軟件化雷達(dá)技術(shù)發(fā)展思考與展望

湯俊 岑宗駿

（清華大學(xué)，電子工程系，北京 100084）

1 引言

隨著隱身飛機(jī)、無人機(jī)、高超聲速武器等重要軍事威脅目標(biāo)的快速發(fā)展，現(xiàn)在戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)樣式愈趨復(fù)雜，并不斷對雷達(dá)技術(shù)提出了更高的要求?，F(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展有兩個重要的特點(diǎn)：

特點(diǎn)一：發(fā)展速度加快，新威脅不斷出現(xiàn)。

（1）目標(biāo)更新快：近年來戰(zhàn)爭中無人機(jī)及集群的大量應(yīng)用，高超聲速目標(biāo)、超隱身等重要目標(biāo)的發(fā)展速度之快已經(jīng)讓人們意識到低小慢、高快動以及未來潛在威脅目標(biāo)的切實(shí)挑戰(zhàn)已經(jīng)迫在眉睫。

（2）技術(shù)更新快：雷達(dá)軟硬件技術(shù)高速發(fā)展，氮化鎵等器件在前端的應(yīng)用、國產(chǎn)化處理器/操作系統(tǒng)等在信息處理系統(tǒng)中的更新?lián)Q代速度已經(jīng)加快，如國產(chǎn)DSP/CPU 處理器更新?lián)Q代的速度基本在2～3年左右的時間。在信息處理技術(shù)方面，多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)、認(rèn)知雷達(dá)、智能化深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)和新算法也在不斷推陳出新，有大量的算法和技術(shù)有待在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證和評估。

特點(diǎn)二：技術(shù)體系愈趨復(fù)雜化。

（1）自然和電磁環(huán)境復(fù)雜：在自然環(huán)境方面，隨著雷達(dá)系統(tǒng)對雜波的特性以及抑制方法的不斷細(xì)化深入研究，需要應(yīng)用更多具有自適應(yīng)和智能化特點(diǎn)的處理方法。在電磁環(huán)境方面，靈活多變的電子干擾技術(shù)對雷達(dá)技術(shù)形成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，特別是主波束干擾，已經(jīng)成為近年來雷達(dá)技術(shù)急需解決的核心問題之一。

（2）信息處理方法復(fù)雜：隨著環(huán)境復(fù)雜性的增加，雷達(dá)信息處理的方法復(fù)雜性也隨之增加。在傳統(tǒng)的方法的框架之外需要加入自適應(yīng)、智能化處理模式，數(shù)據(jù)的存儲/學(xué)習(xí)/挖掘模式也不斷發(fā)生變化，需要考慮靜態(tài)和動態(tài)多時間維度的學(xué)習(xí)、知識提取和反饋等模式，同時為了更加優(yōu)化目標(biāo)探測性能，需要考慮檢測、跟蹤、分類和基于知識輔助的一體化處理等復(fù)雜模式。

（3）系統(tǒng)資源控制模式復(fù)雜：隨著信息處理模式復(fù)雜性的增加，對系統(tǒng)資源的控制機(jī)制也變得更加復(fù)雜，如能量的智能化利用、單元級MIMO多波形的收發(fā)、實(shí)時認(rèn)知反饋模式等，都要求對雷達(dá)系統(tǒng)資源的控制廣度和深度大幅增加。近年來，隨著偵干探通等一體化工作模式的發(fā)展，也對系統(tǒng)的資源控制和工作模式的靈活度提出了更高的要求。整體來看，雷達(dá)系統(tǒng)資源的配置和時序控制等要求愈趨精細(xì)化和靈活化，模式越來越復(fù)雜。

綜上所述，上述的兩個特點(diǎn)對雷達(dá)技術(shù)的整體發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了非常重要影響，這也是國內(nèi)外所有雷達(dá)技術(shù)工作者面臨的共性問題。為了應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)必須加強(qiáng)兩種能力：第一，快速響應(yīng)的能力，即具備新技術(shù)快速嵌入、功能快速集成、資源快速配置的能力；第二，化繁為簡的能力，對復(fù)雜的工作模式、算法流程和技術(shù)內(nèi)容可進(jìn)行分解、封裝、復(fù)用、重用和繼承，以提高效率，降低人力物力的需求。這對傳統(tǒng)的雷達(dá)研制模式提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在這個大的發(fā)展背景下，近年來軟件化雷達(dá)技術(shù)進(jìn)一步得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，其通過引入軟硬件解耦的體系架構(gòu)和組件化設(shè)計(jì)方法，使得雷達(dá)系統(tǒng)具有了靈活的可擴(kuò)展、可重構(gòu)和可升級能力，獲得了國內(nèi)外雷達(dá)行業(yè)的極大關(guān)注和重視?？傮w來看，軟件化雷達(dá)是隨著高速ADC、高速信號處理芯片的發(fā)展以及雷達(dá)天線陣面集成化不斷發(fā)展的必然結(jié)果，強(qiáng)調(diào)軟硬件解耦開放式體系架構(gòu)、組件化設(shè)計(jì)方法等軟件工程設(shè)計(jì)理念則是雷達(dá)系統(tǒng)各組成部分在不斷提升數(shù)字化和軟件定義能力積累基礎(chǔ)之上形成的一個整體性質(zhì)的飛躍。

