合成孔徑雷達系統(tǒng)用于GP-GPU支持的輕型無人機

有人駕駛和無人駕駛飛機系統(tǒng)設計人員使用合成孔徑雷達（SAR）來繪制地形圖并對其進行成像。SAR還可以作為監(jiān)視設備來跟蹤和識別移動物體。SAR技術在無人機（UAV）中的應用潛力巨大，但獲取高分辨率可操作數(shù)據(jù)所需的超級計算機處理水平的數(shù)量和大小限制了飛機可以有效利用SAR進行地形測繪的高度和速度。因此，來自高速數(shù)據(jù)鏈路的雷達數(shù)據(jù)必須由地面上的大型計算機集群進行后處理，從而導致向作戰(zhàn)人員實時提供圖像和可操作情報的非實時。

輕型SAR在小型無人機中的巨大潛力受到與前幾代硅技術相關的尺寸，重量和功率（SWaP）限制的阻礙?，F(xiàn)在，SAR 可以使用基于高級 COTS 通用圖形處理器單元 （GP-GPU） 處理器（如 NVIDIA 的費米架構設備）的高性能嵌入式計算 （HPEC） 架構進行部署，并具有復雜的加固和熱管理封裝技術。這些新的HPEC架構消除了早期的性能和熱管理障礙，從而能夠在無人機上最佳地使用SAR技術。GP-GPU具有大量內(nèi)核，浮動數(shù)學功能和令人印象深刻的計算性能，將簡化和加速SAR技術與當今小型無人機的集成，并為作戰(zhàn)人員提供實時可操作數(shù)據(jù)。通過調(diào)整系統(tǒng)架構，堅固耐用的COTS GP-GPU可以將傳統(tǒng)SAR系統(tǒng)的處理能力提高4到80倍。

圖1：SAR系統(tǒng)

SAR通過組合系統(tǒng)掃描和捕獲的地形圖像，使飛機的雷達能夠作為一個非常大的陣列發(fā)揮作用。這種技術有效地利用飛機的運動來擴大雷達孔徑。SAR拓撲圖像需要超級計算系統(tǒng)提供的大量處理能力。問題是，到目前為止，在飛機上使用SAR監(jiān)視限制了飛機的速度。對于所需數(shù)據(jù)至關重要且旨在用于實時操作的情況尤其如此。

在飛機上部署超級計算機功能，特別是空間和重量受限的無人機，需要平衡SWaP、系統(tǒng)能力和可操作情報的及時性。啟用或限制 SAR 數(shù)據(jù)的可操作實時使用的關鍵因素是視場、數(shù)據(jù)丟失或分辨率丟失以及對事件的延遲感知。優(yōu)化 SAR 性能以進行實時使用的能力與可用的計算能力成正比。在無人機中，SAR通常部署在SWaP優(yōu)化的HPEC集群上，該集群由與低延遲，高速和高帶寬網(wǎng)絡互連的堅固處理器組成。

圖 2：SAR 框圖

雖然如何將雷達數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的方法超出了本文的范圍，但對SAR算法的一個方面的描述有助于解釋GP-GPU如何提高SAR性能。SAR 算法的關鍵部分由三個主要階段組成：行維中的 FDC（頻域卷積）、轉(zhuǎn)角和列維中的 FDC。

圖3：拐角轉(zhuǎn)彎

執(zhí)行此SAR算法的傳統(tǒng)技術是將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)紿PEC系統(tǒng)。該系統(tǒng)的架構是將 HPEC 系統(tǒng)分段，以便一組處理器負責計算傳感器數(shù)據(jù)的一行或多行的 FDC。然后，行 FDC 數(shù)據(jù)的計算結果使用轉(zhuǎn)角（數(shù)據(jù)集的行變?yōu)榱惺剑┌l(fā)送到下一組處理器，然后由該處理器處理列的 FDC。

