軟件化雷達(dá)波形庫技術(shù)研究

喬 凱 蔡興雨 董 國 王 旭

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

近年來，雷達(dá)系統(tǒng)所處的作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜，面臨的電磁干擾及雜波愈加多樣，這對雷達(dá)性能提出了更高的要求。同時，雷達(dá)需要滿足多任務(wù)的探測需求、多模式的功能需求，這要求雷達(dá)系統(tǒng)要有更高的靈活性。傳統(tǒng)雷達(dá)通常都是以硬件為核心，面向?qū)嶋H需求并圍繞實(shí)際功能來設(shè)計(jì)硬件，改變雷達(dá)功能時通常需要對硬件軟件都進(jìn)行更改，需要耗費(fèi)大量人力物力。顯然，以硬件為核心的傳統(tǒng)雷達(dá)不能滿足高靈活性、開放性的特點(diǎn)，雷達(dá)性能也會大幅受到硬件的約束。隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)硬件水平也得到大幅提升，雷達(dá)逐漸向軟件化雷達(dá)的方向發(fā)展。

軟件化雷達(dá)具有多功能、可重構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，因此，在雷達(dá)正常工作時，需要根據(jù)需求選擇不同的控制參數(shù)來執(zhí)行不同的探測任務(wù)，而提前建立好控制參數(shù)以供雷達(dá)選擇可以提升雷達(dá)的靈活性與可重構(gòu)性。波形庫即是雷達(dá)不同探測模式下的不同控制參數(shù)的集合，以特定的存儲方式存儲于雷達(dá)的軟件系統(tǒng)中。雷達(dá)在工作時則可以根據(jù)任務(wù)和周圍環(huán)境信息，從雷達(dá)波形庫中選擇不同的波形參數(shù)，進(jìn)而通過軟件系統(tǒng)對雷達(dá)硬件進(jìn)行控制，執(zhí)行不同的探測任務(wù)。

1 軟件化雷達(dá)

1.1 軟件化雷達(dá)架構(gòu)

軟件化雷達(dá)是在通用的硬件平臺基礎(chǔ)上，通過對軟件的開發(fā)來實(shí)現(xiàn)不同的功能，其架構(gòu)如圖1所示，雷達(dá)由物理層、中間層和軟件層構(gòu)成，軟件層通過中間層的設(shè)備和操作系統(tǒng)來對物理層中的底層硬件進(jìn)行控制[1]。

圖1 軟件化雷達(dá)分層架構(gòu)

物理層為雷達(dá)的通用化硬件，包括雷達(dá)數(shù)字化射頻前端、通用處理計(jì)算刀片、顯控設(shè)備等，可以響應(yīng)軟件對其發(fā)出的控制指令；中間層為雷達(dá)的各種標(biāo)準(zhǔn)化中間設(shè)備，包括操作系統(tǒng)、軟硬件中間接口、驅(qū)動設(shè)備等，可為雷達(dá)軟件與硬件的解耦提供平臺；軟件層為雷達(dá)的一系列控制軟件，由不同的軟件構(gòu)件組成，包括終端顯控軟件、信息處理軟件等，負(fù)責(zé)完成雷達(dá)控制和基本軟件功能。

1.2 軟件化雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)雷達(dá)，軟件化雷達(dá)更加強(qiáng)調(diào)對于軟件的開發(fā)，通過對軟件的更新迭代來實(shí)現(xiàn)不同的功能，主要有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1)可重構(gòu)性強(qiáng)。雷達(dá)可以重復(fù)利用雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)的同一硬件資源，根據(jù)不同的功能和模式需求，改變自身的軟件架構(gòu)來適配不同的功能。

2)靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)。可通過對軟件進(jìn)行重構(gòu)和升級來改變和拓展功能，提高系統(tǒng)性能，更快適應(yīng)不同戰(zhàn)場環(huán)境。

3)多功能性。雷達(dá)系統(tǒng)可通過修改軟件來實(shí)現(xiàn)不同功能，加強(qiáng)系統(tǒng)的集成性，提升雷達(dá)的戰(zhàn)斗力。

4)開發(fā)成本低。開發(fā)一新功能不需要重新對硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需對軟件進(jìn)行重新開發(fā)，可節(jié)省大量人力物力財(cái)力。