本文將首先介紹國內(nèi)外軟件化雷達(dá)發(fā)展的最新進(jìn)展，然后重點(diǎn)針對軟件化雷達(dá)的體系架構(gòu)和組件化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入探討，然后對后續(xù)的發(fā)展和需要注意的一些問題進(jìn)行探討，最后給出總結(jié)。

2 軟件化雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀

雷達(dá)技術(shù)發(fā)展速度加快和愈趨復(fù)雜這兩個特點(diǎn)，實(shí)際是對國內(nèi)外雷達(dá)裝備的發(fā)展都帶來了兩個重要的挑戰(zhàn)：

（1）如何提高裝備研發(fā)效率？現(xiàn)有的裝備研發(fā)過程非常復(fù)雜，從總體技術(shù)方案論證、技術(shù)路線選擇和實(shí)際系統(tǒng)研制，流程非常長，且技術(shù)路線往往因人因事而異。因此，需要加強(qiáng)研發(fā)過程中的開放性、規(guī)范性和可繼承性，以提高系統(tǒng)研發(fā)效率。

（2）如何加快裝備更新升級速度？現(xiàn)有的裝備升級往往涉及軟硬件架構(gòu)的變化，升級成本高且周期長。需要進(jìn)一步加強(qiáng)開放性，降低成本，提高效率。

軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和這兩個挑戰(zhàn)密切相關(guān)。美國的MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室在2010 年公開的文獻(xiàn)［1-2］中提出了基于開放式系統(tǒng)理念的雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建思想。在國內(nèi)，本文作者在文獻(xiàn)［3］中明確給出了軟件化雷達(dá)的定義和內(nèi)涵的描述，指出雷達(dá)技術(shù)的研制模式將從傳統(tǒng)的“以硬件為中心，面向特定應(yīng)用”的理念轉(zhuǎn)換到“以軟件為中心，面向動態(tài)應(yīng)用”的理念。同時文中也指出，軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展將為智能化雷達(dá)的發(fā)展奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

近幾年國外的一些先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，驗(yàn)證了文獻(xiàn)［3］中對研制理念轉(zhuǎn)型，以及軟件化雷達(dá)技術(shù)將為智能化雷達(dá)技術(shù)提供支撐的判斷。2022 年5 月，美國空軍公布了AN/TPY-4 雷達(dá)的研究進(jìn)展1https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/ground-based-air-surveillance-radars/tpy-4.html，宣稱這是全世界首部“真正的軟件定義雷達(dá)系統(tǒng)”，具有了“可應(yīng)對未來威脅”的能力。洛克希德表示，AN/TPY-4 采用了“前所未有的軟件定義傳感器架構(gòu)”，它集成了最新成熟的商業(yè)技術(shù)。該系統(tǒng)在每個發(fā)射/接收元件上都是數(shù)字化的，具有前所未有的革命性雷達(dá)開放式體系架構(gòu)，使雷達(dá)能夠快速適應(yīng)未來的威脅和任務(wù)。TPY-4雷達(dá)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 美國TPY-4雷達(dá)系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 US TPY-4 radar system

2021 年8 月，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室宣稱已完成了“靈活分布式陣列雷達(dá)”（FlexDAR）的安裝，并利用位于馬里蘭州切薩皮克灣和位于弗吉尼亞州的美國航空航天局（NASA）沃洛普斯飛行設(shè)施的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了演示驗(yàn)證2A radar for any mission,https://www.raytheonmissilesanddefense.com/news/2021/07/27/radar-any-mission 2021,7,27。FlexDAR 演示了全陣元數(shù)字波束形成的天線陣列與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和精確時間同步結(jié)合所形成的各種新型和高級的能力，其采用的軟件定義、全陣元數(shù)字波束形成等新技術(shù)，代表了現(xiàn)階段分布式雷達(dá)的最新技術(shù)水平，宣稱具有適用于任何任務(wù)的能力（“A Radar for any mission”）。Flex-DAR雷達(dá)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 美國FlexDAR雷達(dá)系統(tǒng)Fig.2 US FlexDAR radar system

