專利名稱：天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法，尤其是一種利用多核計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理雷 達(dá)掃描數(shù)據(jù)的方法，具體地說是一種天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，計(jì)算機(jī)CPU在單核心的的頻率達(dá)到近乎極限以后，CPU進(jìn)入多核時(shí)代。 所謂的多核是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或者多個(gè)完整的計(jì)算引擎。多核編程，很重要的一點(diǎn)就是要將多個(gè)CPU核同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，提高CPU的利用率， 也就是要提高多核CPU的加速比系數(shù)。但是并不是任何時(shí)候都可以同時(shí)將多個(gè)核運(yùn)轉(zhuǎn)起來，比如一些不能并行化執(zhí)行 的代碼，特別是使用了鎖的代碼，它的執(zhí)行是串行化的，無法同時(shí)利用多個(gè)核，還有負(fù)載平 衡問題，多個(gè)任務(wù)無法劃分得很均勻，導(dǎo)致實(shí)際情況中有些任務(wù)先運(yùn)行完，有些任務(wù)后運(yùn)行 完，先運(yùn)行完的CPU核就處于空閑狀態(tài)。多核計(jì)算的運(yùn)用場(chǎng)合是針對(duì)大量數(shù)據(jù)并需要針對(duì)大量的數(shù)據(jù)需要復(fù)雜的計(jì)算的 情況，在數(shù)據(jù)量很大且對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算量很大的氣象領(lǐng)域極為適用。在中尺度氣象領(lǐng)域，由于中尺度現(xiàn)象無論在空間上還是在時(shí)間上的分辨率都很 高，要求業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)模式或者數(shù)值研究模式在空間上和時(shí)間上的分辨率盡量高，模式運(yùn) 行的時(shí)間盡量短。因此對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度要求很高，多核并行計(jì)算是一條很好的解決方 案。新一代天氣雷達(dá)具有很高的時(shí)間和空間分辨率，尤其雙線偏振雷達(dá)，所能探測(cè)到 的數(shù)據(jù)量數(shù)倍于常規(guī)的多普勒雷達(dá)，對(duì)超大規(guī)模的天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算的復(fù)雜程度 比較大，計(jì)算的時(shí)間開銷顯著。因此，對(duì)于這種大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理就顯得十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程中由于待處理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)， 造成各CPU核運(yùn)行的忙閑不均，時(shí)間開銷大的問題，發(fā)明一種先將雷達(dá)數(shù)據(jù)格點(diǎn)化成互不 相關(guān)的數(shù)據(jù)送入各自的CPU核獨(dú)立運(yùn)行，最后進(jìn)行合成得到所需相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá) 數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法，其特征是它包括以下步驟首先，將探測(cè)到的天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)用球面坐標(biāo)系進(jìn)行存儲(chǔ)；其次，將存儲(chǔ)的球面坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行格點(diǎn)化處理，也就是把球面坐標(biāo)系下的空間 分辨率不均勻的雷達(dá)數(shù)據(jù)插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標(biāo)下形成空間分辨率均勻的互不相關(guān)的 網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)；第三，利用OPENMP程序?qū)⒌玫降木W(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)在各自線程的控制下進(jìn)入對(duì)應(yīng)的CPU 核中運(yùn)行即可得到相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)；
