軟件化雷達(dá)技術(shù)體制分析

沈 齊 吳 洪

（93209部隊(duì)，北京 100085）

1 引言

雷達(dá)自誕生之日起至今已有80 多年的歷史。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展以及雷達(dá)器件水平、數(shù)字化程度、信號(hào)處理能力等不斷提高，各種先進(jìn)的雷達(dá)及技術(shù)體制不斷出現(xiàn)，如相控陣?yán)走_(dá)、合成孔徑雷達(dá)、數(shù)字陣列雷達(dá)、分布式相參雷達(dá)等，在民用和國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮了十分重要的作用。

目前正在廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)雷達(dá)及其技術(shù)體制，就其雷達(dá)自身的探測(cè)性能而言已達(dá)到很高的水平。但由于存在系統(tǒng)架構(gòu)封閉、功能與硬件綁定、軟硬件緊密耦合等突出問(wèn)題，造成裝備型譜龐雜、功能固化單一、維護(hù)保障和升級(jí)改進(jìn)困難等一系列問(wèn)題，并且研制周期長(zhǎng)、資源消耗大、新技術(shù)應(yīng)用慢，已很難適應(yīng)快速變化的軍事需求和日新月異的技術(shù)發(fā)展，必須發(fā)展新型雷達(dá)及新的技術(shù)體制以解決上述問(wèn)題。

在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的共同作用下，軟件化雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。軟件化雷達(dá)采用模塊化、層次化、開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，功能模塊相對(duì)獨(dú)立，軟件與硬件解耦，硬件平臺(tái)通用化、應(yīng)用軟件組件化，雷達(dá)系統(tǒng)功能和性能可通過(guò)軟件定義、擴(kuò)展和重構(gòu)，極大地提高了雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，能夠優(yōu)化精簡(jiǎn)雷達(dá)型譜、快速響應(yīng)新的軍事需求，同時(shí)可加快新技術(shù)在雷達(dá)裝備中的應(yīng)用，更好地支持網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)，已成為下一代雷達(dá)的典型特征和雷達(dá)發(fā)展的重要方向［1］。由此，對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)及軟件化雷達(dá)技術(shù)體制的研究成為雷達(dá)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

關(guān)于雷達(dá)的技術(shù)體制目前尚沒(méi)有嚴(yán)格的定義。我們認(rèn)為，現(xiàn)有的技術(shù)體制主要是從不同的技術(shù)維度對(duì)雷達(dá)的典型技術(shù)特征進(jìn)行描述，例如從雷達(dá)信號(hào)的相參性上可分為非相參雷達(dá)技術(shù)體制和相參雷達(dá)技術(shù)體制，從波束掃描實(shí)現(xiàn)方式上可分為機(jī)械掃描雷達(dá)技術(shù)體制和相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)體制，從活動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方式上可分為MTI（Moving Target Indication，動(dòng)目標(biāo)顯示）、MTD（Moving Target Detection，動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)）、PD（Pulse Doppler，脈沖多普勒）等雷達(dá)技術(shù)體制。軟件化雷達(dá)采用開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)以及通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、數(shù)字化平臺(tái)，以面向應(yīng)用的模型化、組件化開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)任務(wù)和功能性能軟件定義、擴(kuò)展和重構(gòu)，與傳統(tǒng)雷達(dá)相比在設(shè)計(jì)思想、研發(fā)模式及技術(shù)手段等方面有很大區(qū)別［2］，必然在技術(shù)體制上也有很大不同。到底什么是軟件化雷達(dá)技術(shù)體制，如何科學(xué)地描述軟件化雷達(dá)技術(shù)體制是需要研究的新問(wèn)題。從軟件化雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)的開(kāi)放性、任務(wù)和功能性能的軟件定義等方面來(lái)看，軟件化雷達(dá)技術(shù)體制無(wú)疑是與傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)體制有顯著差異的一種全新的技術(shù)體制，因此有必要對(duì)這一新的雷達(dá)技術(shù)體制進(jìn)行全面系統(tǒng)深入的研究分析，以更好地促進(jìn)軟件化雷達(dá)的發(fā)展，同時(shí)也有助于澄清對(duì)軟件化雷達(dá)的一些模糊認(rèn)識(shí)。

回顧軟件化雷達(dá)發(fā)展歷史，盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)軟件化雷達(dá)及軟件化雷達(dá)技術(shù)的研究已有20 多年的時(shí)間［3-4］，但迄今未見(jiàn)對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)體制的相關(guān)研究報(bào)道，因此開(kāi)展軟件化雷達(dá)技術(shù)體制的研究分析具有一定的開(kāi)創(chuàng)性和重要意義。

