有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用合成孔徑雷達(dá)（SAR）來(lái)繪制地形圖并對(duì)其進(jìn)行成像。SAR還可以作為監(jiān)視設(shè)備來(lái)跟蹤和識(shí)別移動(dòng)物體。SAR技術(shù)在無(wú)人機(jī)（UAV）中的應(yīng)用潛力巨大，但獲取高分辨率可操作數(shù)據(jù)所需的超級(jí)計(jì)算機(jī)處理水平的數(shù)量和大小限制了飛機(jī)可以有效利用SAR進(jìn)行地形測(cè)繪的高度和速度。因此，來(lái)自高速數(shù)據(jù)鏈路的雷達(dá)數(shù)據(jù)必須由地面上的大型計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行后處理，從而導(dǎo)致向作戰(zhàn)人員實(shí)時(shí)提供圖像和可操作情報(bào)的非實(shí)時(shí)。

輕型SAR在小型無(wú)人機(jī)中的巨大潛力受到與前幾代硅技術(shù)相關(guān)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(jí) COTS 通用圖形處理器單元 （GP-GPU） 處理器（如 NVIDIA 的費(fèi)米架構(gòu)設(shè)備）的高性能嵌入式計(jì)算 （HPEC） 架構(gòu)進(jìn)行部署，并具有復(fù)雜的加固和熱管理封裝技術(shù)。這些新的HPEC架構(gòu)消除了早期的性能和熱管理障礙，從而能夠在無(wú)人機(jī)上最佳地使用SAR技術(shù)。GP-GPU具有大量?jī)?nèi)核，浮動(dòng)數(shù)學(xué)功能和令人印象深刻的計(jì)算性能，將簡(jiǎn)化和加速SAR技術(shù)與當(dāng)今小型無(wú)人機(jī)的集成，并為作戰(zhàn)人員提供實(shí)時(shí)可操作數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)，堅(jiān)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(guò)組合系統(tǒng)掃描和捕獲的地形圖像，使飛機(jī)的雷達(dá)能夠作為一個(gè)非常大的陣列發(fā)揮作用。這種技術(shù)有效地利用飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)擴(kuò)大雷達(dá)孔徑。SAR拓?fù)鋱D像需要超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)提供的大量處理能力。問(wèn)題是，到目前為止，在飛機(jī)上使用SAR監(jiān)視限制了飛機(jī)的速度。對(duì)于所需數(shù)據(jù)至關(guān)重要且旨在用于實(shí)時(shí)操作的情況尤其如此。

在飛機(jī)上部署超級(jí)計(jì)算機(jī)功能，特別是空間和重量受限的無(wú)人機(jī)，需要平衡SWaP、系統(tǒng)能力和可操作情報(bào)的及時(shí)性。啟用或限制 SAR 數(shù)據(jù)的可操作實(shí)時(shí)使用的關(guān)鍵因素是視場(chǎng)、數(shù)據(jù)丟失或分辨率丟失以及對(duì)事件的延遲感知。優(yōu)化 SAR 性能以進(jìn)行實(shí)時(shí)使用的能力與可用的計(jì)算能力成正比。在無(wú)人機(jī)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(luò)互連的堅(jiān)固處理器組成。

圖 2：SAR 框圖

雖然如何將雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的方法超出了本文的范圍，但對(duì)SAR算法的一個(gè)方面的描述有助于解釋GP-GPU如何提高SAR性能。SAR 算法的關(guān)鍵部分由三個(gè)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(shù)是將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)紿PEC系統(tǒng)。該系統(tǒng)的架構(gòu)是將 HPEC 系統(tǒng)分段，以便一組處理器負(fù)責(zé)計(jì)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(jì)算結(jié)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(dòng)到處理器，執(zhí)行計(jì)算，然后將結(jié)果發(fā)送到內(nèi)存以用于另一個(gè)后續(xù)計(jì)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(dòng)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(chǔ)器）中處理。使用外部循環(huán)，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)狡渌幚砥?。通過(guò)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?jǐn)?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?yàn)榕c DRAM 或結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相比，緩存中的數(shù)據(jù)移動(dòng)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(gè)處理器上。

最大限度地減少在一個(gè)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(diǎn)是這會(huì)增加外部環(huán)路或連接處理器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的壓力。SWaP 約束限制了可部署 SAR 系統(tǒng)的大小和重量，導(dǎo)致處理器數(shù)量和結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單。這是因?yàn)閷?duì)于這些類(lèi)型的 I/O（輸入和輸出）綁定應(yīng)用程序，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能可能成為瓶頸，從而成為關(guān)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(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（能夠跟上更高速度的處理器的功能）和更高帶寬的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行最佳組合。

