基于刀片服務(wù)器平臺的并行處理架構(gòu)及故障定位方法設(shè)計

王斯樂

（中國電子科技集團公司第十四研究所 江蘇省南京市 210013）

1 引言

雷達需要在復(fù)雜的干擾環(huán)境下完成目標探測、跟蹤、識別等作戰(zhàn)任務(wù)，是保障空軍全天候、全天時作戰(zhàn)不可或缺的信息化裝備。信息處理分系統(tǒng)作為雷達的重要組成部分，其主要功能是對接收數(shù)字采樣后的回波進行一系列雜波和干擾抑制處理后進行提取，以獲得目標和干擾/雜波的相關(guān)信息，并能夠在終端上顯示，同時實現(xiàn)對全機的工作方式進行控制，其工作性能直接影響到雷達的探測性能。信息處理分系統(tǒng)具有在強主/副瓣干擾、復(fù)雜雜波干擾的場景下完成高速高機動目標的檢測與信息提取，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)多目標搜索、資源調(diào)度、目標運動參數(shù)估算、雷達工作模式控制、系統(tǒng)修正等功能。

隨著作戰(zhàn)任務(wù)多樣化的發(fā)展，雷達面臨更加惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境和更加復(fù)雜的目標特性，為了應(yīng)對更加復(fù)雜的雷達系統(tǒng)要求，現(xiàn)代雷達信息處理機具有極高的運算速度及數(shù)據(jù)傳輸能力。某型遠程警戒雷達，主要用來完成對飛機等空中目標的搜索警戒，可提供大批量空中目標的方位、距離、高度、敵我屬性等綜合情報。其信息處理分系統(tǒng)根據(jù)工作方式，適應(yīng)不同的戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)要求，主要完成干擾抑制、脈沖壓縮、MTI（動目標檢測）、MTD（動目標顯示）、CFAR（恒虛警）、雜波圖、副瓣匿影、目標檢測與提取、視頻送顯、點航跡處理等功能。此外，還具備干擾分析、干擾定位、目標識別等功能。典型的信息處理分系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1：信息處理分系統(tǒng)功能框圖

2 并行處理架構(gòu)設(shè)計

為完成雷達系統(tǒng)高數(shù)據(jù)率的處理需求，信息處理分系統(tǒng)采用了基于刀片服務(wù)器的集群計算平臺，支持軟件化、可重構(gòu)的設(shè)計方法，結(jié)合由大規(guī)模FPGA芯片構(gòu)成的加速處理器，滿足雷達系統(tǒng)智能化處理所需的大運算量、高數(shù)據(jù)交換和靈活可重構(gòu)的處理需求。刀片服務(wù)器平臺包括電源刀片、計算刀片、交換刀片、接口刀片等，基于40Gbps高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成并行處理架構(gòu)，采用動態(tài)部署策略，各處理功能根據(jù)當(dāng)前工作方式的需要分配計算資源，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用，且硬件平臺采用開放式架構(gòu)，系統(tǒng)集成度高，系統(tǒng)維護性、擴展性好，支持實時重構(gòu)，升級方便。

計算刀片、交換刀片、接口刀片的架構(gòu)示意圖如圖2、圖3和圖4所示，其中，接口刀片主要負責(zé)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，計算刀片負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲與處理，交換刀片負責(zé)各模塊之間的網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)交換。

圖2：計算刀片架構(gòu)示意圖

圖3：交換刀片架構(gòu)示意圖

圖4：接口刀片架構(gòu)示意圖

圖5所示的是傳統(tǒng)的串行處理架構(gòu)示意圖，各處理模塊依次順序完成信息處理。其中，處理模塊1完成數(shù)據(jù)接收與分發(fā)，處理模塊2完成脈沖壓縮處理，處理模塊3完成MTI（動目標檢測）、MTD（動目標顯示）處理，處理模塊4完成CFAR（恒虛警）處理，處理模塊5完成雜波圖處理，處理模塊6完成目標檢測和提取處理，處理模塊7完成點/航跡處理和數(shù)據(jù)流向后端的分發(fā)。