本文以國(guó)外軟件化雷達(dá)為研究對(duì)象，首先從開(kāi)放性、靈活性及敏捷性三方面系統(tǒng)分析軟件化雷達(dá)主要特性。在此基礎(chǔ)上，從軟件化雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)、軟件化雷達(dá)前端天線(xiàn)、軟件化雷達(dá)后端處理平臺(tái)和軟件環(huán)境、軟件化雷達(dá)應(yīng)用軟件等方面，以開(kāi)放性、靈活性、敏捷性為主線(xiàn)，從雷達(dá)系統(tǒng)功能模塊化、應(yīng)用組件化、軟硬件解耦和軟件定義等軟件化雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式上研究分析軟件化雷達(dá)技術(shù)體制，提出表征軟件化雷達(dá)技術(shù)體制本質(zhì)特征的核心內(nèi)容，為軟件化雷達(dá)裝備論證、研發(fā)和使用奠定基礎(chǔ)并提供指導(dǎo)。

2 軟件化雷達(dá)主要特性分析

盡管業(yè)界對(duì)雷達(dá)技術(shù)體制并沒(méi)有嚴(yán)格的定義，但我們認(rèn)為某種雷達(dá)的技術(shù)體制一般是指該雷達(dá)探測(cè)能力的實(shí)現(xiàn)方式和工作特點(diǎn)，主要是該雷達(dá)所采用的實(shí)現(xiàn)其關(guān)鍵性能的核心技術(shù)集合或技術(shù)環(huán)境。因此，要研究軟件化雷達(dá)技術(shù)體制，必須對(duì)軟件化雷達(dá)的性能特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)這些能力的核心技術(shù)有充分且深刻的認(rèn)識(shí)理解，特別要研究清楚軟件化雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)相比究竟在哪些方面有本質(zhì)的不同。

傳統(tǒng)雷達(dá)的性能主要以探測(cè)距離、精度、分辨力、抗干擾能力等指標(biāo)表征，可稱(chēng)之為雷達(dá)基本性能指標(biāo)，根據(jù)波束掃描實(shí)現(xiàn)方式、信號(hào)處理方式等不同而分為相控陣體制、PD 體制、合成孔徑體制等等。傳統(tǒng)雷達(dá)采用定制開(kāi)發(fā)模式，大量使用專(zhuān)有的硬件和軟件，造成雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)封閉、軟硬件耦合緊密，雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)放性、靈活性和敏捷性嚴(yán)重不足，在設(shè)計(jì)研發(fā)、作戰(zhàn)使用、維護(hù)保障等各方面存在很多亟待解決的問(wèn)題。軟件化雷達(dá)是“基于開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，采用面向應(yīng)用的模塊化、組件化開(kāi)發(fā)模式，系統(tǒng)功能可軟件定義、擴(kuò)展、重構(gòu)的新一代雷達(dá)”，在雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)放性、靈活性、敏捷性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地?fù)?dān)負(fù)多樣化作戰(zhàn)任務(wù)，適應(yīng)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，是解決傳統(tǒng)雷達(dá)所面臨問(wèn)題的有效方法和手段。

軟件化雷達(dá)的核心思想是提高雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性。在繼承傳統(tǒng)雷達(dá)性能指標(biāo)和技術(shù)體制基礎(chǔ)上，軟件化雷達(dá)重點(diǎn)在開(kāi)放性、靈活性、敏捷性三方面拓展了雷達(dá)的性能和技術(shù)維度，成為表征軟件化雷達(dá)能力的主要特性要素。因此，研究分析軟件化雷達(dá)技術(shù)體制，首先應(yīng)該對(duì)其開(kāi)放性、靈活性、敏捷性做深入分析。

（1）開(kāi)放性

開(kāi)放性主要是指雷達(dá)采用具有開(kāi)放性質(zhì)的技術(shù)和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，具體指采用開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和接口等，特別是盡可能采用商用的成熟技術(shù)和貨架產(chǎn)品。開(kāi)放性是相對(duì)于封閉性而言的，開(kāi)放性強(qiáng)調(diào)的是公開(kāi)透明、良性競(jìng)爭(zhēng)、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，帶來(lái)的好處是可以集中優(yōu)勢(shì)力量和采用最先進(jìn)的技術(shù)研發(fā)雷達(dá)，改變過(guò)去由一家單位獨(dú)自封閉研發(fā)為多家單位聯(lián)合研制集成，從而縮短周期、降低成本、提高性能。

