐng)域取得顯著加速性能，它為快速原始合成孔徑聲納回波生成提供了一種有效手段。本文在共享內(nèi)存環(huán)境下，采用Matlab并行編程方式實(shí)現(xiàn)了一種快速合成孔徑聲納回波仿真方法。首先給出了合成孔徑聲納回波仿真模型，然后在共享內(nèi)存環(huán)境下設(shè)計(jì)了并行仿真方法，并通過試驗(yàn)對并行回波仿真方法的正確性和效率進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：并行算法與串行算法相比，加速比高達(dá)3.74，并且其加速性能還會(huì)隨著計(jì)算平臺性能提升而提升。

2 合成孔徑聲納回波仿真模型

圖1 合成孔徑聲納回波模型

圖1 直角坐標(biāo)系中，合成孔徑聲納平臺沿著方位向運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)位于坐標(biāo)(r，0)處，發(fā)射陣和N個(gè)接收子陣沿方位向排列，發(fā)射陣位于尾端，其位置為(0，vt)。為簡化處理，我們僅考慮一個(gè)接收子陣（取第i個(gè)接收子陣）的情況，此接收子陣與發(fā)射陣方位向相位中心間隔為Δhi，第i個(gè)接收子陣接收到的回波信號可表示為

其中Ri(t，r)=R1+R3為信號實(shí)際傳播路徑，其中去回程為s(τ)=rect(τT)為發(fā)射信號包絡(luò)，c為聲速，f0為信號中心頻率，k為信號調(diào)頻斜率。

對于多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行仿真時(shí)，需要在每個(gè)發(fā)射陣位置依次判斷每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)是否在波束照射范圍內(nèi)。對于位于波束范圍內(nèi)的點(diǎn)目標(biāo)，計(jì)算其與每個(gè)接收陣之間的時(shí)延，將發(fā)射信號進(jìn)行對應(yīng)時(shí)延后疊加到對應(yīng)子陣回波上。

3 共享內(nèi)存環(huán)境下的Matlab并行仿真方法

Matlab的并行計(jì)算實(shí)質(zhì)還是主從結(jié)構(gòu)的分布式計(jì)算。初始化Matlab并行計(jì)算環(huán)境時(shí)，起始的Matlab進(jìn)程自動(dòng)成為主節(jié)點(diǎn)，同時(shí)初始化多個(gè)Matlab計(jì)算子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)通過參數(shù)指定。Matlab的并行計(jì)算架構(gòu)主要依賴于并行計(jì)算工具箱（Parallel Computing Toolbox），為完成并行計(jì)算，Matlab提供了一系列的并行結(jié)構(gòu)，其中最常用的為parfor循環(huán)結(jié)構(gòu)，可方便用戶進(jìn)行并行程序設(shè)計(jì)。為簡化用戶操作，Matlab隱藏了并行任務(wù)創(chuàng)建和管理的具體細(xì)節(jié)，降低了用戶開發(fā)的難度，同時(shí)存在限制用戶靈活性的問題。

采用Matlab進(jìn)行并行計(jì)算前，首先要調(diào)用parpool函數(shù)配置和開啟并行計(jì)算池。Matlab并行執(zhí)行parfor循環(huán)時(shí)，采用client和worker模式，其中client指啟動(dòng)并行代碼的Matlab段，worker指并行運(yùn)行代碼的Matlab段。Matlab在處理parfor代碼段時(shí)，它將任務(wù)分配給多個(gè)workers上并行執(zhí)行。假設(shè)worker的數(shù)量為m，循環(huán)的次數(shù)為n。如果兩者之比為整數(shù)，則剛好實(shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù)的均衡分配；否則，部分worker的計(jì)算任務(wù)會(huì)比較大，只能采用非均衡的計(jì)算任務(wù)分配方法。