圖5：串行處理架構(gòu)示意圖

相比于串行處理架構(gòu)，基于計算刀片、交換刀片、接口刀片的刀片服務(wù)器平臺采用了更加便捷可靠的并行處理架構(gòu)，其硬件架構(gòu)如圖6所示。其中，處理模塊1完成前端數(shù)據(jù)接收與分發(fā)，中間處理模塊2到處理模塊6并行處理，各處理模塊獨立完成脈沖壓縮、雜波抑制、MTI（動目標檢測）、MTD（動目標顯示）、CFAR（恒虛警）、雜波圖、目標檢測與提取等信息處理功能，處理模塊7完成并行處理架構(gòu)的數(shù)據(jù)匯總與點/航跡處理，并完成數(shù)據(jù)流向后端的分發(fā)。

圖6：并行處理架構(gòu)示意圖

在傳統(tǒng)的串行處理架構(gòu)中，處理模塊是一塊接著一塊順著流程完成信息處理的，一旦有一塊處理模塊出現(xiàn)故障而無法運行，就將導(dǎo)致整個信息處理分系統(tǒng)的無法運行，繼而影響整個雷達的工作。而在并行處理架構(gòu)中，中間的處理模塊2到處理模塊6完全獨立工作，互不影響，一旦有一塊處理模塊出現(xiàn)故障無法運行，也不會影響其他處理模塊的工作，同時，處理模塊1通過實時狀態(tài)查詢，也不會再往其發(fā)送數(shù)據(jù)，從而也不影響整個雷達的工作，從而大幅提高了信息處理分系統(tǒng)和整個雷達的穩(wěn)定性與可靠性。而且處理模塊1向后分發(fā)數(shù)據(jù)是依據(jù)處理模塊2到處理模塊6的模塊溫度、存儲空間、CPU及內(nèi)存使用率等實時動態(tài)狀態(tài)，根據(jù)需要分配計算資源，不會出現(xiàn)有的處理模塊長時間處理高運算量的大數(shù)據(jù)，有的處理模塊只處理小數(shù)據(jù)甚至不處理，從而實現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用。

3 雜波圖算法優(yōu)化設(shè)計

在并行處理架構(gòu)中，圖1中所示的大部分信息處理算法都與串行處理架構(gòu)中的一致，但是需要注意的是，雜波圖這一處理算法比較特殊，需要統(tǒng)計一段時間內(nèi)的雜波背景分布。而在并行處理架構(gòu)下，中間各塊處理模塊是獨立工作的，互不影響，如果每塊處理模塊只統(tǒng)計自己所處理的雜波背景分布，那么勢必會造成統(tǒng)計上的遺漏，從而對雜波中目標探測能力有所影響，所以必須要對雜波圖的算法進行一定的優(yōu)化處理。

地物雜波主要是來自起伏的地面、樹林、高大的建筑物和氣象云雨所造成的后向散射，現(xiàn)代軍用飛機等空中目標朝著小雷達截面積隱身方向發(fā)展，對于提高目標探測能力特別是雜波中目標探測能力非常重要，所以，形成雜波圖是解決問題的關(guān)鍵。

雜波圖是為了統(tǒng)計空間中的雜波背景分布，一般認為空間雜波背景是平穩(wěn)的。由于只有搜索方式有固定排布的波束指向和接收波門，這樣才能保證空間中某個探測區(qū)域內(nèi)能有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進行雜波圖統(tǒng)計。雜波圖統(tǒng)計對空間探測區(qū)域按波位、方位、距離段進行劃分，得到一個個雜波圖單元，對每個雜波圖單元內(nèi)時間維接收的數(shù)據(jù)進行迭代統(tǒng)計，得到雜波背景分布的均值和方差。

雜波圖區(qū)域劃分如圖7所示。

圖7：雜波圖區(qū)域劃分示意圖

雜波圖分為雜波圖更新和雜波圖檢測兩個過程，其中雜波圖更新按照一定的迭代規(guī)則生成雜波圖背景，完成對空間雜波單元的均值、方差進行迭代更新，并對當(dāng)前幅度歸一化，雜波圖檢測過程輸出雜波圖檢測信噪比。