軟件化雷達(dá)開(kāi)放性的實(shí)現(xiàn)在于其提出一種開(kāi)放式系統(tǒng)方法作為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，這種方法的核心是建立模塊化、層次化、開(kāi)放式雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)將雷達(dá)系統(tǒng)按功能層層分解為獨(dú)立的功能模塊，每個(gè)模塊分別履行獨(dú)立的功能，模塊開(kāi)發(fā)遵循公共標(biāo)準(zhǔn)，模塊間接口定義清晰，各模塊之間相互獨(dú)立，模塊可以在其他雷達(dá)系統(tǒng)中重復(fù)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低壽命周期成本、提高系統(tǒng)性能等目標(biāo)。軟件化雷達(dá)設(shè)計(jì)原則是最大程度地利用現(xiàn)有的開(kāi)放式、商業(yè)化產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮雷達(dá)系統(tǒng)的硬件、軟件、人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口的開(kāi)放性。更為重要的是，這種開(kāi)放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所帶來(lái)的開(kāi)放性不僅是設(shè)計(jì)軟件化雷達(dá)的重要基礎(chǔ)，而且是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)裝備互聯(lián)互通互操作協(xié)同應(yīng)用的基礎(chǔ)，可為雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)同探測(cè)、雷達(dá)裝備融入網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)體系提供技術(shù)支撐。

由此可見(jiàn)，開(kāi)放性是軟件化雷達(dá)最主要的特性。開(kāi)放性主要體現(xiàn)在采用開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)和模塊化設(shè)計(jì)，模塊間相互獨(dú)立，關(guān)鍵接口定義清晰，支持第三方技術(shù)應(yīng)用等，主要要求是必須采用開(kāi)放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和遵循軟件化雷達(dá)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（2）靈活性

靈活性主要是指雷達(dá)適應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和技術(shù)發(fā)展等變化的能力，能夠針對(duì)這些變化迅速進(jìn)行調(diào)整以提高應(yīng)對(duì)能力，強(qiáng)調(diào)的是適應(yīng)能力。

軟件化雷達(dá)采用模塊化、層次化設(shè)計(jì)和中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間、各層次之間以及軟件和硬件之間解耦，具備“需求可定制，硬件可重組，軟件可重構(gòu)”能力，可通過(guò)硬件擴(kuò)展、軟件升級(jí)提升雷達(dá)作戰(zhàn)性能，并且具有跨平臺(tái)移植能力，極大地提高了軟件化雷達(dá)的靈活性。具體來(lái)說(shuō)，軟件化雷達(dá)前端天線(xiàn)通過(guò)功能模塊劃分、積木化可擴(kuò)展設(shè)計(jì)以及組件化設(shè)計(jì)，明確各功能模塊的接口設(shè)計(jì)、屬性描述、應(yīng)用組件及函數(shù)設(shè)計(jì)等要求，在傳統(tǒng)雷達(dá)前端天線(xiàn)物理規(guī)模積木化可擴(kuò)展、基于預(yù)先設(shè)計(jì)的功能任務(wù)可重構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高雷達(dá)前端天線(xiàn)可擴(kuò)展、可重構(gòu)能力的靈活性。軟件化雷達(dá)后端處理平臺(tái)及應(yīng)用軟件通過(guò)采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及組件化設(shè)計(jì)，明確各功能模塊的接口設(shè)計(jì)、硬件抽象、功能函數(shù)及應(yīng)用組件設(shè)計(jì)要求，在傳統(tǒng)雷達(dá)后端處理通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可擴(kuò)展、可重構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升應(yīng)用軟件與硬件平臺(tái)解耦、可跨平臺(tái)移植、應(yīng)用組件靈活替換升級(jí)等能力，這些都在很大程度上增強(qiáng)了軟件化雷達(dá)可擴(kuò)展、可重構(gòu)能力的靈活性。因此，雖然傳統(tǒng)雷達(dá)通過(guò)設(shè)計(jì)也能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展、可重構(gòu)能力，但是與軟件化雷達(dá)相比其可擴(kuò)展、可重構(gòu)能力的靈活程度卻有很大差距。

由此可見(jiàn)，靈活性是軟件化雷達(dá)另一個(gè)非常重要的特性。靈活性主要體現(xiàn)在雷達(dá)功能和任務(wù)可軟件定義，雷達(dá)系統(tǒng)可擴(kuò)展、可重構(gòu)能力以及適應(yīng)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境能力更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在役雷達(dá)裝備持續(xù)改進(jìn)、靈活升級(jí)等。