圖 4：傳統(tǒng)的高壓滅菌器 SAR

在某些情況下，F(xiàn)DC將主要由快速傅里葉變換（FFT）組成。FFT是將數(shù)據(jù)從內(nèi)存移動到處理器，執(zhí)行計算，然后將結果發(fā)送到內(nèi)存以用于另一個后續(xù)計算的功能。這意味著，從本質(zhì)上講，SAR 算法的性能直接取決于數(shù)據(jù)移動的優(yōu)化。

在 SAR 系統(tǒng)中，算法通常分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。使用內(nèi)部循環(huán)，數(shù)據(jù)在處理器內(nèi)存（高速緩存或 DRAM 存儲器）中處理。使用外部循環(huán)，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)狡渌幚砥鳌Ｍㄟ^將大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送到最快的可用內(nèi)存，算法的延遲最小化。因此，保持數(shù)據(jù)持久或更接近處理器可獲得最佳性能（或降低延遲），因為與 DRAM 或結構網(wǎng)絡相比，緩存中的數(shù)據(jù)移動速度更快。提高 SAR 算法性能的明顯策略是將盡可能多的行 FDC 數(shù)據(jù)和列 FDC 數(shù)據(jù)集分散到多個處理器上。

最大限度地減少在一個處理器上處理的數(shù)據(jù)量可以改善系統(tǒng)的延遲，但缺點是這會增加外部環(huán)路或連接處理器的網(wǎng)絡結構的壓力。SWaP 約束限制了可部署 SAR 系統(tǒng)的大小和重量，導致處理器數(shù)量和結構功能之間的折衷。不幸的是，提高整體系統(tǒng)性能并不像提高處理器性能那么簡單。這是因為對于這些類型的 I/O（輸入和輸出）綁定應用程序，網(wǎng)絡結構的性能可能成為瓶頸，從而成為關鍵的性能限制因素。我們需要的是HPEC系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以最佳方式將更高的速度與更高帶寬的結構網(wǎng)絡（能夠跟上更高速度的處理器的功能）和更高帶寬的結構網(wǎng)絡進行最佳組合。

搜救和空氣速度

同樣，輕量級SAR性能的一個關鍵障礙是系統(tǒng)性能與飛機速度之間的直接關系。SAR使用飛機的運動來幫助“成像”地形。它可以檢測來自光束的反射，然后將這些反射“添加”在一起以形成復合圖像。SAR系統(tǒng)DSP的速度決定了飛機在所需地形上的飛行速度。如果DSP太慢，飛機必須降低速度，以便可以正確成像物體。超過DSP能力的空氣速度將導致圖像數(shù)據(jù)丟失，這可能是關鍵的。

GP-GPU 是目前速度最高的處理器之一。它們具有數(shù)百個連接到高速DRAM的內(nèi)核。使用GP-GPU創(chuàng)建傳統(tǒng)的SAR系統(tǒng)似乎只是選擇正確的網(wǎng)絡結構以用于在多個GP-GPU集群上有效流式傳輸數(shù)據(jù)的練習。然而，即使是最快的嵌入式網(wǎng)絡，如10千兆以太網(wǎng)和20千兆位/秒的RapidIO，也無法跟上GP-GPU提供的性能優(yōu)勢。

因此，顯著提高 SAR DSP 速度的一種方法是對其進行設計，以便將完整的 SAR 傳感器數(shù)據(jù)幀放入 GP-GPU 內(nèi)存中。這樣就可以用單個 GP-GPU 替換 HPEC 系統(tǒng)中計算 FDC 的部分。實際上，GP-GPU 在芯片上充當了 HPEC 系統(tǒng)。通過擴展，現(xiàn)在這使得GP-GPU FDC計算的性能決定了可能的有效飛行器速度。例如，每秒傳輸 20 兆字節(jié)傳感器數(shù)據(jù)的 SAR 雷達需要 100 秒來填充 GP-GPU 內(nèi)存。一些基于英偉達費米架構的新型GP-GPU可以實現(xiàn)4320億次浮點運算（或4320億次浮點運算 - GFLOPS）的峰值性能。這意味著在100秒內(nèi)，GP-GPU將能夠進行超過40萬億次浮點運算-TFLOP。憑借這種 GP-GPU 性能能力，F(xiàn)DC 和其他計算要求苛刻的算法（如變化檢測、GMTI、交錯 SAR 和 GMTI 以及實時圖像壓縮）可以在小型輕量級 SAR 中使用基于 COTS 的 HPEC 系統(tǒng)來實現(xiàn)。