最后，將各CPU核計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行合成即可得到所需的氣象數(shù)據(jù)。對(duì)球面坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行格點(diǎn)化時(shí)，首先利用笛卡爾坐標(biāo)系下的網(wǎng)格點(diǎn)的高度、格 點(diǎn)位置計(jì)算出球坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)仰角、方位和斜距，然后根據(jù)計(jì)算出的仰角、方位、斜距在雷 達(dá)球坐標(biāo)系中的位置，利用內(nèi)插方法給出該網(wǎng)格點(diǎn)的賦值，得到該網(wǎng)格點(diǎn)上的分析值；然后 將球坐標(biāo)系下的雷達(dá)數(shù)據(jù)插值到笛卡爾坐標(biāo)系下的細(xì)網(wǎng)格上時(shí)，用徑向和方位上的最近鄰 居發(fā)和垂直線性內(nèi)插法(nearest neighbor on range-azimuth planes combined with a linearinterpolation in vertieal direction，簡(jiǎn)稱NVI)方法即可得到空間連續(xù)的格點(diǎn) 數(shù)據(jù)。所述的NVI方法是設(shè)定(r，a, e)是某一網(wǎng)格點(diǎn)在雷達(dá)球坐標(biāo)系中的位置，r為 斜距，a為方位角，e為仰角。e位于其上下相鄰仰角el和e2之間。(r，a, θι)和(r，a, e2) 分別是經(jīng)過該網(wǎng)格點(diǎn)的垂線(仰角低于20°時(shí)，垂直方向可用仰角方向近似)與其上下仰 角波束軸線的交點(diǎn)，那么該網(wǎng)格點(diǎn)的分析值產(chǎn)&，⑴?？梢杂眠@兩點(diǎn)的分析fa(r，a，ei)和 fa(r, a, e2)進(jìn)行垂直線性內(nèi)插得到，即fa(r, a, e》=[welfa(r, a, ei)+we2fa(r, a, e2) ] · (wel+we2)其中wel和we2為內(nèi)插權(quán)重wel = (e2_e) / Cei^e1)we2 = (e-e》/ (e^e^fa(r, a, θι)和fa(r，a, e2)為最靠近點(diǎn)(r，a, θι)和(r，a, e2)的雷達(dá)距離庫的觀 測(cè)值，它們的獲取使用了徑向和方位上的最近鄰居法。IV1, ri; ri+1為相鄰距離庫，a^, ai; ai+1為相鄰方位角，由雷達(dá)掃描時(shí)半功率線和半功率庫所圍成的梯形區(qū)是距離庫A的影響 區(qū)，在徑向、方位方向上落在這個(gè)梯形區(qū)域的點(diǎn)(r，a)得分析值產(chǎn)0·，a)都用距離庫巧的 觀測(cè)值f° (I^ai)來賦值，即fa(r，a) = fO^ai)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過共享內(nèi)存并行OpenMP多核并行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天氣雷達(dá)回波的單雷 達(dá)二次格點(diǎn)產(chǎn)品和多雷達(dá)拼圖格點(diǎn)產(chǎn)品計(jì)算和生成，并通過對(duì)本算法模塊的獨(dú)立封裝，具 有極強(qiáng)的可移植性和擴(kuò)展性。進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)格點(diǎn)化計(jì)算的時(shí)候，在初始化后每一個(gè)仰角上的計(jì)算量比較小， OpenMP自身的調(diào)度會(huì)消耗一定的時(shí)間，所以在對(duì)每個(gè)仰角進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，由于計(jì)算量小， 使用OpenMP的優(yōu)勢(shì)并不明顯，有時(shí)候甚至由于調(diào)度和CPU被其他進(jìn)程占用的原因，導(dǎo)致并 行化后的效率不升反降，例如第6個(gè)仰角和第8個(gè)仰角，如表1所示。而初始化的時(shí)候，數(shù) 據(jù)的計(jì)算量約是九個(gè)仰角計(jì)算量的和，并行化調(diào)度的時(shí)間占用整個(gè)計(jì)算過程的時(shí)間的比重 很小，此時(shí)，OpenMP在雙核CPU上的計(jì)算優(yōu)勢(shì)則凸現(xiàn)了出來。表IOpenMP并行化算法與常規(guī)算法的對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法，其特征是它包括以下步驟 首先，將探測(cè)到的天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)用球面坐標(biāo)系進(jìn)行存儲(chǔ)；其次，將存儲(chǔ)的球面坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行格點(diǎn)化處理，也就是把球面坐標(biāo)系下的空間分辨 率不均勻的雷達(dá)數(shù)據(jù)插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標(biāo)下形成空間分辨率均勻的互不相關(guān)的網(wǎng)格 