автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка и исследование специализированных многопроцессорных вычислительных систем для решения задач лоцирования объектов

ой

•,c$tiiwctepctbo общего и профессионального образования российской федерации таганрогский государсимт)ный радиотех.1 гическнй

университет

11а ГфННПХ руКОШН л УДК 681 Р5 5

ТРЕТЬЯКОВ (Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СНЕЩАЛИЗИРОВАННЫХ МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЛОЦИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05Л 3Л 3

Специальность: 05ЛЗЛ4

Вычислительные машины комплексы, системы и сети Системы обработки информации и управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог - 1997

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники Таганрогского государственного радиотехнического у ниверситета

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических ггаук, профессор! действительный

член Академии естественных наук Российской Федерации ГУЗИКВ.Ф.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор ВИТИСКА Н.И.

кандидат технических наук ШАПОВАЛ В.Г.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

Научно-исследовательский институт "Бриз". г.Таганрог

Защита состоится "_" декабря 1997 г. в _ часов на

заседании специализированного совета Д 063.13.01 по защите диссертаций при Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу: 347915, г.Таганрог, пер. Некрасовский, 44, а\д. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "__"______1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета ^ А.Г.Чефранов

канд. техн. техн., доцент

ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО! ПК л РАБО ТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ 'ШМЫ. В настоящее время гидроакустические скшции и системы являются наиболее эффективным средством сбора обмена и передачи информации при работе человека и г^мшчее.ких и'.гройип* в водной и морской средах. Использование в воде моншых электромапштпых колебаний радио- и оптического диапазонов сопряжено с болыпими трудностями из-за быстрого затухания этих волн в электропроводной воде. Звуковые же полны, благодаря своей физической природе и проводящим свойствам водной среды,, способны возбуждаться при сравнительно малых затратах энергии и распространяться на большие расстояния, при некоторых условиях - па тысячи и десятки тысяч километров.

С помощью гидроакустических средств локации производя! картографирование дна морей и океанов, осуществляют подводную связь,, обеспечивают безопасность кораблевождения, производят поиск морских животных с целыо их лова, "просвечивают морское дно при поиске полезных ископаемых, обнаруживают и определяют координаты подводных объектов. Однако, главной проблемой систем гидролокации всегда являлись низкая разрешающая способность и, как следствие, низкая точность полученных результатов. Отсюда, до настоящего времени основными задачами гидролокации считались обнаружение цели и определение параметров ее движения. Вместе с тем всегда производились попытки классификации целей путем тщательного анализа излунательных и отражательных характеристик подводных объектов Такие активно излучающие объекты, как корабли, подводные лодки, крупные морские животные распознаются по специфическим для каждого типа излучения спектральным составляющим в принятом сигнале Неизлучающие или пассивные объекты такие, как скальные породы, подводные сооружения, затонувшие корабли, конкреции и т. д. классифицируются с гораздо большими временными ¡афагами, т.к. в этом случае производится неоднократное облучение обьекта сериями разнотипных специальных импульсов (с линейно - частотной или широтно - импульсной модуляцией) для анализа искажений в принятом сигнале и сравнения его с эталонным. Естественно, что использование подобных традиционных методов пе дает высокой достоверности в полученных результатах и требуе) обычно значительных временных затрат.

В последнее время успех)! в разработке математического аппарата позволили создать серию математических методов, направленных на особо точное определение местоположения различных (активных и пассивных) подводных объектов, и позволяющих системам гидролокации перейти на новую качественную ступень. Однако. ввиду особенностей

математического аппарата, обработка акустических сигналов по методам высокого разрешения возможна только с использованием чисто цифровых устройств обработки, а поскольку методы обладают также большой вычислительной сложностью, то необходимо применение систем с высоким быстродействием, особенно при использовании вычислений в масштабе реального времени. Отсюда возникает задача разработки специализированной вычислительной системы, ориентированной на особо точное определение угловых координат одновременно большого количества подводных статических и динамических объектов в масштабе реального времени.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Объектом исследования является методы определения угловых координат лоцируемых объектов с высоким разрешением и вычислительные структуры, наиболее эффективные для решения данной задачи.