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室和雷神公司已經(jīng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了FlexDAR 雷達(dá)信號處理和跟蹤算法、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)技術(shù)以及高級圖形用戶界面。其采用的“靈活分布式陣列雷達(dá)后端”和“靈活分布式陣列雷達(dá)前端”均采用了開放式標(biāo)準(zhǔn)建造，系統(tǒng)的低天線旁瓣電平、多個同時和獨(dú)立的接收波束、多個同時工作的子孔徑、分布式雷達(dá)跟蹤與數(shù)據(jù)吞吐量等關(guān)鍵能力也已經(jīng)被驗(yàn)證。

法國泰勒斯公司在文獻(xiàn)［4］中介紹了在其“?；稹崩走_(dá)系統(tǒng)中，實(shí)施了以軟件化雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化雷達(dá)工程。軟件定義的數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)采用了開放式雷達(dá)架構(gòu)，只需添加軟件插件即可為雷達(dá)配置給定任務(wù)，無需做任何硬件修改。同時，也可以通過升級軟件組件內(nèi)的算法、或通過添加新的軟件組件，來應(yīng)對雷達(dá)生命周期中可能出現(xiàn)的新威脅?！昂；稹崩走_(dá)如圖3所示。

圖3 法國泰勒斯公司的“?；稹崩走_(dá)Fig.3 The“Sea Fire”radar of the French company Thales

通過以上介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)國外先進(jìn)國家在軟件化雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域近10 年以來，發(fā)展迅猛，已經(jīng)基本進(jìn)入了裝備應(yīng)用的階段。

在國內(nèi)，清華大學(xué)是我國最早提出并開展軟件化雷達(dá)技術(shù)研究的單位，在軟件化雷達(dá)信號處理系統(tǒng)領(lǐng)域有豐富的技術(shù)積累，研制的軟件化雷達(dá)信號處理平臺RadarLab 具有開放式軟硬件解耦體系架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了跨CPU、DSP等多種類型處理平臺適配和移植，并實(shí)現(xiàn)了可視化和組件化開發(fā)模式。軟件化雷達(dá)信息處理后端目前已經(jīng)在對海觀測雷達(dá)、地面情報(bào)雷達(dá)等多種體制雷達(dá)上得到了應(yīng)用。下圖4 給出了清華大學(xué)研制的RadarLab4.0 實(shí)現(xiàn)的某雷達(dá)系統(tǒng)典型模型化開發(fā)界面和組件化雷達(dá)信號處理任務(wù)流圖的示意圖。

圖4 清華大學(xué)軟件化雷達(dá)信息處理平臺開發(fā)環(huán)境Fig.4 RadarLab 4.0（Developed by Tsinghua University）

2015 年以來，國內(nèi)雷達(dá)相關(guān)科研單位開始高度重視對軟件化雷達(dá)技術(shù)的關(guān)注和研究，國內(nèi)中電科14 所/38 所、航天科工23 所、中船724 所和中航607等雷達(dá)研究所和北京理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等單位均迅速開展了相關(guān)研究工作，在處理平臺、中間件和組件等方面取得了豐富的研究工作和成果。其中，劉鳳等研究了高性能集群硬件平臺在軟件化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［5］。張榮濤等對軟件化雷達(dá)的需求、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展設(shè)想等方面進(jìn)行了分析和論述［6］。曾樂天等建立了軟件化雷達(dá)質(zhì)量評估體系總體架構(gòu)，給出了各評價指標(biāo)的概念定義和評測方法［7］。趙幫等提出了一種低延時的分層分布式并行計(jì)算方法，以解決軟件化雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的問題［8］。張鴻臻研究了軟件化雷達(dá)平臺構(gòu)件模型設(shè)計(jì)、中間件的選型以及軟件構(gòu)件在刀片服務(wù)器中的部署策略［9］。

總體來看，隨著美國洛馬的TPY-4、法國Thales的“?；稹钡壤走_(dá)實(shí)際裝備的推出，標(biāo)志著國際上軟件化雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)具備了實(shí)裝成熟度?；谲浖走_(dá)技術(shù)，美國洛馬公司宣稱TPY-4的軟件升級、更新可以像手機(jī)下載App 一樣快捷，同時可以有效降低系統(tǒng)集成、開發(fā)成本。Thales 的“?；稹毕到y(tǒng)則可以支持面對不同作戰(zhàn)場景、在分鐘量級內(nèi)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的工作模式更新和參數(shù)優(yōu)化配置。這表明國外利用軟件化雷達(dá)技術(shù)在提升雷達(dá)系統(tǒng)快速集成、快速響應(yīng)動態(tài)軍事需求能力、降低成本等方面已經(jīng)有了很大的能力提升。相比較而言，盡管國內(nèi)在軟件化雷達(dá)研究工作中取得了階段性成果，軟件化雷達(dá)信息處理后端已經(jīng)具備了較高的成熟度。但是到目前為止，離實(shí)際整體軟件化雷達(dá)裝備的形成還存在一定的距離。因此，我們需要盡快加深對軟件化雷達(dá)技術(shù)的理解和認(rèn)識。