搜救和空氣速度

同樣，輕量級(jí)SAR性能的一個(gè)關(guān)鍵障礙是系統(tǒng)性能與飛機(jī)速度之間的直接關(guān)系。SAR使用飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)幫助“成像”地形。它可以檢測(cè)來(lái)自光束的反射，然后將這些反射“添加”在一起以形成復(fù)合圖像。SAR系統(tǒng)DSP的速度決定了飛機(jī)在所需地形上的飛行速度。如果DSP太慢，飛機(jī)必須降低速度，以便可以正確成像物體。超過(guò)DSP能力的空氣速度將導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)丟失，這可能是關(guān)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(gè)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(luò)結(jié)構(gòu)以用于在多個(gè)GP-GPU集群上有效流式傳輸數(shù)據(jù)的練習(xí)。然而，即使是最快的嵌入式網(wǎng)絡(luò)，如10千兆以太網(wǎng)和20千兆位/秒的RapidIO，也無(wú)法跟上GP-GPU提供的性能優(yōu)勢(shì)。

因此，顯著提高 SAR DSP 速度的一種方法是對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(gè) GP-GPU 替換 HPEC 系統(tǒng)中計(jì)算 FDC 的部分。實(shí)際上，GP-GPU 在芯片上充當(dāng)了 HPEC 系統(tǒng)。通過(guò)擴(kuò)展，現(xiàn)在這使得GP-GPU FDC計(jì)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(dá)需要 100 秒來(lái)填充 GP-GPU 內(nèi)存。一些基于英偉達(dá)費(fèi)米架構(gòu)的新型GP-GPU可以實(shí)現(xiàn)4320億次浮點(diǎn)運(yùn)算（或4320億次浮點(diǎn)運(yùn)算 - GFLOPS）的峰值性能。這意味著在100秒內(nèi)，GP-GPU將能夠進(jìn)行超過(guò)40萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算-TFLOP。憑借這種 GP-GPU 性能能力，F(xiàn)DC 和其他計(jì)算要求苛刻的算法（如變化檢測(cè)、GMTI、交錯(cuò) SAR 和 GMTI 以及實(shí)時(shí)圖像壓縮）可以在小型輕量級(jí) SAR 中使用基于 COTS 的 HPEC 系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖 5： GP-GPU 架構(gòu)（主板上的高速光纖）

此外，如果SAR數(shù)據(jù)被分發(fā)到一個(gè)GP-GPU集群，飛機(jī)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(gè) GP-GPU 的集群面對(duì)每秒 20 MB 的傳感器數(shù)據(jù)，則集群中的單個(gè) GP-GPU 可以提供 300 萬(wàn) TFLOPS 的性能。

GP-GPU 在處理數(shù)據(jù)移動(dòng)時(shí)也具有顯著優(yōu)勢(shì)，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(dòng)速度提高了 4 倍，與結(jié)構(gòu)相比，使用 GP-GPU 的數(shù)據(jù)移動(dòng)速度提高了 80 GB/s，而使用 GP-GPU 的數(shù)據(jù)移動(dòng)速度提高了 80 倍。由于SAR算法與數(shù)據(jù)移動(dòng)速度有關(guān)，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(jī)能夠飛得更快、更高，提供更多的成像能力，而不會(huì)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(shí)際應(yīng)用中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。在具有“人性化”環(huán)境的飛機(jī)中，機(jī)艙加壓且沖擊和振動(dòng)最小，并且沒(méi)有限制性的MTBF要求，臺(tái)式PC型系統(tǒng)可能就足夠了。對(duì)于部署在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，例如無(wú)壓、高振動(dòng)條件，應(yīng)考慮使用堅(jiān)固耐用的 COTS GP-GPU 模塊，例如柯蒂斯·賴(lài)特控制防御解決方案 （CWCDS） 的 6U OpenVPX （VITA 46/65） VPX6-490 GP-GPU 板。當(dāng)與配套的單鏈系統(tǒng)（如 CWCDS VPX6-1956 或 CHAMP-AV8）結(jié)合使用時(shí)，VPX6-490 可提供一個(gè)萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算峰值處理性能。每個(gè) VPX6-490 基于英偉達(dá)費(fèi)米的 GP-GPU 都有 2 千兆字節(jié)的 GDDR3 內(nèi)存，帶寬超過(guò) 80 GB/s。該板套件具有各種冷卻架構(gòu)，包括風(fēng)冷和擴(kuò)展溫度風(fēng)冷，但也提供更極端的加固型封裝，如傳導(dǎo)冷卻或氣流通孔（AFT）。

通過(guò)將 4 （四） 組 VPX6-490/VPX6-1956 或 CHAMP AV8 卡（八個(gè) 1“ 間距 VPX 板）集成到一個(gè)重量小于 40 磅的緊湊型 10”x12“x14” 傳導(dǎo)冷卻機(jī)箱中，可以構(gòu)建完整的超級(jí)計(jì)算機(jī)級(jí) HPEC 系統(tǒng)。該示例堅(jiān)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(tái)提供 4 萬(wàn)億次 SWaP 優(yōu)化處理能力。VPX6-490 運(yùn)行英偉達(dá)的庫(kù)不變。經(jīng)過(guò)開(kāi)源社區(qū)的多年優(yōu)化，CUDA 庫(kù)使 SAR 算法要求更易于實(shí)現(xiàn)。因此，用于無(wú)人機(jī)SAR系統(tǒng)算法處理的多核GP-GPU將比以往任何時(shí)候都更高，更快。

審核編輯：郭婷