由軟件化雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)可知，其各個硬件設(shè)備需要做到可受軟件控制。而波形庫可為雷達(dá)提供一系列的控制參數(shù)并供雷達(dá)自由調(diào)度，能夠很好地滿足軟件化雷達(dá)的功能需求，因此，在軟件化雷達(dá)中有必要對波形庫進(jìn)行開發(fā)，使用波形庫。

2 波形庫技術(shù)

2.1 波形庫系統(tǒng)概述

不同于傳統(tǒng)雷達(dá)波形庫的概念，本文中所闡述的軟件化雷達(dá)波形庫為雷達(dá)不同控制參數(shù)的集合，以特定的架構(gòu)、存儲方式存儲于雷達(dá)的軟件系統(tǒng)中。而且整個波形庫系統(tǒng)不單單只作為雷達(dá)波形存儲載體，還應(yīng)當(dāng)具有生成雷達(dá)波形、修改波形、查找波形、更新波形等基本功能。所以，在雷達(dá)開發(fā)過程中波形庫技術(shù)總的來說應(yīng)當(dāng)包括如下兩個方面：

1)波形庫的生成構(gòu)建;

2)波形庫的維護(hù)。

圖2 波形庫技術(shù)組成

波形庫的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)確立波形庫的架構(gòu)、參數(shù)等，此時應(yīng)當(dāng)建立起波形庫的初步系統(tǒng)；波形庫的維護(hù)主要為波形庫的后期開發(fā)工作，應(yīng)當(dāng)包括增加和刪除波形，查找雷達(dá)波形，批量更新波形等操作。

波形庫系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)當(dāng)貫徹軟件化的開發(fā)思想，從需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)維護(hù)等方面著手，緊密結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)過程，做到波形庫與雷達(dá)系統(tǒng)的高度適配，滿足軟件化雷達(dá)對可重構(gòu)、多功能的要求。因此，軟件化雷達(dá)波形庫有以下幾個特點(diǎn)：

1)高度適配雷達(dá)系統(tǒng);

2)緊密圍繞雷達(dá)需求;

3)軟件化開發(fā)思想;

4)靈活性高;

5)可持續(xù)性開發(fā)。

2.2 軟件化雷達(dá)工作方式

軟件化雷達(dá)中的工作方式如圖3所示，基于構(gòu)件化的軟件化雷達(dá)思想，雷達(dá)各部分由一系列構(gòu)件系統(tǒng)組成[2]。雷達(dá)正常工作時，用戶首先通過顯控終端的人機(jī)交互系統(tǒng)，選擇雷達(dá)工作的方式，之后控制系統(tǒng)將指令發(fā)送給中心控制機(jī)；中心控制機(jī)收到終端的指令后，選擇出最匹配的子任務(wù)波形參數(shù)并調(diào)度，并將控制指令發(fā)送與信息處理機(jī)；信息處理機(jī)再根據(jù)控制參數(shù)從波形庫中選擇出相對應(yīng)的一系列波形參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后發(fā)于雷達(dá)前端，前端執(zhí)行相關(guān)發(fā)射任務(wù)，雷達(dá)完成一系列的發(fā)射。

圖3 軟件化雷達(dá)工作方式

接收時，雷達(dá)射頻前端從空間中接收到回波及雜波信息，經(jīng)過雷達(dá)處理機(jī)進(jìn)行信息處理送至雷達(dá)中心控制計(jì)算機(jī)與顯控終端；控制計(jì)算機(jī)接收到包含回波和周圍環(huán)境信息的處理信息包，根據(jù)處理信息選擇出需要執(zhí)行的下一個雷達(dá)子任務(wù)，并調(diào)度發(fā)送控制指令，執(zhí)行下一輪發(fā)射控制；顯控終端接收到經(jīng)信息處理機(jī)處理后的信息包后，經(jīng)過解析，將目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡等顯示于顯示系統(tǒng)中，供用戶查看。