基于此，本文擬在前文［3］的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對軟件化雷達(dá)技術(shù)的兩個核心技術(shù)特征，即開放式軟硬件解耦體系架構(gòu)和組件化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入分析和介紹，并對軟件化雷達(dá)的技術(shù)定位做出分析，以期能夠進(jìn)一步推動該領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展。

3 軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)

體系架構(gòu)（System Architecture）一詞，本身來源于建筑學(xué)，用于描述一個建筑設(shè)計(jì)中需要考慮的各種不同視角下得到的視圖。后來被逐漸引入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為以后的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。因此，一個合理的體系架構(gòu)對于一個技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起著至關(guān)重要的引領(lǐng)作用，必須要引起足夠的重視［10］。

系統(tǒng)體系架構(gòu)的一個經(jīng)典定義表述為：是定義系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和更多視圖的概念模型［8］。這是一個比較寬泛的定義，實(shí)際在不同領(lǐng)域系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)都有所不同。雷達(dá)設(shè)備是一種專用領(lǐng)域的高性能嵌入式信息系統(tǒng)，在組成結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式上和一般通用信息系統(tǒng)有所不同，其分系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系比較固定、使用模式和流程也較為固定。因此，為了突出雷達(dá)系統(tǒng)中更重要的是對資源抽象管理機(jī)制和數(shù)據(jù)流、消息流驅(qū)動的模塊交互關(guān)系，我們給出軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中體系架構(gòu)的定義如下：

軟件化雷達(dá)的體系架構(gòu)是對雷達(dá)系統(tǒng)的一種多層次抽象描述模型，相鄰層次之間具有清晰明確的接口，每個層次由多個具有數(shù)據(jù)流、消息流驅(qū)動關(guān)系的模塊組成。

這里我們突出了軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)的兩個重要特點(diǎn)：（1）多層次抽象：即體系架構(gòu)中，從最底層的物理資源、到最頂層的應(yīng)用任務(wù)，應(yīng)該要形成一種抽象的描述機(jī)制，不同層次之間具有明確的接口定義。一般而言，只有相鄰的層次之間才能夠有功能調(diào)用接口關(guān)系。（2）模塊化描述機(jī)制：每一層的抽象模型中重點(diǎn)是描述組成模塊的功能、接口和相互之間的關(guān)系。且雷達(dá)系統(tǒng)的主要運(yùn)作是由數(shù)據(jù)流和消息流驅(qū)動的。

下圖5 中，給出了本文提出的軟件化雷達(dá)四層體系架構(gòu)示意圖，自下而上分別為：

圖5 軟件化雷達(dá)軟硬件解耦體系架構(gòu)示意圖Fig.5 The software and hardware decoupling architecture of software radar

（1）物理層：為最底層，具體包含雷達(dá)前端和后端兩個部分組成，前端包含天線、TR、伺服等組成部分，后端則主要包含了DSP/CPU 等信息計(jì)算硬件和數(shù)據(jù)存儲平臺等，同時還包含了消息傳遞網(wǎng)絡(luò)和高速數(shù)據(jù)流傳輸網(wǎng)絡(luò)。注意這里的硬件層包含了底層實(shí)時操作系統(tǒng)、驅(qū)動和接口規(guī)范等內(nèi)容。

（2）中間件層：中間件實(shí)際是對物理層的一個完整的抽象描述，包含了計(jì)算中間件、通信中間件和控制中間件，這三部分內(nèi)容直接定義了在底層硬件上實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信和控制的接口。在這三部分中間件之上，需要構(gòu)建一個適用于雷達(dá)系統(tǒng)的雷達(dá)中間件及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。這是由于在商業(yè)領(lǐng)域中，存在大量不同類型的控制、通信和計(jì)算中間件產(chǎn)品，為了真正實(shí)現(xiàn)頂層應(yīng)用和底層軟硬件之間的解耦，需要利用一個統(tǒng)一的符合軟件化雷達(dá)規(guī)范的雷達(dá)中間件來實(shí)現(xiàn)對底層資源和任務(wù)的統(tǒng)一管理。