ПН ЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ: Целью работы является исследование методов высокого углового разрешения и разработка специализированной многопроцессорной вычислительной системы (МВС), обеспечивающей возможность определения угловых координат лоцируемых объектов в количестве не менее 100 с точностью до одной угловой минуты в масштабе реального времени.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие теоретические и прикладные задачи:

анализ алгоритмических и вычислительных особенностей существующих методов высокого разрешения;

- разработка адаптивного метода высокого разрешения на базе - существующих методов;

- исследование методов реализации крупных операций над матрицами на многопроцессорной системе с матричной архитектурой;

- анализ функциональных особенностей и разработка архитектурных решений для МВС и отдельных ее устройств;

- экспериментальная проверка предложенного алгоритма на универсальной ЭВМ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач использовались арифметические основы дискретной техники, теория построения вычислительных систем, теория организации вычислительного процесса, теория языков программирования. а также методы вычислительной математики и математического моделирования.

OCHuBHUI ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНрС.ИМЬЩ _НА 1-М ЩИ У На «иции вьпнючим следующие положения и результаты

адаптивный метод высокого ршрешения.. отвечающий заданным требованиям по точности и помехоустойчивости,

операционные блоки и структура процессорного ллемеша. ориентированного на работу с комплексными операндами и изменяемой разрядное! ьи р вычислений;

стрмшра межпроцессорных связей n МВС. обеспечивающая потоковую обработку данных в реальном времени.

организация памяти в системе позволяв>щая минимизировать количесл но обменов данными:

- принципы иерархической организации управления л системе обеспечивающие работу с изменяемой разрядностью в режиме потока данных

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложен адаптивный метод высокою разрешения, обладающий высокой номехозащишепосгыо и устойчивостью выходных результатов. Разработана архитектура процессора для работы с комплексными операндами и изменяемой разрядностью вычислений, а также структура межпроцессорных связей в МВС для потоковой обработки данных

ОСНОВНЫЙ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

- проведены исследования существующих алгоритмов высокого разрешения с точки зрения определения их вычислительной сложности, точности и требуемых объемов намяли,

- разработан адаптивный метод высокого разрешения обладающий помехозащищенностью, vci оил лвостыо точност ных параметров результатов и имеющий параллельную алгоритмическую реализацию;

- определена эффективность базового набора пшовых крупных матричных операций по критериям алгоритмической и вычислительной сложности, а также точности, л показаны методы их реализации на параллельных ВС с матричной ар\и 1скгурой;

•■ разработан алгоритм использования вычислений но предложенному методу высокого разрешения с переменной разрядностью в коде "опережающий перенос'";

создана структура процессорного элемента для МВС?. ориентированного па работу с комплексными операндами, с аппаратной и программной поддержкой вычислении с изменяемой разрядностью в коде ''опережающий перенос";

- разработаны принципы построения многоуровневой иерархической систем]»! управления и адресации, а также организации памяти для

обеспечения максимальной параллельности и перемен»"!) разрядности вычислений;

- разработана структура межпроцессорных связей в митрично -потоковой МВС, которая обеспечивает решение поставленной задачи в масштабе реального времени.

ПРАКТИЧНСКУЮ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ представляют:

- адаптивный метод высокого разрешения с параллельной алгоритмической реализацией;

- методика оценки выходной погрешности алгоритмов высокого разрешения;

- архитектура процессора комплексной арифметики с изменяемой разрядностью вычислений;

- программная модель системы определения координат объектов.

Предложенные решения позволяют строить специализированные

вычислители для задач определения координат объектов в гидро- и радиолокации, а также системы идентификации и классификации объектов с использованием методов построения их двух и трехмерных изображений.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Исследования проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ Гш анрогского государственного радиотехнического университета. Результаты проведенных исследований нашли практическое использование при выполнении хоздоговорных и госбюджетных работ кафедры Вычислительной техники Таганрогского государственного радиотехнического университета:

"Разработка эмулятора базового модуля наращивания суперЭВМ", выполненной для НИИ многопроцессорных вычислительных систем при ТР'ТУ (№1Т 01.9.50003771), Таганрог, 1994 г.;

"Разработка принципов построения и создание многопроцессорных вычислительных систем с матрично - потоковой архитектурой и системой закрытия данных в каналах связи", выполненной по госбюджету (№ ГР 01.9.40002376), Таганрог, ¡995 г.;

"Разработка и создание цифровых вычислительных систем гидроакустических станций высокого разрешения для рыбопоисковых комплексов", выполняемой но госбюджету, 1996 - 1997 г г.