（3）敏捷性

敏捷性主要是指雷達(dá)迅速響應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和技術(shù)發(fā)展變化，實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策和快速行動(dòng)的能力，強(qiáng)調(diào)的是行動(dòng)的迅速性，目的是提高雷達(dá)快速響應(yīng)需求變化和作戰(zhàn)環(huán)境變化的能力，重點(diǎn)是提高雷達(dá)機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、分布式作戰(zhàn)和生存能力。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)特別注重作戰(zhàn)行動(dòng)和方案的敏捷性。美空軍發(fā)布《敏捷作戰(zhàn)運(yùn)用》條令，要求在威脅時(shí)限內(nèi)執(zhí)行主動(dòng)和響應(yīng)式機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)方案，以增加彈性和生存能力，同時(shí)在綜合威懾過(guò)程中產(chǎn)生戰(zhàn)斗力，其核心是“分散部署、快速機(jī)動(dòng)”。雷達(dá)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)重要裝備，如何滿(mǎn)足敏捷作戰(zhàn)要求是亟待解決的重大問(wèn)題。另外，目前比較流行的敏捷制造、敏捷開(kāi)發(fā)技術(shù)通過(guò)可重用、可重組等技術(shù)手段對(duì)需求的變化做出快速響應(yīng)，可按用戶(hù)需求進(jìn)行個(gè)性化定制，并可持續(xù)不斷地改進(jìn)升級(jí)，從雷達(dá)裝備研制來(lái)看如何應(yīng)用這種新的研發(fā)模式提升雷達(dá)敏捷研發(fā)能力也是需要深入思考的問(wèn)題。軟件化雷達(dá)采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組件化設(shè)計(jì)方法，硬件模塊和軟件組件復(fù)用率高，可以根據(jù)任務(wù)需要實(shí)現(xiàn)快速研發(fā)、快速交付、快速形成能力等，并且可以在裝備壽命周期內(nèi)通過(guò)軟件升級(jí)快速提升能力。同時(shí)軟件化雷達(dá)還可以通過(guò)硬件重組、軟件重構(gòu)等方式，實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)和分布式組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)，提高雷達(dá)抗毀生存能力，這些正是傳統(tǒng)雷達(dá)所不具備的敏捷性。

由此可見(jiàn)，敏捷性是軟件化雷達(dá)第三個(gè)非常重要的特性。敏捷性主要體現(xiàn)在雷達(dá)研制周期短、升級(jí)改進(jìn)快，能快速提供雷達(dá)能力、快速提升雷達(dá)能力，可快速適應(yīng)威脅變化［5］，具有很強(qiáng)的抗毀生存能力。

綜上所述，傳統(tǒng)雷達(dá)與軟件化雷達(dá)相比最主要的差距就在于其開(kāi)放性、靈活性、敏捷性嚴(yán)重不足，而這些恰恰是現(xiàn)代作戰(zhàn)對(duì)雷達(dá)的主要要求。將軟件化雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)的開(kāi)放性、靈活性、敏捷性列表對(duì)比分析如表1。

表1 軟件化雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)對(duì)比Tab.1 Comparison between software defined radar and traditional radar

在軟件化雷達(dá)開(kāi)放性、靈活性和敏捷性三者的關(guān)系中，開(kāi)放性是根本和核心支撐，是實(shí)現(xiàn)靈活性和敏捷性的基礎(chǔ)，靈活性和敏捷性是軟件化雷達(dá)相對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)能力拓展、提升的具體體現(xiàn)。

軟件化雷達(dá)的目標(biāo)就是要提高雷達(dá)的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，這是傳統(tǒng)雷達(dá)所不具備的能力，并且這些能力已經(jīng)變得越來(lái)越重要。因此，研究軟件化雷達(dá)技術(shù)體制，重點(diǎn)就是研究提高雷達(dá)開(kāi)放性、靈活性和敏捷性的核心技術(shù)。

3 軟件化雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)要求

軟件化雷達(dá)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)是軟件化雷達(dá)實(shí)現(xiàn)其開(kāi)放性、靈活性和敏捷性的技術(shù)基礎(chǔ)。

二十世紀(jì)九十年代，美國(guó)國(guó)防部提出模塊化開(kāi)放式系統(tǒng)方法（Modular Open Systems Approach，MOSA），要求項(xiàng)目研制應(yīng)當(dāng)采用模塊化、開(kāi)放式系統(tǒng)的方式，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可負(fù)擔(dān)、可持續(xù)演進(jìn)的聯(lián)合作戰(zhàn)能力。MOSA 的原則是采用模塊化設(shè)計(jì)、選擇開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)、定義關(guān)鍵接口等，這樣可選擇的供應(yīng)商多、新技術(shù)應(yīng)用快、升級(jí)改造便利，同時(shí)又可有效地控制和降低成本。此后，在美軍武器裝備升級(jí)改進(jìn)和新研制項(xiàng)目中，都采用了模塊化開(kāi)放式系統(tǒng)方法的思想。

在MOSA 基礎(chǔ)上，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室提出雷達(dá)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)（Radar Open Systems Architecture，ROSA）［6-7］，主要包括雷達(dá)功能模塊分解、功能組件實(shí)現(xiàn)、公共組件接口、公共基礎(chǔ)設(shè)施、公共組件模板等五個(gè)方面內(nèi)容。ROSA 按照功能獨(dú)立、關(guān)系松耦合原則，將雷達(dá)系統(tǒng)分解為相對(duì)獨(dú)立的功能模塊。要求各功能模塊功能定義明確、接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可在不同雷達(dá)系統(tǒng)中共享、重用，具備松耦合、緊內(nèi)聚特征，易于擴(kuò)展，從而使雷達(dá)系統(tǒng)的各個(gè)部分具備完整的開(kāi)放性，便于全行業(yè)細(xì)化分工，縮短雷達(dá)研制周期，降低裝備采購(gòu)成本。