波形庫存于雷達(dá)中心控制計(jì)算機(jī)與雷達(dá)信息處理軟件系統(tǒng)中，在雷達(dá)需要擴(kuò)充新的功能完成新的探測任務(wù)時，只需要從波形庫中由不同波形組合出新的子任務(wù)或者擴(kuò)充波形庫，中心控制機(jī)對其重新調(diào)度即可；當(dāng)需要修改雷達(dá)控制參數(shù)，也只需要修改波形庫中的波形參數(shù)，中心控制機(jī)正常調(diào)度，而不需要修改信息處理、終端顯控的軟硬件程序。因此，波形庫在軟件化雷達(dá)中的意義如下：

1)對雷達(dá)控制參數(shù)進(jìn)行集成，便于雷達(dá)控制與后期升級維護(hù)。

2)進(jìn)一步推動雷達(dá)的軟件化與智能化發(fā)展。雷達(dá)可建立一系列算法準(zhǔn)則，通過軟件在不同情形下自動調(diào)用波形庫中的不同波形，進(jìn)行不同模式不同參數(shù)下的探測，實(shí)現(xiàn)智能化。

3)增強(qiáng)雷達(dá)的可重構(gòu)能力。主要體現(xiàn)在雷達(dá)軟件可重構(gòu)，波形庫中的波形可以進(jìn)行復(fù)用，組成雷達(dá)不同的子任務(wù)控制參數(shù)，對雷達(dá)進(jìn)行新的控制，完成不同的子任務(wù)。

4)提升雷達(dá)靈活性。僅通過改變波形庫中波形的參數(shù)，對波形進(jìn)行重新組合，雷達(dá)中心控制機(jī)進(jìn)行重新調(diào)用，就可快速切換雷達(dá)的功能；添加新的波形并組合新的雷達(dá)子任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)新功能，大幅提升雷達(dá)的靈活性[3]。

3 波形庫的開發(fā)

3.1 波形庫開發(fā)概述

波形庫的開發(fā)與整個雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)為兩個并行的過程，如圖4所示。對波形庫系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)當(dāng)在雷達(dá)進(jìn)行需求分析時就應(yīng)當(dāng)開始考慮，并貫穿整個雷達(dá)開發(fā)過程的始終。在雷達(dá)開發(fā)的過程中，獲取波形庫的開發(fā)需求，需要從雷達(dá)架構(gòu)和軟件硬件環(huán)境的基礎(chǔ)上確立；在對雷達(dá)的開發(fā)與調(diào)試過程中，難免需要對雷達(dá)的功能和需求進(jìn)行修改，因此不可避免地也要對波形庫進(jìn)行持續(xù)的開發(fā)和維護(hù)。

圖4 波形庫開發(fā)過程

不同雷達(dá)的需求、體制、架構(gòu)都由差異，因此，要根據(jù)不同雷達(dá)設(shè)計(jì)不同的波形庫[4]。對于波形庫的設(shè)計(jì)過程，可類似于軟件設(shè)計(jì)過程，再結(jié)合雷達(dá)自身需求，根據(jù)雷達(dá)設(shè)計(jì)的各個階段同步進(jìn)行設(shè)計(jì)。大致可分為需求分析、架構(gòu)確立、參數(shù)確立、構(gòu)建、維護(hù)這五個步驟，具體流程為：

1)需求分析。對波形庫的需求分析過程建立在雷達(dá)系統(tǒng)的需求之上，在建立波形庫前期，需要對此波形庫針對的雷達(dá)進(jìn)行全方位的分析，確定雷達(dá)的需求，由雷達(dá)的需求來確立波形庫在此雷達(dá)中需要完成什么樣的任務(wù)，以確定波形庫的需求。

2)架構(gòu)設(shè)計(jì)。在對波形庫進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時，也應(yīng)當(dāng)結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)的硬件及軟件，對波形庫所處的雷達(dá)環(huán)境進(jìn)行適配，保證架構(gòu)合理，能夠在雷達(dá)系統(tǒng)中正常工作，滿足系統(tǒng)要求。

3)參數(shù)確立。波形庫中的參數(shù)類型、參數(shù)數(shù)值的確立也需要緊密結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)。在雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行完軟件及硬件設(shè)計(jì)后，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的指標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)可控制的參數(shù)進(jìn)行波形庫參數(shù)的選擇和確立[5]。

