于荣欢;吴玲达;邓宝松;瞿师
【摘 要】According to the large and complex computation of electromagnetic environment,a parallel computing method based on irregular terrain model (ITM) is proposed.This method captains the 3D scalar field to describe the electromagnetic environment and adopts a static task distribution algorithm based on row to avoid the redundancy of DEM computing,it can assure the load balance between computing nodes.The experiments show that this parallel method has high parallel efficiency and can suffice the need of electromagnetic environment computation effectively.%针对复杂电磁环境仿真中算法复杂、计算量大的特点,构建了一种基于不规则地形模型(irregular terrain model,ITM)电波传播模型的复杂电磁环境并行计算方法.该方法采用三维标量场的数据组织方式描述复杂电磁环境.在并行计算关键的任务分配阶段依据ITM模型的计算特点和三维标量场的数据组织方式,采用了以标量场列为基本单位的静态任务分配方法,有效地避免了地形提取的冗余计算,保证了节点间的负载平衡.经实验验证,该算法并行效率较高,能够有效地满足不规则地形条件下的复杂电磁环境快速计算的需要. 【期刊名称】《系统工程与电子技术》
【年(卷),期】2012(034)007
【总页数】筹备好2022年冬奥会体现了我国哪项战略措施5页(P1339-1343)
【关键词】并行计算;电磁环境;不规则地形模型;负载平衡
【作 者】于荣欢;吴玲达;邓宝松;瞿师
【作者单位】装备学院重点实验室,北京101416;装备学院重点实验室,北京101416;国防科学技术大学信息系统工程重点实验室,湖南长沙410073;总后后勤科学研究所,北京100071;国防科学技术大学信息系统工程重点实验室,湖南长沙410073
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391
0 引 言
近年来，随着现代战争的发展，战场电磁环境已经成为决定战场胜负的关键因素［1］。战场电磁环境可以概括为作战双方在特定区域内，由使用各种电磁能的电子系统构成的信号特性和信号密度的总和［2］。电磁环境的仿真越来越受到指挥人员和科研技术人员的关注，然而随着电磁设备的增多，电磁环境日益复杂，计算量日益增大，当前大部分的电磁环境仿真都存在效率低下的问题。jinjide
并行计算技术是解决大规模复杂数值计算的一种有效手段［3］。目前在电磁环境并行计算领域，大部分都是针对小范围内信号级的电磁特性的并行计算研究［4］。如利用并行快速多极子求解矩量法技术［5－6］，并行时域有限差分法和并行有限元方法等［7］。目前，对于大范围电磁环境的功能级并行仿真计算的研究还很少。
卓越网>江苏交通广播网101.1本文针对大范围复杂电磁环境的并行计算进行了深入的研究，提出了一种基于不规则地形模型（irregular terrain model，ITM）的复杂电磁环境快速并行计算与可视化方法。
1 基于ITM的复杂电磁环境计算模型
在复杂电磁环境中，电子设备通过发送和接收电磁信号来进行相互间的信号传输，电磁环
境由大量辐射电磁信号构成，因此可以采用辐射信号功率强度的分布来表征电磁环境的特性。另外，由于受地形、大气等因素的影响，电磁波在空间传播时能量不可避免地会随着传播距离的增加而逐渐衰减，电波传播模型是一种用于预测电磁波在空间传播衰减的计算模型，是电磁环境计算的基础，因此电磁环境可以通过各种电波传播模型来构建。所以，本文电磁环境并行计算的研究背景设定为在具有多辐射源的不规则地形三维空间中，某一频段内，电磁辐射信号功率强度的分布特性研究。
1．1 复杂电磁环境数据组织形式