圖1是林肯實(shí)驗(yàn)室提出的雷達(dá)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)功能模塊分解圖。按照開(kāi)放式系統(tǒng)構(gòu)建原則，首先將雷達(dá)系統(tǒng)分為前端和后端2 個(gè)功能模塊；其次將前端分解為天線(xiàn)、接收/激勵(lì)2 個(gè)功能模塊，后端分解為信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理2 個(gè)功能模塊；第三可進(jìn)一步將天線(xiàn)功能模塊分解為孔徑和波束形成2個(gè)功能模塊，將數(shù)據(jù)處理功能模塊分解為控制處理、人-機(jī)接口和外部通信3個(gè)功能模塊。

圖1 雷達(dá)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)功能模塊分解圖Fig.1 Radar open system architecture function module breakdown diagram

需要說(shuō)明的是，圖1 所示基于層次化功能分解的開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)是一個(gè)可伸縮架構(gòu)，在具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的層次。一般來(lái)說(shuō)分解的層次越深，模塊劃分越細(xì)，開(kāi)放的程度越高。但也并不是分解的層次越深、模塊劃分越細(xì)越好，因?yàn)楦顚哟魏透?xì)粒度的功能模塊分解需要付出更大的代價(jià)，可能帶來(lái)雷達(dá)運(yùn)行效率下降等不利影響，因此需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況和雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用需求合理選擇確定開(kāi)放的層次。

軟件化雷達(dá)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)的另一核心內(nèi)容是分層設(shè)計(jì)［8-9］。圖2 所示為軟件化雷達(dá)系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)模型，其設(shè)計(jì)思想是將雷達(dá)系統(tǒng)（包括前端、后端）分為硬件層、軟件環(huán)境層（包括基礎(chǔ)軟件、中間件、集成框架、開(kāi)發(fā)環(huán)境）和應(yīng)用層三個(gè)層次，通過(guò)軟件環(huán)境層對(duì)虛擬化的硬件資源進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件和硬件平臺(tái)的解耦，以及系統(tǒng)資源的靈活配置，提高雷達(dá)系統(tǒng)的靈活性、敏捷性。

圖2 軟件化雷達(dá)系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)模型Fig.2 Software defined radar system hierarchical design model

圖2中硬件層是指雷達(dá)前端天線(xiàn)和后端處理平臺(tái)的硬件資源，包括計(jì)算、存儲(chǔ)、管理、交換等物理資源。軟件環(huán)境層位于雷達(dá)硬件與雷達(dá)應(yīng)用之間，負(fù)責(zé)屏蔽底層硬件差異，為雷達(dá)應(yīng)用軟件運(yùn)行提供基礎(chǔ)環(huán)境。其中，基礎(chǔ)軟件包括操作系統(tǒng)和底層服務(wù)軟件；中間件用于屏蔽不同硬件、基礎(chǔ)軟件接口差異，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，主要包括通信中間件和計(jì)算中間件；集成框架對(duì)上承接應(yīng)用軟件，提供應(yīng)用軟件集成、運(yùn)行管理接口，對(duì)下通過(guò)中間件與基礎(chǔ)軟件接口，管理硬件平臺(tái)資源；開(kāi)發(fā)環(huán)境采用圖形化等方式開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件組件，對(duì)上提供圖形化應(yīng)用系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)界面，對(duì)下調(diào)用集成框架提供的集成服務(wù)。應(yīng)用層包括實(shí)現(xiàn)雷達(dá)各種功能的應(yīng)用軟件（組件），通過(guò)集成框架部署、調(diào)度管理，支撐雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行。

總體來(lái)說(shuō)，軟件化雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)放性、靈活性、敏捷性的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)功能模塊劃分標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)接口標(biāo)準(zhǔn)，以及分層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化模型，必須制定行業(yè)內(nèi)共同遵循的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)軟件化雷達(dá)在開(kāi)放性、靈活性、敏捷性方面能力提升目標(biāo)。

綜合上述分析結(jié)果，我們認(rèn)為基于層次化模型的模塊化開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)是軟件化雷達(dá)設(shè)計(jì)的頂層要求，是實(shí)現(xiàn)軟件化雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)放性、靈活性、敏捷性的重要基礎(chǔ)和靈魂。軟件化雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)相比最主要的區(qū)別和優(yōu)勢(shì)在于采用開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)和層次化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)和層次化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是軟件化雷達(dá)技術(shù)體制的核心內(nèi)容。

4 軟件化雷達(dá)前端要求

軟件化雷達(dá)前端在符合開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)和層次化設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上，要求功能上具備軟件可重構(gòu)能力、規(guī)模上具備積木化可擴(kuò)展能力。