4)波形庫建立。在架構(gòu)及參數(shù)確立后，需要結(jié)合雷達(dá)的軟件系統(tǒng)，選擇波形庫的存儲方式，對波形庫進(jìn)行構(gòu)建。構(gòu)建起來的波形庫需要做到可被雷達(dá)調(diào)用，能生成雷達(dá)可用的控制指令。

5)波形庫維護(hù)。雷達(dá)系統(tǒng)需要進(jìn)行不斷的調(diào)試與完善，因此波形庫也需要根據(jù)雷達(dá)的變化來不斷進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整，包括參數(shù)的改變、波形的添加與修改、庫的更新等操作，波形庫系統(tǒng)都應(yīng)該具備。

在對波形庫進(jìn)行開發(fā)的過程中，需要時刻緊密結(jié)合整個雷達(dá)系統(tǒng)，根據(jù)開發(fā)所處的環(huán)境進(jìn)行針對設(shè)計(jì)。波形庫的架構(gòu)需滿足雷達(dá)軟件系統(tǒng)的調(diào)用需求，波形庫的參數(shù)需根據(jù)雷達(dá)的傳輸協(xié)議來進(jìn)行詳細(xì)制定，波形庫參數(shù)的具體數(shù)值需根據(jù)雷達(dá)各性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，滿足雷達(dá)需求[6]。

3.2 波形庫架構(gòu)設(shè)計(jì)

波形庫可采用分層的體系架構(gòu)，如圖5所示。最頂層為波形庫整個系統(tǒng)，它可包含一個或多個雷達(dá)的波形參數(shù)，部署于不同的雷達(dá)中，不同的雷達(dá)可根據(jù)其自身需求合理調(diào)用其需要的波形；雷達(dá)層為實(shí)際工作中不同的雷達(dá)，每部雷達(dá)中都存儲有波形庫，其中包含有其需要的波形參數(shù)；子任務(wù)層為雷達(dá)在正常工作時所需要執(zhí)行的不同子任務(wù)，對于不同雷達(dá)有不同的子任務(wù)，與雷達(dá)的需求和功能相關(guān)[7]；波形層為波形庫的最底層，由一系列雷達(dá)參數(shù)構(gòu)成，根據(jù)雷達(dá)需要控制的參數(shù)來制定。

圖5 波形庫架構(gòu)

波形可以自由進(jìn)行組合組成不同的子任務(wù)，不同子任務(wù)也可進(jìn)行任意組合組成不同雷達(dá)的不同參數(shù)。在正常工作時，雷達(dá)首先從波形庫中找出屬于自己的波形集，之后再根據(jù)任務(wù)和環(huán)境信息，選擇出適合需求的子任務(wù)，之后調(diào)用子任務(wù)集合，并執(zhí)行相應(yīng)的波形參數(shù)控制。

3.3 波形庫參數(shù)設(shè)計(jì)

對于波形參數(shù)的設(shè)計(jì)，需要充分考慮雷達(dá)的硬件與軟件的總體設(shè)計(jì)，考慮波形參數(shù)在雷達(dá)中是否可做到可控，是否需要對這些參數(shù)進(jìn)行控制。雷達(dá)的波形參數(shù)可分為時域參數(shù)、頻域參數(shù)和空域參數(shù)三大類,如圖6所示。

圖6 波形參數(shù)結(jié)構(gòu)圖

雷達(dá)波形參數(shù)可分為時域參數(shù)、頻域參數(shù)和空域參數(shù)，分別可對雷達(dá)天線、雷達(dá)前端等進(jìn)行控制，可滿足雷達(dá)工作時的控制需求。

4 結(jié)束語

隨著軟件化雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展，對于波形庫的設(shè)計(jì)與構(gòu)建方法的研究也顯得愈發(fā)重要起來。對于波形庫的開發(fā)，也是雷達(dá)“軟實(shí)力”的體現(xiàn)，對于提升雷達(dá)的可重構(gòu)性、靈活性有很大意義。本文對軟件化雷達(dá)的架構(gòu)及波形庫的構(gòu)建方法進(jìn)行詳細(xì)描述，并對波形庫的架構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對后續(xù)波形庫的進(jìn)一步開發(fā)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。