Полученные в диссертации результаты использовались при разработке МВС для гидролокатора бокового обзора и применялись в опытно - конструкторских работах, проводимых в НИИ "Бриз" (г. Таганрог).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные научные 'результаты диссертации докладывались и обсуждались: на II Всероссийской студенческой конференции (г. Таганрог, 1994), 42-й студенческой НК "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (г. Таг анрог, 1995), III Всероссийской НТК "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (г. Таганрог, 1996), на 41-й и 42-й НТК профессорско - преподавательского состава ТР1 У (г. Таганрог, 1995 - 1996 г.г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, кроме того, результаты исследований отражены в 3 отчетах о выполнении НИР, 'зарегистрированных в ВНТИЦ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, на 169 страницах машинописного текста, с 47 рисунками и 38 таблицами на 70 страницах, списка литературы на 8 страницах и приложений на 11 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе произведен анализ предметной области, рассмотрены комплексный подход к определению координат объектов в трехмерном пространстве и существующие методы его решения, дан обзор и сравнительный анализ некоторых из существующих зарубежных и отечественных высокопроизводительных вычислительных систем.

Рассмотрены традиционные методы обработки сигналов, направленные на увеличение точности пеленгации объектов и повышающие разрешение системы по углу, и базирующиеся на использовании устройств суммирования, умножения мгновенных значений и усреднения, включенных в различном порядке. Показаны недостатки традиционных методов, состоящие в появлении дополнительных максимумов, значительном снижении чувствительности и помехозащищенности антенны.

Сформулирована задача анализа существующих перспективных методов высокого углового разрешения по критериям вычислительной сложности и затрат памяти с целью определения требований к вычислительной системе.

С этих позиций рассмотрены следующие методы: тихоновской регуляризации, собственных векторов и пряморешающий Подробно проанализированы наиболее оптимальные с точки зрения вычислительной сложности алгоритмические реализации тих методов, для каждою метода

определены вычислительные затраты в количестве основных операций в зависимости от порядка обрабатываемой матрицы. В соответствии с алгоритмами методов определено минимальное количество массивов данных, размещаемых одновременно в памяти вычислительной системы для каждого из методов, на основании которого сформированы требования к объему памяти.

Определен минимальный временной квант дискретизации для проведения вычислений в масштабе реального времени. Квант рассчиган исходя пз заданной точности в 1 минуту дуги при определении угловых координат движущихся объектов и точности в 1м при определении расстояния до этих объектов.

На основании необходимых вычислительных затрат и установленного временного кванта было рассчитано требуемое быстродействие вычислителя для разных порядков обрабатываемых матриц.

Проведен анализ использования некоторых зарубежных и отечественных многопроцессорных вычислительных систем для решения поставленной задачи - определения координат объектов. При сравнительном анализе систем рассматривалась и разработанная МВС. Показано, что для максимальных порядков обрабатываемой матрицы существующие системы не подходят и только лишь созданная специализированная вычислительная система укладывается в отведенный временной квант.

Во второй главе рассмотрены точностные параметры методов высокого разрешения, особенности реализации типовых операций на матричных структурах. Проанализирована возможность использования вычислений с переменной разрядностью и сформулированы требования к процессорному элементу системы.

Предполагается, что исходными данными для алгоритмов высокого разрешения является корреляционная матрица принятого сигнала

м

g = 2X,X; . сформированная из векторов направлений прихода лучей

X, = A¡[l, eJ/,,ej2",...,eJ'N"1)''], принятых с выходов одной линейки

элементов антенной решетки (А - амплитуда сигнала, (3 - угол между

нормалью к антенне и направлением на источник сигнала). В принятом

сигнале присутствует аддитивная шумовая помеха, распределенная по

м

нормальному закону: g =Р + > Р " матрица шумового сигнала в

i=i

раскрыве приемной антенны.

