Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке и программной реализации алгоритмов расчета звуковых полей в море для специализированных вычислительных платформ, предназначенных для обработки гидроакустических сигналов (ОГС), которые могут быть использованы как в процессе моделирования их работы, так и при создании рабочих алгоритмов и программ.
Актуальность работы
Современные методы обработки сигналов при обнаружении и локализации подводных целей используют информацию, относящуюся к структуре океанских волноводов, чтобы достигнуть лучшей эффективности по сравнению со стандартными методами обработки сигналов от фазированных решеток. Методы, использующие модели морской среды (например, метод согласованного поля), обеспечивают такую возможность. При реализации оптимальной обработки сигналов в специализированных вычислителях ключевой проблемой является необходимость разработки алгоритмов, которые работают не только при идеальном моделировании, но и в реальной среде. При создании специализированных вычислителей для обработки гидроакустических сигналов также необходимо детальное знание алгоритмов и методов моделирования морской среды, которое позволяет повысить удельную производительность за счет соответствия собственной архитектуры структуре информационных потоков решаемой задачи. В то же время средства создания эффективных прикладных программ для расчета звуковых полей, разработанные для традиционных многопроцессорных систем, не могут быть использованы для специализированных вычислителей, поскольку приложения для специализированных вычислительных систем ориентированы на максимально быструю обработку информационных потоков. Это диктует необходимость создания специальных инструментальных средств разработки прикладных программ для специализированных вычислительных платформ, предназначенных для обработки гидроакустических сигналов (ОГС).
Важным компонентом подобных средств разработки прикладных программ для специализированных вычислителей явля-
ются унифицированные средства моделирования звуковых полей для создания приложений для ОГС. В настоящее время прикладные программисты разрабатывают специализированные программы для каждой задачи, реализуемой в системах ОГС, что приводит к существенному увеличению времени создания приложений. Таким образом, тема исследования, посвященная разработке алгоритмов и средств создания моделей среды и рабочих программ расчета звуковых полей, и их унификации для прикладных программ ОГС, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов и создание пакета программ для моделирования звукового поля в море, в том числе с учетом переменного по трассе распределения скорости звука и профиля дна, для специализированных вычислительных систем нового поколения.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи
произвести анализ математических методов, необходимых для разработки прикладных программ для вычислительных систем ОГС с учетом модели среды функционирования;
произвести анализ принципов построения масштабируемых гетерогенных архитектур и алгоритмов организации вычислений в системах ОГС с мультипроцессорной архитектурой;
разработать способы синтеза программ расчета звуковых полей, позволяющих реализовывать различные варианты распараллеливания и конвейеризации вычислений, а также различные степени параллелизма;
разработать и исследовать алгоритмы расчета звуковых полей для спецвычислителей нового поколения в системах ОГС;
разработать библиотеки типовых программ расчета звуковых полей в спецвычислителе.
Методы исследования. При проведении исследований были использованы основы теории вычислительных машин, теории аналитического и численного решения уравнений в частных производных, математического анализа, методы математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждена непротиворечивостью математических выкладок, вычислительными экспериментами на ряде действующих образцов и макетов узлов специализированных вычислительных систем и имитационных моделях, а также апробацией полученных научных результатов на конференциях.
Научная новизна результатов диссертационной работы определяется тем, что в ней:
разработаны новые алгоритмы построения программ расчета звуковых полей в прикладных программах для систем ОГС, обеспечивающие высокую удельную производительность при решении широкого класса гидроакустических задач;
разработан новый подход, использующий графические процессоры для организации параллельных вычислений в прикладных программах для систем ОГС, учитывающих влияние среды;
предложен оригинальный алгоритм расчета полей для слоисто-неоднородной среды и создано программное обеспечение для специализированного вычислителя;
разработаны алгоритмы работы мультиядерных гетерогенных параллельно конвейерных спецвычислителей для систем ОГС, отличающиеся от известных возможностью адаптации общего алгоритма спецвычислителя к различным типам среды;
Положения и результаты, выдвигаемые на защиту:
результаты комплексного анализа математических методов расчета полей для различных моделей распространения звука в море;
алгоритмы построения программ расчета звуковых полей для гетерогенных специализированных вычислительных систем;
методы разработки программного обеспечения спецвычислителей для систем ОГС, учитывающего влияние среды функционирования;
способ создания систем тестирования и проведения комплексных испытаний прикладного программного обеспечения систем ОГС;
разработанные алгоритмические и программные решения для построения программ расчета звуковых полей в прикладных программах для систем ОГС.
Теоретическое значение работы состоит в том, что она позволяет использовать средства специализированной вычислительной техники для количественного изучения вопросов о применимости в тех или иных случаях геометрического приближения в целях получения картины звуковых полей в морях, о действительной реализации таких явлений, как наличие каустических поверхностей, предсказываемых геометрической теорией, о применимости методики оценки полей с помощью конечного числа распространяющихся нормальных волн, об оценке проникновения поля в зону геометрической тени и др. С практической точки зрения разработка подобной методики позволяет создавать модели звуковых полей в море с различными сложными гидрологическими условиями. Разработанная методика позволяет подходить единообразно к различным случаям и вопросам распространения звука в слоисто - неоднородной модели моря, не меняя каждый раз в зависимости от конкретных условий способы построения решения задач и алгоритмы вычислений. Кроме того, алгоритмы, разработанные в настоящей диссертации, позволяют производить вычисления полей в тех случаях, когда не применимы другие методы вычислений (геометрическое приближение, метод нормальных волн и др.).
Созданные программные средства позволяют сократить время разработки рабочих и тестовых программ изготавливаемых специализированных вычислителей для систем ОГС.
Практическая ценность работы. Созданные алгоритмы и средства позволяют сократить время создания прикладных программ для систем ОГС, а также многократно сократить время переноса приложения на системы ОГС других архитектур и конфигураций.
Разработанная библиотека программ расчета звуковых полей позволяет унифицировать процесс разработки прикладных программ и обеспечить снижение экономических затрат на сопровождение и модернизацию приложений для систем ОГС.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации были использованы при выполнении в Научно-Исследовательском Институте Вычислительных Комплексов им.
М.А. Карцева (г. Москва) четырех опытно-конструкторских разработок (ОКР), направленных на создание опытных образцов ре-конфигурируемых специализированных вычислительных систем различных архитектур и конфигураций и программного обеспечения для обработки гидроакустических сигналов, в разделах соответствующих теме диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях, в том числе на семинарах «Математическое моделирование» кафедры Прикладной математики Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики, научно-технических конференциях Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики, научно-технических конференциях молодых специалистов НИИВК (Москва, 2008, 2009, 2011гг.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 6 печатных работ в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 175 страниц основного текста, 69 рисунков, список используемой литературы включает 91 наименование.
Похожие диссертации на Алгоритмы и программные средства расчета гидроакустических полей для специализированных вычислителей