圖2 并行回波仿真流程

基于Matlab的合成孔徑聲納原始回波仿真流程如圖2所示，具體步驟如下：

1）啟動(dòng)Matlab，載入原始回波參數(shù)。

2）根據(jù)仿真回波參數(shù)開辟原始回波存儲(chǔ)空間。

3）調(diào)用matlabpool命令，啟動(dòng)Matlab并行環(huán)境，并指定計(jì)算核數(shù)。

4）根據(jù)計(jì)算核數(shù)和仿真的原始回波在空間上的長度進(jìn)行原始回波分塊，每一計(jì)算核負(fù)責(zé)不同分塊上的回波計(jì)算，該部分主要依靠parfor來實(shí)現(xiàn)。

5）將分塊計(jì)算的回波在進(jìn)行拼接獲取完整的原始回波。

6）調(diào)用matlabpool close命令，釋放Matlab并行環(huán)境，并結(jié)束程序運(yùn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證并行合成孔徑聲納回波仿真方法性能，在如下計(jì)算環(huán)境進(jìn)行了回波仿真試驗(yàn)：處理器Intel（R）Xeon（R）CPU 3.3G（4核）；內(nèi)存8G；操作系統(tǒng)Windows 7專業(yè)版；軟件環(huán)境Matlab2015。

仿真試驗(yàn)中采用了3個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，它們的相對位置如圖3所示，中心點(diǎn)位于（70m，0m），左邊點(diǎn)目標(biāo)位于（60m，0m），右邊點(diǎn)目標(biāo)位于（80m，0m）。仿真試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，中心頻率為150kHz，帶寬15kHz，脈寬10ms，陣長0.04m，載體速度1m/s，聲速1500 m/s，接收子陣10個(gè)，脈沖間隔為0.2s。串行回波仿真所得原始回波如圖4（a）所示，回波在方位向的長度隨距離而增加，并行回波仿真幅度如圖4（b）所示，可看出兩者結(jié)果一致。在驗(yàn)證并行回波仿真算法效率前，我們先采用距離多普勒成像算法對仿真回波進(jìn)行了成像試驗(yàn)，圖5（a）為成像結(jié)果的幅度圖，其位置與仿真目標(biāo)位置完全一致。點(diǎn)目標(biāo)對應(yīng)的距離和方位向剖面如圖5（b）所示，其旁瓣和分辨率都滿足成像要求，驗(yàn)證了并行合成孔徑聲納回波仿真算法的正確性。

圖3 仿真目標(biāo)點(diǎn)相對位置

表1 原始回波仿真參數(shù)

圖4 原始回波幅度圖

圖5 點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果

不同計(jì)算核數(shù)下回波信號仿真效率比較如表2所示。從表中可以看出，單核進(jìn)行原始回波計(jì)算時(shí)，所需時(shí)間最長，為14.6s，在加速比計(jì)算過程中，以單核計(jì)算時(shí)間為參考，將其加速比設(shè)置為1。隨著計(jì)算核數(shù)增加，加速比顯著增加，計(jì)算核數(shù)分別為 2、3、4和 5時(shí)，加速比分別為 1.92、2.81、3.74、3.65。由于計(jì)算平臺總核數(shù)為4，因此當(dāng)設(shè)置計(jì)算核數(shù)為5時(shí)，對效率提升沒有效果，反而效率略有下降。一般情況下，為達(dá)到最高加速比，應(yīng)該將計(jì)算核數(shù)設(shè)置為計(jì)算平臺的核數(shù)。從回波仿真計(jì)算時(shí)間結(jié)果來看，采用并行計(jì)算方式后，合成孔徑聲納回波仿真效率得到顯著提升。

表2 回波仿真算法成像效率比較（s）

5 結(jié)語

本文提出了一種基于Matlab的合成孔徑聲納回波并行仿真方法。首先給出了合成孔徑聲納回波仿真模型，然后在共享內(nèi)存環(huán)境下基于Matlab進(jìn)行了并行回波仿真方法設(shè)計(jì)，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了并行回波仿真方法的正確性和高效性。隨著計(jì)算平臺計(jì)算性能的提升，計(jì)算核數(shù)增加，并行算法的加速性能在無需修改程序的情況下可得到進(jìn)一步提升。