Произведена оценка погрешности каждого из методов высокого разрешения но всем этапам алгоритмической реализации, поскольку

основным критерием выбора оптимального метода являлась максимальная точность вычислений. Отдельно было определено влияние вычислительной псирешности самих методов и влияние погрешности исходных данных на конечный результат, получены также зависимости величины пофешности выходного результата от разрядности машинного слова Г1о совокупности этих критериев наилучшим из рассмотренных оказался метод собственных векторов, алгоритм которого состоит в следующем:

1. Определяются собственные значения и собственные векторы корреляционной матрицы

Разложение матрицы § представляется в виде

Здесь Я,- собственные значения матрицы д, V,- собственные векторы матрицы g, соответствующие собственным значениям Л,; [ Л]-диагональная матрица из собственных значений Я 1 матрицы П - матрица собственных векторов матрицы Для нахождения собственных значений Я1 и собственных векторов V, использован метод вращений (метод Якоби) как наиболее оптимальный по критериям минимумов вычислительных затрат и погрешности результата

2. Определяется количество источников сигналов

Матрица [/., ] представляет собой диагональную матрицу собственных значений матрицы g, причем

Я„ > Я,, >...> Я„„, > Я(т„У1тП =...== Л„п = ст\. где <г; - спектральная плотность мощности шума на входе антенной решетки. Количество источников сигналов определяется количеством собственных значений (т), которые превосходят величину а'0 Максимальное количество источников сигналов, координаты которых можно определить данным методом составляет ш = п - 1.

3. Разбиение матрицы собственных векторов

После определения количества источников сигналов, матрица собственных векторов разбивается в соответствии со схемой:

Здесь V, и V, - квадратные матрицы размером ш х тп; с, и Ь, - первые строки матриц V и Н соответственно Предполагается, что собственные векторы расположены в матрице П построчно.

N

1-1

4. Рассчитывается произведение матриц являющееся сопровождающей матрицей для диаграммообразующего полинома антенной, решетки.

5. Определяются собственные числа произведения матриц V, V,1.

Собственные числа матрицы \'2У1~1 являются корнями г,

диа1раммообразующего полинома Р (г) и однозначно определяют угловые координаты источников сигналов. Для определения собственных чисел использован метод Якоби.

6. Определяются угловые координаты источников сигналов.

Корни полинома Е(г) представляют собой комплексные величины

вида г ,г2,...,гт ; 7.=с,п, Р - обобщенный угол направления прихода

сигнала, ¡5 =2яг^ , где с! - расстояние между элементами антенной Л

решетки, к - длина волны сигнала, 9 - угол прихода сигнала источника, отсчитанный от нормали к антенне. Для эквидистантной антенной решетки обобщенный угол равен ¡5 = л ■ бш в. Угловая координата источника сигнала определяется как:

в - агсБШ = агсБШ 1п( т)

-Л - К

Однако, высокая чувствительность этого метода к величине шумовой помехи в случае примерного равенства числа источников сигналов порядку корреляционной матрицы потребовала использования методов предварительной фильтрации исходного сигнала. Для этой цели было рассмотрено применение методов медианной и пороговой фильтрации к корреляционной матрице сигнала g с использованием окон размером 3*3 и 5*5 элементов. Показано, что при больших размерах окна медианная фильтрация обеспечивает подавление шума сильнее, чем пороговая, но ее вычислительная сложность выше. Поэтому выбор конкретного метода фильтрации является компромиссом между вычислительной сложностью и точностью выходного результата, и требует априорной оценки.

На основании этого подхода был предложен адаптивный метод высокого разрешения, состоящий из двух частей: фильтрующей и базовой. Фильтрующая часть, включающая методы пороговой и медианной фильтрации, обеспечивает настройку метода на конкретный уровень шума в принимаемом сигнале. Базовая же часть, являющаяся методом собственных векторов, как наилучшим из рассмотренных выше, обеспечивает определение угловых координат лоцируемых объектов с заданной точностью. Моделирование работы предложенного алгоритма на

ПЭВМ подтвердило его работоспособное!ь при величине соотношения сигнал/шум не менее 10.