傳統(tǒng)雷達(dá)的前端盡管通過(guò)多功能多任務(wù)設(shè)計(jì)也具備一定的可重構(gòu)、可擴(kuò)展能力，但這種可重構(gòu)、可擴(kuò)展能力是針對(duì)特定任務(wù)要求預(yù)先設(shè)計(jì)的固定的幾種重構(gòu)和擴(kuò)展方式，當(dāng)面對(duì)超出預(yù)期的新任務(wù)新要求時(shí)，傳統(tǒng)雷達(dá)前端則難以通過(guò)重構(gòu)和擴(kuò)展?jié)M足新任務(wù)要求，根本原因在于其前端的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性設(shè)計(jì)不足。

為了提高前端的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，軟件化雷達(dá)前端要求采用功能模塊分解和組件化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)前端與后端解耦、前端各模塊之間解耦。采用服務(wù)化封裝方法和標(biāo)準(zhǔn)接口定義，將前端的頻率、波形、能量、波束、極化等資源完全開(kāi)放出來(lái)，通過(guò)改變資源配置關(guān)系、工作參數(shù)等，支撐實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)功能靈活重構(gòu)，包括任務(wù)重構(gòu)、孔徑重構(gòu)、波束重構(gòu)、波形重構(gòu)、極化重構(gòu)等，以及雷達(dá)系統(tǒng)規(guī)模的積木化靈活擴(kuò)展。

為確保前端實(shí)現(xiàn)功能模塊化、模塊間松耦合、可重構(gòu)、可擴(kuò)展的要求，需按照軟件化雷達(dá)功能模塊分層分解要求，制定軟件化雷達(dá)前端設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，明確前端各層級(jí)模塊功能要求、接口要求、應(yīng)用組件要求、屬性描述要求等，規(guī)范軟件化雷達(dá)前端論證、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、集成和測(cè)試。主要要求是：

（1）開(kāi)放性要求

遵循軟件化雷達(dá)模塊功能獨(dú)立、接口明確、關(guān)系松耦合原則，明確各功能模塊內(nèi)涵及接口標(biāo)準(zhǔn)定義，支持獨(dú)立升級(jí)。

（2）軟件定義要求

具備收發(fā)波束指向、信號(hào)波形、工作頻率、發(fā)射功率、接收增益、處理帶寬、重頻、相參處理周期等參數(shù)的軟件定義能力。

（3）可重構(gòu)要求

支持天線(xiàn)孔徑劃分、波束形狀及數(shù)量、極化等屬性可重構(gòu)。

（4）可擴(kuò)展要求

遵循模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)相關(guān)要求，支撐前端規(guī)模擴(kuò)展。以標(biāo)準(zhǔn)化子陣為基本單元，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)子陣為獨(dú)立功能單元，具有相同的電訊、結(jié)構(gòu)和冷卻接口。采用積木化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)陣面的擴(kuò)展性和重構(gòu)性，簡(jiǎn)化陣面內(nèi)部接口互聯(lián)。

在前端軟件化的具體實(shí)現(xiàn)方式上，可采用應(yīng)用組件實(shí)現(xiàn)前端信息處理功能，應(yīng)用組件基于通用函數(shù)、功能函數(shù)庫(kù)開(kāi)發(fā)，向應(yīng)用組件提供函數(shù)調(diào)用接口，將前端的頻率、波形、能量、波束、極化等資源以標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)接口方式開(kāi)放出來(lái)。

因此，為提高軟件化雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，必須打破傳統(tǒng)雷達(dá)前端設(shè)計(jì)思路束縛，遵循軟件化雷達(dá)前端設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，充分開(kāi)放前端資源，合理劃分功能模塊，實(shí)現(xiàn)模塊間解耦和組件化應(yīng)用，提高前端的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性。

5 軟件化雷達(dá)后端要求

軟件化雷達(dá)后端在符合開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)和層次化設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上，同樣要求功能上具備軟件可重構(gòu)能力、規(guī)模上具備積木化可擴(kuò)展能力。后端在物理組成上包括后端處理平臺(tái)和軟件環(huán)境兩部分。

5.1 軟件化雷達(dá)后端處理平臺(tái)要求

傳統(tǒng)雷達(dá)后端處理平臺(tái)的數(shù)字化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)雖然已具有比較好的基礎(chǔ)，但是后端與前端耦合緊密、軟硬件耦合緊密，缺乏硬件資源抽象和虛擬化，由此造成雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性難以滿(mǎn)足要求。

為提高后端處理平臺(tái)的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，軟件化雷達(dá)后端處理平臺(tái)要求采用開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)和通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)思想，制定后端處理平臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并采用高性能處理、存儲(chǔ)和通信技術(shù)，具備高速并行處理、高速通信互聯(lián)、硬件可重組、規(guī)?？蓴U(kuò)展能力，滿(mǎn)足軟件化雷達(dá)密集計(jì)算、大帶寬、低延遲的處理需求。主要要求是：