根據(jù)雜波圖迭代得到的背景均值μ和標準差σ計算幅度歸一化后的結(jié)果，計算公式如下：

其中符號定義如下：

S：輸入信號幅度，單位dB；

t，t：統(tǒng)計時刻

μ(t)：雜波圖背景均值。

σ(t)：雜波圖背景方差

y：雜波圖幅度歸一化輸出。

，b：雜波圖歸一化系數(shù)。

根據(jù)該幅度歸一化公式的計算過程，我們發(fā)現(xiàn)只有穩(wěn)定連續(xù)的輸入數(shù)據(jù)來計算背景均值μ和標準差σ，才能進行雜波圖背景統(tǒng)計和歸一化輸出。因為并行處理架構(gòu)中的各塊處理模塊是獨立工作的，互不影響，所以若想在并行處理架構(gòu)中增加雜波圖處理，就必須做好雜波背景分布的統(tǒng)計工作。

為了解決這一問題，就需要每塊處理模塊在處理時，將計算好的雜波圖背景均值μ和標準差σ統(tǒng)一存儲到某一共享內(nèi)存空間中，在雜波更新時再從該共享內(nèi)存中讀取背景均值μ和標準差σ，從而保證不會因為并行處理而丟失某一時間的雜波圖背景來影響雜波圖的統(tǒng)計和歸一化輸出，繼而影響信息處理分系統(tǒng)的雜波中目標探測能力。

4 故障快速定位方法

作為雷達的核心系統(tǒng)，信息處理機自身的工作性能及故障診斷能力顯得尤為重要，為了保證雷達信息處理機的穩(wěn)定工作，一般在進行系統(tǒng)常規(guī)維護時，要遵守四條準則：

（1）雷達系統(tǒng)良好的維護和保養(yǎng)是使系統(tǒng)充分發(fā)揮性能，降低年維護費用，提高系統(tǒng)可靠性的有效保障。

（2）雷達的維護為了將雷達的故障降低到最低程度，提高雷達的快速反應(yīng)能力。

（3）雷達的維護分為日維護、周維護、月維護、季維護、年維護。

（4）雷達的維護保養(yǎng)必須嚴格按說明書規(guī)定的方法和步驟操作進行。

在嚴格的準則之后，基本的維護方法主要包含以下四種：

（1）感觸觀察法。

“看”—主要是觀察雷達各種工作指示燈、故障指示燈及BIT狀態(tài)是否正常。

“聞”—是否發(fā)出特殊的氣味，如焦糊味等。

“聽”— 主要是指雷達工作期間，是否有“辟叭”的打火聲。

“摸”—主要是察看各連接電纜、緊固件是否松動；插件是否過熱等。

（2）清潔法。利用清潔劑清除分機內(nèi)部或外部的灰塵及污垢。

（3）緊固法。對雷達的各種連接電纜、緊固件進行檢查加固。

（4）烘干去潮法。采用烘干和通風(fēng)的辦法使雷達設(shè)備保持干燥，防止潮氣的侵蝕與破壞。

以上各方法中，感觸觀察法是最直觀的方法，對保障人員來說比較容易操作和快速定位排故，從而節(jié)省排故時間以保障雷達快速恢復(fù)正常工作。所以，我們設(shè)計了一種基于刀片服務(wù)器平臺，利用觀察各處理模塊指示燈狀態(tài)的故障快速定位排除方法，該快速故障定位排除方法基于保障人員熟悉信息處理數(shù)據(jù)流框圖和各個處理模塊正常工作時的面板指示燈狀態(tài)。

為了方便雷達保障人員對刀片服務(wù)器平臺的故障進行快速定位，電源刀片、計算刀片、交換刀片、接口刀片等各個處理模塊的面板指示燈在設(shè)計過程中，都會隨著刀片服務(wù)器平臺的開機加電和運行過程中數(shù)據(jù)流的接收、處理、發(fā)送來不斷閃爍和熄滅，來幫助雷達保障人員實時關(guān)注刀片服務(wù)器平臺的運行狀態(tài)。典型的刀片服務(wù)器平臺的處理模塊面板指示燈狀態(tài)如圖8所示。

圖8：各個處理模塊面板指示燈狀態(tài)

需要注意的是，當(dāng)信息處理分系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，除了信息處理分系統(tǒng)自身故障外，若前端控制指令不正常、硬件接口或者光纜故障也會導(dǎo)致信息處理分系統(tǒng)死機或目標檢測不正常，故對信息處理分系統(tǒng)進行故障分析時，必須首先判斷是上述問題導(dǎo)致的信息處理分系統(tǒng)故障還是信息處理分系統(tǒng)本身發(fā)生故障。