基于三维标量场是科学计算可视化的一种重要数据组织形式。对于电磁环境这种充满于自然空间的三维连续场，采用三维标量场的数据组织形式可以很好的反映其物理特性。考虑到复杂电磁环境计算与分析的便利性，可以采用在笛卡儿坐标系三个坐标轴方向上均匀采样的方式，形成电磁环境三维标量场数据组织形式，其采样结果如图1所示。
图1 均匀标量场数据采样组织方式
图1中，在水平方向和垂直方向，可以根据实际情况，采用不同的采样步长w和h进行等距采样。
1．2 基于ITM的复杂电磁环境计算模型设计
在众多的电波传播模型中，ITM是一种最常用的基于物理方法的模型［8－9］。
ITM在预测电波传播衰减时考虑了大气衍射、折射、对流层折射以及地形等因素，并且根据地形高程数据精度和计算速度的要求，提供了两点间和区域两种电波传播预测模式。
ITM 适用于天线高度在0．5～3 000m，频率在20MHz～20GHz，电波传播距离在2 000km 内的情况［10］。在ITM中，通常把电波传播衰减分成3个区域：视距区域、绕射区域、散射区域，如图2所示。
图2 ITM计算区域示意图
依据这3个区域，给出了考虑大气绕射、大气散射、地面反射等影响的电波传播损耗，其计算公式如下：
式中，Aed是一个考虑了大气、刃形衰减和地形遮挡等因素的电波传播损失值；dls是平坦球面视距距离；dx是散射区域计算起始距离；md是表示在绕射区域内，衰减值与距离成线
性关系；Ael是Aed在dls处的值；Aes是Aed在dx处的值；K1、K2是在视距内插值控制系数；ms是在散射区域衰减值线性插值因子。
利用ITM所得电波传播损耗，同时考虑电波自由空间传播损失，电波传播总损耗L可写为
式中，Lfs是电波自由空间传播损耗，其计算模型如下：
式中，f是电磁波的频率；R是电磁波的传播路径长度。
在得到电波传播总损耗L之后，三维空间中任意一点的功率强度值可采用下面的公式得到
式中，Pr是空间某点的辐射功率强度值；Pt是用频设备发射的功率强度值；G是天线增益；L是由式（2）得到的电波传播损失值；Ls是系统损耗，一般取3～5dB。
2 基于地形可重用分配的复杂电磁环境并行计算方法
在采用ITM对三维标量场中采样点辐射信号功率强度进行计算时，由于各采样点的辐射信号功率强度计算相对独立，因此在其并行化过程中可以较好地采用数据并行方式。在基于数据并行的并行计算算法中，如何在各计算节点间进行计算任务分配以达到各节点间的负
载平衡是影响算法并行性能的关键，本文从ITM的计算模型出发，针对复杂电磁环境三维标量场的数据组织特点，提出了一种基于地形重用的通信电磁环境并行计算方法。
2．1 ITM计算模型中的地形可重用性
ITM中计算最复杂、计算量最大的部分是对电波传播损失值Aed的计算，因此在ITM并行化过程中，重点考虑Aed对并行计算的影响。
中国政党2．1．1 DEM地形模型
浙江经视新闻深呼吸数字高程模型（digital elevaion model，DEM）是目前应用最广泛、最有效的一种对地球表面地形地貌的离散数字表达模型［11］。DEM有多种表示形式，主要包括规则网格（regular surface grid，RSG）模型和不规则三角网（triangu－lar irregular network，TIN）模型。其中，RSG是利用水平经纬方向上等间隔排列的地形点的高程来表示地形，形成一个规则矩形网格的高程模型，如图3所示。由于每一个网格点与其相邻网格点的拓扑关系隐含着该网格点的位置坐标，因此在数据存储方面，规则网格模型只需记录每个网格点的高程值，及一个起始点的位置坐标和网格间距即可。
图3 DEM网格结构示意图
2．1．2 基于DEM的两点间地形提取
ITM对Aed的计算过程中，考虑了地形因素对电波传播的影响，需要从DEM中提取从辐射源到计算点之间的地形数据。图4为基于DEM的两点间地形提取示意图，其中图4（a）为俯视视图，图4（b）为剖面视图。具体提取算法为，从辐射源点a出发，采用等距采样的方式在辐射源点a和计算点b之间进行采样，为了保证采样精度，a和b之间的采样间隔通常小于地形数据的采样间隔。a和b之间采样点的高程可以通过对与之相邻的4个DEM网格点进行双线性插值计算获得，双线性插值计算过程如图4（a）所示，先通过与Pi相邻的4个DEM网格点数据线性插值计算C1和C2两点的高程值，然后再利用C1和C2进行线性插值得到采样点Pi的高程值。两点间地形提取完成后，再结合辐射点和计算点的高度h1和h2即可求得电波传播损失值Aed。
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