圖 5： GP-GPU 架構（主板上的高速光纖）

此外，如果SAR數(shù)據(jù)被分發(fā)到一個GP-GPU集群，飛機速度將由集群中的處理速度和/或GP-GPU的數(shù)量決定。例如，如果包含十 （10） 個 GP-GPU 的集群面對每秒 20 MB 的傳感器數(shù)據(jù)，則集群中的單個 GP-GPU 可以提供 300 萬 TFLOPS 的性能。

GP-GPU 在處理數(shù)據(jù)移動時也具有顯著優(yōu)勢，這通常是 SAR 算法性能的最大決定因素。與傳統(tǒng)的 CPU 內(nèi)存控制器相比，使用 GP-GPU 的數(shù)據(jù)移動速度提高了 4 倍，與結構相比，使用 GP-GPU 的數(shù)據(jù)移動速度提高了 80 GB/s，而使用 GP-GPU 的數(shù)據(jù)移動速度提高了 80 倍。由于SAR算法與數(shù)據(jù)移動速度有關，因此基于GP-GPU的SARS處理速度可以比傳統(tǒng)的基于處理器的HPEC系統(tǒng)快4到10倍。處理性能的顯著提高將使飛機能夠飛得更快、更高，提供更多的成像能力，而不會降低傳統(tǒng)基于CPU的HPEC SAR系統(tǒng)提供的圖像分辨率質(zhì)量。

圖 6：縮放的 GP-GPU 系統(tǒng)。

下一步是采用基于 GP-GPU 的 HPEC 系統(tǒng)，并在實際應用中對其進行測試。在具有“人性化”環(huán)境的飛機中，機艙加壓且沖擊和振動最小，并且沒有限制性的MTBF要求，臺式PC型系統(tǒng)可能就足夠了。對于部署在惡劣環(huán)境中的應用，例如無壓、高振動條件，應考慮使用堅固耐用的 COTS GP-GPU 模塊，例如柯蒂斯·賴特控制防御解決方案 （CWCDS） 的 6U OpenVPX （VITA 46/65） VPX6-490 GP-GPU 板。當與配套的單鏈系統(tǒng)（如 CWCDS VPX6-1956 或 CHAMP-AV8）結合使用時，VPX6-490 可提供一個萬億次浮點運算峰值處理性能。每個 VPX6-490 基于英偉達費米的 GP-GPU 都有 2 千兆字節(jié)的 GDDR3 內(nèi)存，帶寬超過 80 GB/s。該板套件具有各種冷卻架構，包括風冷和擴展溫度風冷，但也提供更極端的加固型封裝，如傳導冷卻或氣流通孔（AFT）。

通過將 4 （四） 組 VPX6-490/VPX6-1956 或 CHAMP AV8 卡（八個 1“ 間距 VPX 板）集成到一個重量小于 40 磅的緊湊型 10”x12“x14” 傳導冷卻機箱中，可以構建完整的超級計算機級 HPEC 系統(tǒng)。該示例堅固耐用的 GP-GPU HPEC 系統(tǒng)可為需要 SAR 的最具挑戰(zhàn)性的平臺提供 4 萬億次 SWaP 優(yōu)化處理能力。VPX6-490 運行英偉達的庫不變。經(jīng)過開源社區(qū)的多年優(yōu)化，CUDA 庫使 SAR 算法要求更易于實現(xiàn)。因此，用于無人機SAR系統(tǒng)算法處理的多核GP-GPU將比以往任何時候都更高，更快。

審核編輯：郭婷