在雷達工作過程中，當(dāng)確定為信息處理分系統(tǒng)故障時，應(yīng)按如下步驟進行故障檢查、定位和維修：

（1）通過雷達信息處理BIT和雷達工作狀態(tài)等判斷信息處理分系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障；

（2）確認信息處理分系統(tǒng)的前端工作狀態(tài)是否正常；

（3）刀片服務(wù)器平臺斷電約5秒后加電；

（4）約10秒后觀察各處理模塊的指示燈1和2，亮說明供電正常，一個或者兩個暗，說明供電不正常，需排查供電情況；

（5）約2分鐘后，交換刀片指示燈1、3、5、6、7、8是否常亮，亮，說明交換刀片正常，任何一個不亮，說明交換刀片故障，需更換備件；

（6）觀察所有處理模塊的指示燈3，閃爍說明本處理模塊的操作系統(tǒng)啟動正常，不閃爍，說明本處理模塊運行故障，需更換備件；

（7）約3分鐘后，觀察處理模塊1的指示燈5、6、7和8是否同時閃爍，閃爍說明前端輸入正常，不閃爍，說明前端數(shù)據(jù)異?；蛘咛幚砟K1的工作不正常，需進一步排查前端輸入和處理模塊1的工作狀態(tài)；

（8）觀察處理模塊2到處理模塊6的指示燈5、6、7和8是否同時閃爍，閃爍，說明各處理模塊工作正常，不閃爍，說明相應(yīng)處理模塊工作不正常，需進一步排查相應(yīng)處理模塊的工作狀態(tài)；

（9）觀察處理模塊7的指示燈5、6、7和8是否同時閃爍，閃爍，說明處理模塊7工作正常，不閃爍，說明處理模塊7工作不正常，需進一步排查處理模塊7的工作狀態(tài)。

刀片服務(wù)器平臺的故障分析流程圖如圖9所示。

圖9：刀片服務(wù)器平臺故障分析流程圖

因為刀片服務(wù)器平臺采用了并行處理架構(gòu)，所以一般情況下，處理模塊2到處理模塊6若出現(xiàn)故障，并不會影響整個信息處理分系統(tǒng)的工作。但是，雷達保障人員仍要密切關(guān)注雷達的BIT信息和各處理模塊的指示燈閃爍狀態(tài)，及時更換有問題的故障模塊，避免雷達“帶病工作”，影響雷達的使用壽命。

另外，各處理模塊指示燈的閃爍和熄滅，后續(xù)還可以根據(jù)雷達設(shè)計師和保障人員的實際需求，不斷優(yōu)化和調(diào)整，從而更好的反應(yīng)刀片服務(wù)器平臺的工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文基于某型采用刀片服務(wù)器平臺的雷達信息處理機，首先介紹了其硬件組成和原理框圖，接著相比于傳統(tǒng)的串行處理架構(gòu)，設(shè)計了一種新的并行處理架構(gòu)，并對并行處理架構(gòu)下的雜波圖算法進行了優(yōu)化設(shè)計，然后介紹了一種利用處理模塊指示燈狀態(tài)的快速排故方法。

基于刀片服務(wù)器平臺的并行處理架構(gòu)，系統(tǒng)集成度高，系統(tǒng)維護性、擴展性好，支持實時重構(gòu)，升級方便，可以實現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用，并大幅提高信息處理機和整個雷達的穩(wěn)定性與可靠性。

在利用處理模塊指示燈狀態(tài)的快速故障排除過程中，維護維修人員需嚴格按照說明書規(guī)定的方法和步驟操作，并嚴格遵守雷達操作安全規(guī)定。維護維修人員應(yīng)經(jīng)過嚴格的專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練，熟悉設(shè)備工作原理和技術(shù)參數(shù)，并且不斷深入學(xué)習(xí)相應(yīng)維修方法，保障系統(tǒng)穩(wěn)定高效工作，最后一定能保障雷達正常工作。

最后，該并行處理架構(gòu)和利用指示燈快速排故的方法也可以推廣到所有采用類似刀片服務(wù)器平臺的產(chǎn)品中去，為類似產(chǎn)品提供了良好的架構(gòu)設(shè)計，故障定位模板和排故經(jīng)驗。