Был рассмотрен базовый набор тповых операций с матрицами (обращение матрицы, определение собственных шачепнй и собственных векторов, транспонирование и умножение матриц), для каждой из которых анализировались различные методы с определением вычислительных затрат и выходной пофсшпости роз\ п.ппл Показано, чю из них наиболее часто встречаются операции транспонирования и умножения матриц, для которых были приведены варианты алгоритмической реализации на параллельных вычислительных системах

Рассмотрен параллельный алгоритм адаптивного метода высокого разрешения, определена его эффективная вычислительная сложность, и на основе этого предложена двухуровневая архитектура решающего поля вычислительной системы. Показано, что параллельный алгоритм метода не вносит дополнительной погрешности в конечный результат

Анализ возможности использования переменной разрядности при вычислении собственных значений и собственных векторов матриц методом Якоби показал, что наблюдается сокращение числа итераций в 1.5-^3 раза при сохранении заданной точности. Разработана алгоритмическая реализация метода Якоби с переменной разрядностью, при этом в начале вычислений использовалась разрядность 8 бит, далее -16 бит, и в конце - 32 бита. Было экспериментально проанализировано соотношение между числом итераций при разной разрядности нычислсшт, которое составило: для действительной матрицы ■ б у.<1. для эрмитовой -6:3:2, для ленточной - 7:2:1, и совпало с теоретической оценкой. На основании данного соотношения определен выигрыш но времени при использовании вычислений с переменной разрядностью но сравнению с ' фиксированной, который составляет от 2 до А раз в зависимости oi архитектуры вычислителя. Здесь же рассмотрена методика организации вычислений с переменной разрядностью и определены условия перехода от одной разрядности к другой.

Анализ алгоритмов выполнения крупных матричных операций, используем!,IX при реализации адаптивного метода высокого разрешения, позволил определить оптимальный базовый набор основных вычислительных команд для процессорного элемента, который включае! следующие операции:

- арифметические операции ( +, -. х. ; ).

- алгебраические операции ( х", \ х . еч, ln(x),. I s I )

- т ригономс! ричеекие операции (sin(x). cos(x') lg(x). arcsin(s) aiclg(x))

- логические операции (<->.=,

13 третьей главе рассмотрен круг воироош. связанный с построением многопроцессорной вычислительной снеючы iгироакуегической ciлинии

высокого разрешения, обеспечивающей определение координат лоцируемых объектов с заданной точностью в реальном маеппабе фе.мс.ии.

Анализ, проведенный с целью определения оптимальной структуры процессорного элемента и применяемого для вычислений кода, показал, что наиболее эффективной для рассмотренного круга задач является параллельная архитектура процессора с поддержкой вычислений в коде "опережающий перепое" с изменяемой разрядностью вычислений

Поскольку все данные с которыми оперирует адаптивный метод высокого разрешения являются комплексными числами была разработана структура решающего блока процессорного элемента с аппаратной поддержкой выполнения основных операций в базисе комплексной арифметики. Решающий блок представляет собой трехслойную структуру, каждый слой содержит минимально необходимый набор однотипных вычислительных блоков, схема связей между слоями изменяется посредством коммутаторов в соответствии с текущей выполняемой операцией.

Разработан процессорный элемент (ПЭ), который может использоваться как в составе многопроцессорной системы, гак и в автономном режиме. ПЭ построен с использованием принципов блочной архитектуры, которая особенно хорошо зарекомендовала себя в процессорах цифровой обработки сигналов. Основное отличие архитектуры ПЭ от базовой состоит в использовании сдвоенных внутрипроцессорпых шин передачи данных (две шины на чтение и одна на запись), поскольку все данные являются в общем случае комплексными числами. Шины для передачи мшшой и действительной частей комплексного числа являются полностью независимыми друг от друга ПЭ аппаратно поддерживает изменение разрядности вычислений, от которой зависит число одновременно обрабатываемых операндов. Рассмотрены вопросы организации вычислений с использованием предложенного ПЭ на примере операций сложения и умножения с накоплением и разработан модифицированный метод вычисления этих операций, позволяющий получить заметный выигрыш в быстродействии, который увеличивается с возрастанием порядка обрабатываемой матрицы.

Рассмотрены способы вычислений некоторых тригонометрических функций табличным методом и показана их эффективность при использовании переменной разрядности.