（3）組件層：在一套完整的中間件機(jī)制之上，我們可以構(gòu)建出一個軟件化雷達(dá)組件層。組件層的主要面向?qū)ο笫窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)者。這里的組件包含硬件組件和軟件組件兩種類型，即雷達(dá)系統(tǒng)中的所有硬件和軟件模塊，我們都按照組件化的形式進(jìn)行封裝和抽象，以形成組件化的分解、管理、數(shù)據(jù)流/消息流建模機(jī)制和組件設(shè)計(jì)規(guī)范，在此基礎(chǔ)上形成組件化和可視化的開發(fā)環(huán)境。

（4）應(yīng)用層：在組件層之上是應(yīng)用任務(wù)層，主要面向系統(tǒng)開發(fā)者和應(yīng)用者，其主要任務(wù)是利用組件層提供的開發(fā)環(huán)境和組件庫，基于應(yīng)用軟件開發(fā)規(guī)范和應(yīng)用軟件開發(fā)模板，快速開發(fā)不同類型的應(yīng)用任務(wù)，并基于一個類似于操作系統(tǒng)的軟件化雷達(dá)綜合集成框架，實(shí)現(xiàn)對整個雷達(dá)系統(tǒng)的所有任務(wù)、資源、組件和通信的統(tǒng)一管理、調(diào)度和監(jiān)控。

在這里我們可以看到，體系架構(gòu)重在描述系統(tǒng)各組成部分的抽象模型和相互關(guān)系。在統(tǒng)一體系架構(gòu)之下，可以采用不同的具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)來構(gòu)建系統(tǒng)。例如：兩個軟件組件之間存在通信關(guān)系，這是體系架構(gòu)描述的內(nèi)容。但在一個實(shí)際系統(tǒng)中，究竟是選擇PCIE總線還是光纖來實(shí)現(xiàn)通信，這是具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。顯然，具體采用什么設(shè)計(jì)技術(shù)，往往因人、因時、因事而異。因此，具體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)是具有時效性的，而體系架構(gòu)往往是具有通用性和長期性的。這兩者在一個系統(tǒng)發(fā)展中所起到的作用是非常不同的。

傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)中，我們其實(shí)并沒有體系架構(gòu)的概念，主要關(guān)注的是系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)技術(shù)，模式如下圖6所示。

圖6 中可見，針對每一部雷達(dá)的具體功能和性能指標(biāo)，每個研發(fā)團(tuán)隊(duì)都要獨(dú)立開展特定的功能分解、接口設(shè)計(jì)、軟硬件選型等一系列工作，對應(yīng)的應(yīng)用任務(wù)和接口程序也都是定制化開發(fā)，都需要結(jié)合具體選定的硬件計(jì)算資源和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來做定制化開發(fā)。這是一種軟硬件耦合非常緊密的研發(fā)模式，即使在同一個研發(fā)單位，可能選取的具體計(jì)算硬件平臺、互聯(lián)技術(shù)和開發(fā)機(jī)制都是不同的。

圖6 傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)研制開發(fā)示意圖Fig.6 The development and development of traditional radar systems

可以發(fā)現(xiàn)，這個過程中其實(shí)沒有強(qiáng)調(diào)體系架構(gòu)，更加強(qiáng)調(diào)的是具體的設(shè)計(jì)技術(shù)，即直接把應(yīng)用任務(wù)和物理資源綁定，主要研究如何利用物理軟硬件資源和技術(shù)，來構(gòu)建出一個具體符合特定要求的雷達(dá)系統(tǒng)。這就導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和開發(fā)者需要花大量的精力用于在具體的軟硬件技術(shù)上，導(dǎo)致開發(fā)效率低、系統(tǒng)擴(kuò)展和升級困難等一系列問題。

而在軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)中，增加了中間件層和組件層，使得雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和開發(fā)者只需要在應(yīng)用層和組件層進(jìn)行系統(tǒng)的抽象化設(shè)計(jì)和開發(fā)，中間件層和物理層則由具體的技術(shù)供應(yīng)商來提供服務(wù)和實(shí)現(xiàn)，這樣就使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和開發(fā)者可以專注于頂層應(yīng)用任務(wù)的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，和對軟硬件以及應(yīng)用任務(wù)的靈活升級擴(kuò)展能力。

值得指出的是，軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)的建立是和技術(shù)的進(jìn)步分不開的，在方便雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和開發(fā)者的同時，高效的中間件層和高性能物理層是必不可少的基礎(chǔ)，必須要保證雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時信息處理和獲取能力，這是雷達(dá)架構(gòu)設(shè)計(jì)的第一要素。

4 軟件化雷達(dá)組件化設(shè)計(jì)方法

4.1 組件化特征

在上述體系架構(gòu)的介紹中，我們注重的是層次化抽象模型的構(gòu)建過程。在每一個層次中強(qiáng)調(diào)的是對系統(tǒng)各個組成部分的模塊化抽象描述機(jī)制。我們在這里進(jìn)一步給出軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中組件的概念，定義如下：

軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中的組件，是指抽象封裝了特定功能的軟件或者硬件模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)、屬性配置和輸入輸出數(shù)據(jù)接口的定義，具有可重用性、可定制性、自包容性、松耦合性和互操作性，可以作為基本模塊進(jìn)行應(yīng)用集成。

根據(jù)上述定義，軟件化雷達(dá)中組件的特性包括：

（1）抽象性：在體系架構(gòu)的組件層對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)時，我們對組件只關(guān)注它的功能、配置參數(shù)和輸入/輸出數(shù)據(jù)的定義，對于具體在何種硬件平臺如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信的細(xì)節(jié)是不用關(guān)心的，這就實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦。

（2）組件類型：在軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中，存在軟件組件和硬件組件兩種類型，都作為系統(tǒng)中的組件資源要進(jìn)行建模描述和管理。其中，軟件組件之間的關(guān)系對應(yīng)系統(tǒng)的信息處理流程，硬件組件之間的關(guān)系對應(yīng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系。軟件組件和硬件組件之間的關(guān)系對應(yīng)系統(tǒng)的任務(wù)部署關(guān)系，見下圖7所示。

圖7 軟件化雷達(dá)軟硬件組件及部署映射關(guān)系圖Fig.7 Software-based radar software and hardware components and deployment mapping diagram

（3）可重用性：組件具有共用性和通用性，可以入庫管理，可以靈活復(fù)用和共享。

（4）可定制性：每個組件具有規(guī)范的參數(shù)和屬性配置機(jī)制，可以靈活地實(shí)現(xiàn)對組件的靜態(tài)和動態(tài)配置。

（5）自包容性：每個組件的功能都是相對完整和獨(dú)立的，數(shù)據(jù)的輸入/輸出接口也是明確而清晰的。

（6）互操作性：組件之間具有靈活的接口機(jī)制，多個組件可以通過快速的裝配和配置，形成協(xié)同工作的機(jī)制。

（7）松耦合性：組件之間的關(guān)系是松耦合的，局部組件的替換、更新和升級過程，對于全局其他的組件基本沒有影響。

基于軟件化雷達(dá)系統(tǒng)的組件，我們可以快速構(gòu)建出具有模塊化特點(diǎn)和支持協(xié)同互操作的軟件化雷達(dá)系統(tǒng)，并使得系統(tǒng)在整個生命周期里，可以支持組件可以增加、修改、代替、去除或者被第三方提供的模塊所代替，以不斷增強(qiáng)系統(tǒng)的競爭力?；诮M件化開發(fā)方式對性能的影響是可接受的，其額外開銷來源于統(tǒng)一的組件控制代碼。相關(guān)研究表明，在采用組件化方法開發(fā)的雷達(dá)信號處理任務(wù)，在各主流平臺上可達(dá)到90%以上的處理效率［11］。

4.2 開放式系統(tǒng)

軟件化雷達(dá)的一個核心理念是在雷達(dá)系統(tǒng)中引入了開放式系統(tǒng)的理念。文獻(xiàn)［3］中指出，軟件化雷達(dá)系統(tǒng)的開放性包括技術(shù)的開放性、功能和性能的開放性，應(yīng)該說：基于組件化設(shè)計(jì)方法的層次化體系架構(gòu)為軟件化雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開放性提供了基本的技術(shù)基礎(chǔ)，例如：物理層硬件和軟件的技術(shù)更新可以不影響上層的應(yīng)用軟件，局部的軟件或者硬件組件的更新?lián)Q代可以不影響系統(tǒng)中其他的組件和任務(wù)。

但是，如果這些技術(shù)或者組件的開發(fā)接口是封閉的，則不可能有更多的開發(fā)者參與進(jìn)來，新的技術(shù)也很難進(jìn)入系統(tǒng)，就不會有很多的產(chǎn)品可以讓我們選擇，上述的開放性也就無法實(shí)現(xiàn)了。

因此，軟件化雷達(dá)的真正開放性，要能夠體現(xiàn)在：組件接口具有標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性，且可以支持第三方開發(fā)實(shí)現(xiàn)，同時還需要有合理的機(jī)制來對組件的規(guī)范性進(jìn)行測試和審查，這樣才能真正保證軟件化雷達(dá)真正具有開放性。

所以，軟件化雷達(dá)的發(fā)展過程中一個重要的組成部分是開放式行業(yè)生態(tài)的建設(shè)，需要有可公開的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、有不同層面的第三方開發(fā)商和技術(shù)開發(fā)者參與、有適當(dāng)?shù)募夹g(shù)聯(lián)盟和組織實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品規(guī)范性的測試和認(rèn)證。