點(diǎn)數(shù)據(jù)；第三，利用OPENMP程序?qū)⒌玫降木W(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)在各自線程的控制下進(jìn)入對(duì)應(yīng)的CPU核中 運(yùn)行即可得到相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)；最后，將各CPU核計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行合成即可得到所需的氣象數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法，其特征是對(duì)球面坐標(biāo)系 數(shù)據(jù)進(jìn)行格點(diǎn)化時(shí)，首先利用笛卡爾坐標(biāo)系下的網(wǎng)格點(diǎn)的高度、格點(diǎn)位置計(jì)算出球坐標(biāo)系 中對(duì)應(yīng)仰角、方位和斜距，然后根據(jù)計(jì)算出的仰角、方位、斜距在雷達(dá)球坐標(biāo)系中的位置，利 用內(nèi)插方法給出該網(wǎng)格點(diǎn)的賦值，得到該網(wǎng)格點(diǎn)上的分析值；然后將球坐標(biāo)系下的雷達(dá)數(shù) 據(jù)插值到笛卡爾坐標(biāo)系下的細(xì)網(wǎng)格上時(shí)，用NVI方法即可得到空間連續(xù)的格點(diǎn)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法，其特征是所述的NVI方 法是設(shè)定(r，a，e)是某一網(wǎng)格點(diǎn)在雷達(dá)球坐標(biāo)系中的位置，r為斜距，a為方位角，e為仰 角。e位于其上下相鄰仰角el和e2之間。(r，a, θι)和(r，a, e2)分別是經(jīng)過該網(wǎng)格點(diǎn)的 垂線(仰角低于20°時(shí)，垂直方向可用仰角方向近似)與其上下仰角波束軸線的交點(diǎn)，那么 該網(wǎng)格點(diǎn)的分析值fa(r，a, e)可以用這兩點(diǎn)的分析fa(r，a, θι)和fa(r，a, e2)進(jìn)行垂直線 性內(nèi)插得到，即fa(r, a, e^ = [welfa(r, a, e^+w^f^r, a, e2) ] · (wel+we2) 其中和we2為內(nèi)插權(quán)重 wel = (e2_e) / ^e2-G1) we2 = (e-eD/^-e》fa(r, a, θι)和fa(r，a, e2)為最靠近點(diǎn)(r，a, θι)和(r，a, e2)的雷達(dá)距離庫的觀測(cè)值， 它們的獲取使用了徑向和方位上的最近鄰居法。IV1，ri; ri+1為相鄰距離庫，a^, ai; ai+1為 相鄰方位角，由雷達(dá)掃描時(shí)半功率線和半功率庫所圍成的梯形區(qū)是距離庫A的影響區(qū)，在 徑向、方位方向上落在這個(gè)梯形區(qū)域的點(diǎn)(r，a)得分析值產(chǎn)(1·，。都用距離庫A的觀測(cè)值 F(I^ai)來賦值，即fa(r, a) = fO^ai)。
全文摘要
一種天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的多核并行計(jì)算方法，其特征是它包括以下步驟首先，將探測(cè)到的天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)用球面坐標(biāo)系進(jìn)行存儲(chǔ)；其次，將存儲(chǔ)的球面坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行格點(diǎn)化處理，也就是把球面坐標(biāo)系下的空間分辨率不均勻的雷達(dá)數(shù)據(jù)插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標(biāo)下形成空間分辨率均勻的互不相關(guān)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)；第三，利用OPENMP程序?qū)⒌玫降木W(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)在各自線程的控制下進(jìn)入對(duì)應(yīng)的CPU核中運(yùn)行即可得到相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)；最后，將各CPU核計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行合成即可得到所需的氣象數(shù)據(jù)。本發(fā)明的多核并行技術(shù)可使CPU的最大使用率達(dá)到97％，充分使用了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。提高氣象數(shù)據(jù)計(jì)算分析的實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)G06F15/16GK102117227SQ20111005546
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者孫文正 申請(qǐng)人:南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司