Разработан вычислительный модуль (ВМ) системы, содержащий восемь ПЭ, с аппаратной поддержкой параллельного алгоритма высокого разрешения. Для того, чтобы процессоры могли обмениваться данными между собой или с ''чужими'' банками памяти в ВМ используется локальная кольцевая сегментированная шипа данных.

Разработана структура многопроцессорной вычислительной системы, содержащая матрицу ВМ. относящаяся к тип\> МКМД - систем. МВС работает в режиме поступления непрерывного потока данных от антенного комплекса и выводит результаты для дальнейшей обработки в ПЭВМ, с помощью которой также осуществляется внешнее управление работой МВС.

Внутри вычислительной матрицы ВМ соединены друг с другом по полному графу, что особенно важно при выполнении алгоритмов предварительной фильтрации. Кавдый ЕЗМ имеет в зависимости от своего положения в матрице или 3, или 5, или 8 каналов обмена данными, а благодаря применению в ВМ транзитного режима передачи данных с использованием буферной памяти, дополнительные аппаратные затраты на обеспечение доставки информации между двумя любыми ВМ не потребовались.

Рассмотрены вопросы распределения памяти в вычислительной системе и проанализированы алгоритмы обмена данными на уровне процессоров, вычислительных модулей и глобальном уровне всей системы.

Определена интенсивность основных информационных потоков в вычислительной системе, для которых рассмотрены варианты схемных реализаций каналов передачи данных и шинных интерфейсов

Рассмотрена трехуровневая иерархическая система управления в МВС, разработаны форматы управляющих слов для всех устройств системы п определена система команд для каждого из уровней.

Вычислена пиковая производительность разработанного процессорного элемента на примере рассмотренного круга задач, выведена зависимость общей производительности вычислительной системы от количества вычислительных модулей и процессорных элементов.

В четвертой главе рассматривается созданная имитационная модель системы обработки сигналов, которая имитирует прием отраженных сигналов от крупноразмерного подводного объекта, содержащего в себе несколько самостоятельно переизлучающнх зондирующий сигнал точек, на плоскую эквидистантную антенную решетку на фоне произвольной помеховой обстановки с последующей обработкой сигналов но предложенному выше адаптивному методу высокого разрешения. Основными целями моделирования являлись: проверка работоспособности предложенного алгоритма и оценка точности рассчитанных координат источников сигналов для сравнения их с полученными выше теоретическими результатами.

Описываются структура моделирующей программы, система пространственных координат, принятых в модели, алгоритм ее работы и методика проведения исследований. Модель имитирует распространение акустических сигналов в подпой среде с учетом расстояния до объекта.

н

наличия затухания сшнала в среде распространения, и угла падения сигнала на антенную решетку. Анализируются величины погрешностей определения угловых координат лоцируемых объектов в зависимости от величины соотношения сигнал/шум в принятом сигнале.

Моделирующая программа позволяет определять координаты как статичных, так и движущихся по произвольной траектории объектов любой формы и конфигурации. Результаты обработки выводятся на экран и сохраняются на магнитном носителе.

В заключении отражены основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложении представлены расчеты точностных параметров метода собственных векторов, экранные формы и протоколы работы моделирующей программы, акт об использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе рассмотрен комплекс теоретических и практических вопросов посвященных разработке многопроцессорной ' вычислительной системы для гидроакустических станций высокого разрешения на основе адаптивного метода сверхразрешения, обеспечивающей обнаружение и определение координат до 100 подводных объектов с точностью до одной угловой минуты в реальном масштабе времени. В ходе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Проведены исследования существующих алгоритмов высокого разрешения с точки зрения определения их вычислительной сложности, точности и требуемых объемов памяти. Обоснован выбор метода собственных векторов в качестве базового, как наилучшего из рассмотренных методов;

2. Разработан адаптивный метод высокого разрешения, обладающий помехозащищенностью, устойчивостью точностных параметров результатов и имеющий параллельную алгоритмическую реализацию. Проведенное моделирование доказало эффективность использования предложенного метода для решения поставленной задачи;