下圖8 中給出了和傳統(tǒng)定制化雷達(dá)相比，軟件化雷達(dá)的發(fā)展演進(jìn)圖。圖中可以看到，一方面由于層次化體系架構(gòu)和組件化機(jī)制的建立，使得軟件化雷達(dá)在技術(shù)上具有了強(qiáng)大的靈活性，同時由于開放式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及第三方開發(fā)機(jī)制的建立，使得軟件化雷達(dá)的整個研制和構(gòu)建模式發(fā)生了根本性的變化，包括：（1）軟硬件：開發(fā)模式由定制轉(zhuǎn)為選用；（2）接口：由自定義轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)接口；（3）工作模式：由固定轉(zhuǎn)化為可擴(kuò)展；（4）波形/算法：由固定轉(zhuǎn)化為可持續(xù)升級；（5）性能：由定制最優(yōu)化，轉(zhuǎn)化為可持續(xù)優(yōu)化。由于以上特點(diǎn)，軟件化雷達(dá)技術(shù)也被稱為是一種“改變了傳統(tǒng)雷達(dá)游戲規(guī)則”的顛覆性技術(shù)。

圖8 軟件化雷達(dá)發(fā)展演進(jìn)圖Fig.8 Development and evolution of software radar

綜上所述，層次化體系架構(gòu)和組件化開發(fā)設(shè)計(jì)方法是開放性的技術(shù)特征，保證了軟件化雷達(dá)系統(tǒng)在技術(shù)上具有了支持開放性系統(tǒng)的能力。而接口規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化和公開化，以及合理的測試管理機(jī)制，將是軟件化雷達(dá)系統(tǒng)具有開放性的管理基礎(chǔ)。

5 軟件化雷達(dá)的技術(shù)定位

對軟件化雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的精確定位，是一個重要的問題，這關(guān)系到我們對該技術(shù)方向的判斷和發(fā)展目標(biāo)的確定。傳統(tǒng)對雷達(dá)裝備發(fā)展的討論，往往是聚焦在某個雷達(dá)裝備具體可量化的性能和功能指標(biāo)方面，如威力、跟蹤目標(biāo)數(shù)目、數(shù)據(jù)率、分辨力、識別能力等。而對于軟件化雷達(dá)，一個經(jīng)常被提出的問題是：軟件化雷達(dá)技術(shù)究竟能為雷達(dá)裝備帶來什么好處？文獻(xiàn)［3］中初步說明了軟件化雷達(dá)是從數(shù)字化雷達(dá)的后續(xù)發(fā)展階段，為后續(xù)智能化雷達(dá)發(fā)展提供了支撐。本文為了進(jìn)一步回答這個問題，用圖9來描述軟件化雷達(dá)技術(shù)的技術(shù)定位。

從圖9 中可以看到，我們可以從雷達(dá)專用技術(shù)和概念發(fā)展路線、雷達(dá)體制發(fā)展路線和雷達(dá)平臺技術(shù)發(fā)展路線三個維度對雷達(dá)的發(fā)展過程進(jìn)行觀察。在雷達(dá)的專用技術(shù)和概念體系中，從早期的脈沖壓縮、單脈沖、動目標(biāo)、脈沖多普勒到現(xiàn)在的MIMO、認(rèn)知雷達(dá)等，研究者們一直在不斷研究各種新的技術(shù)和概念，引領(lǐng)雷達(dá)在檢測、成像和識別等不同維度的不斷突破。與此同時，雷達(dá)的平臺技術(shù)發(fā)展路線，則主要經(jīng)歷了從模擬、數(shù)字到軟件化的發(fā)展歷程。在這兩者的相互作用下，雷達(dá)的體制從早期的機(jī)械掃描、相控陣，發(fā)展到數(shù)字陣列、軟件化數(shù)字陣列以及正在起步的智能化雷達(dá)等。從前面的介紹可以看到，當(dāng)前國際上最先進(jìn)的TPY-4、FlexDAR 和Sea Fire 等雷達(dá)系統(tǒng)均屬于軟件化數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)，未來的智能化雷達(dá)系統(tǒng)將在軟件化雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)一步融入更多智能化因素，例如基于深度學(xué)習(xí)的雷達(dá)目標(biāo)檢測和識別方法已經(jīng)開始被研究［12］，這也是我們現(xiàn)在就應(yīng)該要重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向。

由圖9 可見，軟件化雷達(dá)的技術(shù)定位是平臺性技術(shù)，和模擬技術(shù)、數(shù)字技術(shù)屬于相同級別的概念范疇。因此，我們不能糾結(jié)于軟件化雷達(dá)是否能夠帶來更大的威力、更好的精度這樣的問題，而是應(yīng)該看到：作為一種革命性的平臺技術(shù)，軟件化雷達(dá)技術(shù)將為雷達(dá)裝備帶來更多、更好、更快應(yīng)對現(xiàn)在和未來各種挑戰(zhàn)的可能性。