（1）開(kāi)放性要求

采用開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，嚴(yán)格遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和信息格式，最大程度地實(shí)現(xiàn)軟硬件重用，提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的軟硬件接口。

（2）可重構(gòu)要求

具備靈活的系統(tǒng)配置和重組能力，支持靜態(tài)及動(dòng)態(tài)、在線(xiàn)及離線(xiàn)等多種配置方式，可根據(jù)任務(wù)對(duì)硬件資源的需求和硬件資源的使用狀態(tài)，動(dòng)態(tài)分配硬件資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能重構(gòu)。

（3）可擴(kuò)展要求

平臺(tái)硬件資源從規(guī)模上具備適應(yīng)不同工作場(chǎng)景需求的靈活配置能力，平臺(tái)規(guī)模變化對(duì)軟件以及應(yīng)用的影響較低，且平臺(tái)可通過(guò)擴(kuò)展接口進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)展。

（4）通用性要求

采用VPX/OpenVPX、ATCA、ASAAC 等通用標(biāo)準(zhǔn)或通用標(biāo)準(zhǔn)的組合，采用SRIO、PCIe、以太網(wǎng)等通用標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，采用通用化、模塊化設(shè)計(jì)，且同類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)模塊可互換。操作系統(tǒng)接口一般應(yīng)符合POSIX規(guī)范。

此外，后端處理平臺(tái)還需符合軟件化雷達(dá)開(kāi)發(fā)環(huán)境、集成框架、應(yīng)用組件、中間件等提出的相關(guān)要求，通過(guò)硬件資源抽象化、虛擬化，為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供通用化虛擬接口，支持集成框架、中間件等實(shí)現(xiàn)無(wú)硬件差異屏蔽和靈活部署等功能。

5.2 軟件化雷達(dá)軟件環(huán)境要求

軟件環(huán)境是軟件化雷達(dá)特有的存在，是軟件化雷達(dá)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是軟件化雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)最主要的不同之處。除基礎(chǔ)軟件、操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)環(huán)境外，軟件環(huán)境主要包括集成框架和中間件。

（1）集成框架

集成框架是為軟件化雷達(dá)系統(tǒng)提供開(kāi)放式軟硬件資源管理、應(yīng)用管理和服務(wù)管理的綜合軟件平臺(tái)，主要功能是對(duì)雷達(dá)軟硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，支持軟硬件資源動(dòng)態(tài)部署，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)應(yīng)用功能的插接式集成。集成框架對(duì)上為應(yīng)用提供服務(wù)調(diào)用接口，為用戶(hù)屏蔽底層的系統(tǒng)資源信息，確保上層應(yīng)用快速使用系統(tǒng)資源；對(duì)下將分布式系統(tǒng)的資源進(jìn)行統(tǒng)一化管理，為軟件化雷達(dá)應(yīng)用提供對(duì)底層軟件和硬件更高層次的抽象和管理。對(duì)集成框架的主要要求是：

1）開(kāi)放性要求

在一定的范圍內(nèi)，支持應(yīng)用軟件及硬件數(shù)量、類(lèi)型可靈活擴(kuò)展。

2）可重構(gòu)要求

可根據(jù)系統(tǒng)需求，進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)資源重構(gòu)。

3）軟硬件解耦要求

支持應(yīng)用軟件集成、部署、運(yùn)行不依賴(lài)特定硬件。

（2）中間件

中間件是軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中屏蔽硬件、基礎(chǔ)軟件接口差異，實(shí)現(xiàn)功能模塊之間、軟件與硬件之間解耦，支撐應(yīng)用軟件集成和開(kāi)發(fā)的軟件或服務(wù)。軟件化雷達(dá)中主要需要兩種中間件，即通信中間件和計(jì)算中間件。其中通信中間件主要支撐雷達(dá)應(yīng)用任務(wù)中的信息和信號(hào)高效傳輸，計(jì)算中間件主要支持跨平臺(tái)高性能計(jì)算。

軟件化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用對(duì)中間件的解耦能力、可擴(kuò)展能力等提出了很高的要求，目前商用中間件產(chǎn)品在平臺(tái)支持、產(chǎn)品架構(gòu)、性能指標(biāo)、協(xié)議適配、運(yùn)行資源約束等方面難以滿(mǎn)足要求，需要研發(fā)雷達(dá)高效中間件以解決復(fù)雜平臺(tái)下跨平臺(tái)通訊、動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展、按需動(dòng)態(tài)重構(gòu)和跨平臺(tái)移植等問(wèn)題，支撐軟件化雷達(dá)設(shè)計(jì)、研發(fā)和集成應(yīng)用。對(duì)中間件的主要要求是：