3. Рассмотрен базовый набор типовых крупных матричных операций, определена их эффективность по, критериям алгоритмической и вычислительной сложности, а также точности, и показаны методы их реализации на параллельных ВС с матричной архитектурой;

4. Разработан алгоритм использования вычислений с переменной разрядностью в коде "опережающий перенос". Показано, чго данный алгоритм эффективнее вычислений с использованием стандартного двоичного кода и сделан вывод о необходимости построения

специализированного процессора с поддержкой и «меняемой разрядности вычислений;

5. Разработана crpviciypa процессорного 'элемента для МВС, ориентированного па работу с комплексными отладила ми, с аппаратной » программной поддер-ккой вычислений с изменяемой разрядностью в коде "опережающий нсреюг Анализ производительности вычислений показав большую эффектность разработанного процессора но сравнению с базовым аналогом

6. Разработаны принципы построения многоуровневой иерархической системы управления и адресации, а также организации памяти для обеспечения максимальной пара цельности и переменной разрядности вычислений;

7. Разработана структура матрично ■ потоковой .МВС, которая обеспечивает решение поставленной задачи в масштабе реального времени. Основным узлом МВС является вычислительный модуль с аппаратной поддержкой параллельного алгоритма метода высокого разрешения, состоящий из восьми процессорных .элементов, попарно объединенных общим нолем памяти.

По теме диссертации опубликовано 9 работ

1. ГузикВ.Ф., Золотовский В.В., Середа A.A., Третьяков С В Разработка и реализация алгоритмов и методов цифровой обработки сложных сигналов и изображений. Отчет о НИР, № ГР 01 9.40000270 • Таганрог, 1993. - 38 с.

2. Гузик В.Ф., Каляев НА., Середа A.A., Третьяков C.B. и др. Разработка эмулятора базового модуля наращивания суперЭВМ Отчет о НИР. N° ГР 01.9.50003771. - Таганрог, 1994. - 85 с.

3. Гузик В.Ф., Золотовский В.Е., Середа А А., Третьяков C.B. и др. Разработка принципов построения и создание многопроцессорных вычислительных систем с матрично - потоковой архитектурой и системой закрытия данных в каналах связи. Отчет о ПИР. № ГР 01.9.40002376. - Таганрог, 1995. -456 с

4. Гузик В.Ф., Третьяков C.B. Процессорный элемент для спецвычислигеля ГАС. Тезисы доклада 41-й НТК ППС, сотрудников и аспирантов ТРТУ -Таганрог, 1995.

5. Гузик В.Ф., Третьяков С.13. Многопроцессорная вычислительная система для пространственной обработки сигналов. Тезисы доклада 42-й студенческой НК "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" ТРТУ. - Таганрог, 1995.

6. Гузик В.Ф., Третьяков СВ. Адаптивная многопроцессорная система предварительной обработки сигналов в гидролокации. Тезисы докладов

III Всероссийской НТК "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". - Таганрог, ТРТУ, 19%

7. ГузикВ.Ф., Золотовский В.П., Третьяков C.B. Спецвычислитель для ГАС высокого разрешения. Тезисы доклада 42-й НТК [II 1С, сотрудников и аспирантов ТРТУ. - Таганрог, 1996.

8. Гузик В.Ф., Золотовский В.Е., Третьяков С.В Спецпроцессор акустической системы визуализации. - М.., МГТУ им. Баумана, журн. "Конверсия", 1997.

9. Третьяков C.B., Попель C.B., Иванов К.Э. Эмулятор процессорного элемента для МВС на базе транспьютера II Всероссийская студенческая конференция. - Таганрог, ТРТУ, 1994.

В опубликованных работах личный вклад автора состоит в следующем: [1] - разработаны блоки аппаратной реализации алгоритмов; [2] - разработан блок эмуляции коммутатора базового модуля; [3] -разработан блок управления памятью МВС; [4J - предложен процессор с аппаратной реализацией основных операций; [5] - разработан способ построения межпроцессорных связей; [6] - сформулирован метод автоматической настройки алгоритма обработки сигналов; [7] - предложен метод реализации вычислений с изменяемой разрядностью; [8] -разработан алгоритм построения трехмерных изображений на базе алгоритма высокого разрешения; [9] - разработана подсистема эмуляции арифметических команд транспьютера.