圖9 軟件化雷達(dá)技術(shù)的定位Fig.9 The positioning of software radar technology

6 發(fā)展展望

綜上所述，我們看到軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，不僅僅是表面上看到的似乎僅是開發(fā)模式的變化，其蘊(yùn)涵的豐富內(nèi)容將對整個雷達(dá)行業(yè)的生態(tài)和發(fā)展模式均產(chǎn)生重要的影響，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）軟件化雷達(dá)技術(shù)將在雷達(dá)裝備的全系統(tǒng)和整個生命周期內(nèi)不斷發(fā)揮作用。

一方面，軟件化雷達(dá)技術(shù)在雷達(dá)后端，即信息處理系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)具有了較為成熟的技術(shù)積累，目前主要任務(wù)應(yīng)該是盡快通過行業(yè)的推廣試用來不斷提高成熟度。另一方面，如何推動軟件化雷達(dá)前端技術(shù)的發(fā)展，將是國內(nèi)未來幾年內(nèi)技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。同時，我們還應(yīng)該看到，軟件化雷達(dá)技術(shù)不僅僅會在系統(tǒng)開發(fā)和研制階段發(fā)揮作用，其體系架構(gòu)分層、組件化抽象建模的設(shè)計(jì)思想，將可能使得雷達(dá)系統(tǒng)的采購、論證、設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、維護(hù)和升級等整個過程的傳統(tǒng)模式都將發(fā)生變化，因此其將在雷達(dá)裝備全生命周期內(nèi)都將發(fā)揮作用。

（2）軟件化雷達(dá)技術(shù)將推動雷達(dá)行業(yè)生態(tài)分層。

軟件化雷達(dá)技術(shù)強(qiáng)調(diào)的分層理念，既符合技術(shù)深耕的工匠精神要求，也符合社會分工精細(xì)化的發(fā)展趨勢。因此，我們相信，隨著軟件化雷達(dá)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系的推出，將會促進(jìn)不同層面技術(shù)群的出現(xiàn)，這將會對雷達(dá)行業(yè)的生態(tài)分層產(chǎn)生積極地推動作用。

（3）軟件化雷達(dá)應(yīng)和智能化雷達(dá)技術(shù)緊密結(jié)合。

軟件化雷達(dá)技術(shù)為雷達(dá)系統(tǒng)的創(chuàng)新帶來了各種可能性，因此近年來發(fā)展迅猛的智能化技術(shù)如何與軟件化雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)該成為我們關(guān)注的一個重點(diǎn)方向。我們認(rèn)為：應(yīng)該從智能化計(jì)算架構(gòu)的嵌入和對智能化控制模式的支持兩個角度入手，來探討在軟件化雷達(dá)技術(shù)支持下的智能化雷達(dá)技術(shù)發(fā)展。限于篇幅，我們將另文撰述。

（4）必須要加強(qiáng)國產(chǎn)化技術(shù)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

軟件化雷達(dá)技術(shù)是當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的一個戰(zhàn)略前沿高地，因此國外對國內(nèi)的技術(shù)封鎖是必然的。同時，我們也要看到，國內(nèi)的軟件化雷達(dá)技術(shù)起步幾乎和美國同步，具有堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。近年來，在領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)的高度重視和行業(yè)的共同努力下，國內(nèi)的軟件化雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展。因此，我們必須要堅(jiān)定信心，加強(qiáng)對國產(chǎn)化技術(shù)的扶持和知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，同時統(tǒng)籌規(guī)劃技術(shù)生態(tài)環(huán)境，避免無序競爭，整合資源，合理建設(shè)相應(yīng)的技術(shù)生態(tài)和技術(shù)聯(lián)盟，為我國的軟件化雷達(dá)技術(shù)獨(dú)立自主地發(fā)展創(chuàng)造一個優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。

7 總結(jié)

近年來，隨著美國TPY-4、FlexDAR、法國“海火”等新一代軟件化雷達(dá)裝備的推出和定型，標(biāo)志著國際先進(jìn)國家的軟件化雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)從原先的探索試驗(yàn)階段進(jìn)入了裝備應(yīng)用階段，這應(yīng)當(dāng)引起我國雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)和行業(yè)工作者的高度重視，需要我們堅(jiān)定發(fā)展軟件化雷達(dá)技術(shù)的決心和信心，盡快穩(wěn)步推動我國軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度，以早日形成裝備和戰(zhàn)斗力。