1）開(kāi)放性要求

采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化接口，即插即用，支持在各類(lèi)異構(gòu)處理器、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的透明移植。

2）可重構(gòu)要求

支持軟件化雷達(dá)不同層次應(yīng)用重構(gòu)，以及軟硬件模塊的動(dòng)態(tài)按需重構(gòu)和應(yīng)用動(dòng)態(tài)集成。

3）可擴(kuò)展要求

滿(mǎn)足軟件化雷達(dá)應(yīng)用環(huán)境的高擴(kuò)展要求，支持在平臺(tái)、架構(gòu)、服務(wù)、傳輸、交互模式等方面的動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展，以及板卡之間、處理器之間和處理器內(nèi)不同核之間的通信靈活可擴(kuò)展需求。

4）高效率要求

滿(mǎn)足軟件化雷達(dá)高速實(shí)時(shí)傳輸和高性能計(jì)算需求。

因此，為提高軟件化雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，軟件化雷達(dá)后端必須在傳統(tǒng)雷達(dá)后端基礎(chǔ)上有新的突破，采用集成框架和中間件等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟硬件平臺(tái)解耦能力和架構(gòu)可擴(kuò)展，以及組件應(yīng)用靈活性，提高后端的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性。

6 軟件化雷達(dá)應(yīng)用軟件要求

傳統(tǒng)雷達(dá)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用瀑布模型和按計(jì)劃開(kāi)發(fā)方法，軟件復(fù)雜度和耦合度高，升級(jí)改進(jìn)難度大，并且可復(fù)用性差，軟件開(kāi)發(fā)效率低下。

為滿(mǎn)足軟件化雷達(dá)開(kāi)放性、靈活性、敏捷性需求，軟件化雷達(dá)應(yīng)用軟件采用組件化設(shè)計(jì)模式［10］，其設(shè)計(jì)思想是將應(yīng)用軟件分解為多個(gè)獨(dú)立的組件，每個(gè)組件都有自己的功能和接口，可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)、測(cè)試和部署。應(yīng)用軟件組件化設(shè)計(jì)可以提高軟件的可擴(kuò)展性、可復(fù)用性和可維護(hù)性，降低軟件的復(fù)雜度和耦合度，使軟件開(kāi)發(fā)更加高效和靈活，為實(shí)現(xiàn)軟件化雷達(dá)功能任務(wù)靈活重構(gòu)、性能快速升級(jí)和新技術(shù)及時(shí)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。應(yīng)用軟件組件化設(shè)計(jì)是軟件化雷達(dá)區(qū)別于傳統(tǒng)雷達(dá)的重要特征。

軟件化雷達(dá)應(yīng)用軟件組件化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)遵循組件設(shè)計(jì)規(guī)范，并滿(mǎn)足以下要求：

（1）獨(dú)立性

組件功能獨(dú)立，組件之間松耦合。

（2）可裝配

組件之間可以連接和裝配。

（3）可復(fù)用

可以將已有的組件直接應(yīng)用到其他雷達(dá)系統(tǒng)中，減少開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。

（4）可共享

組件支持在不同廠商的集成框架和開(kāi)發(fā)環(huán)境中集成和使用。

（5）適應(yīng)性

具備適應(yīng)硬件擴(kuò)展的能力。

需要注意的是，由于雷達(dá)應(yīng)用處理對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，組件的劃分粒度不宜過(guò)細(xì)，需要根據(jù)雷達(dá)靈活性和實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行優(yōu)化，選取合適的組件粒度。

因此，為提高軟件化雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，應(yīng)用軟件必須采用組件化設(shè)計(jì)，并且要注重提高組件的復(fù)用性，加強(qiáng)第三方組件應(yīng)用和組件庫(kù)管理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的敏捷開(kāi)發(fā)，提高軟件開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量，降低軟件開(kāi)發(fā)成本和維護(hù)難度。

7 結(jié)論

軟件化雷達(dá)技術(shù)體制不同于傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)體制，該技術(shù)體制是從提高雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性出發(fā)，通過(guò)變革傳統(tǒng)雷達(dá)的設(shè)計(jì)方法和研發(fā)模式而產(chǎn)生的一種全新技術(shù)體制，其核心內(nèi)容是開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)、層次化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模塊化功能劃分、組件化軟件開(kāi)發(fā)以及軟硬件解耦等技術(shù)，這些技術(shù)決定了軟件化雷達(dá)具有傳統(tǒng)雷達(dá)所不具備的開(kāi)放性、靈活性和敏捷性，賦予軟件化雷達(dá)在傳統(tǒng)雷達(dá)性能基礎(chǔ)上拓展出新的能力，并且這一能力已變得越來(lái)越重要，其重要性在某種程度上甚至超越傳統(tǒng)雷達(dá)性能，成為新一代雷達(dá)發(fā)展追求的目標(biāo)。