并行處理技術(shù)在場監(jiān)雷達(dá)錄取器中的應(yīng)用

摘" 要：場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)對錄取器的實(shí)時(shí)性要求高，而場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。并行處理技術(shù)可在有限時(shí)間內(nèi)高效地完成處理任務(wù)，是錄取器的核心技術(shù)之一。該文針對場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)錄取器的業(yè)務(wù)內(nèi)容，將數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、航跡生成、視頻數(shù)據(jù)及航跡數(shù)據(jù)分發(fā)等業(yè)務(wù)劃分至不同的線程。其中，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法較為復(fù)雜，使用多個(gè)線程同時(shí)處理雷達(dá)數(shù)據(jù)可大幅提升算法效率。將并行處理技術(shù)應(yīng)用于場監(jiān)雷達(dá)錄取器中，保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：并行處理；多線程；錄取器；場面監(jiān)視；軟件工程

中圖分類號(hào)：TP311.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0192-05

機(jī)場地面運(yùn)行中不可避免地存在飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)與車輛之間的沖突，可能出現(xiàn)的地面交通擁擠混亂將導(dǎo)致機(jī)場運(yùn)行效率和安全保障水平下降。機(jī)場的飛機(jī)起降架次急劇增長，導(dǎo)致在復(fù)雜的機(jī)場環(huán)境管理飛機(jī)和地面服務(wù)車輛的困難度日益增加，成為機(jī)場地面指揮管理中急需解決的問題。此外，由于氣候、目視條件等因素，在低能見度和視線被遮擋的情況下，塔臺(tái)和停機(jī)坪的管制指揮工作僅依靠目視指揮和管理地面交通將有較大的難度。場監(jiān)雷達(dá)[1]可以實(shí)現(xiàn)機(jī)場區(qū)域監(jiān)視，進(jìn)而合理規(guī)劃地面交通，為機(jī)場在低能見度下運(yùn)行提供可靠保障。

錄取器與監(jiān)控軟件是場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)的核心[2]。錄取器負(fù)責(zé)雷達(dá)信號(hào)處理、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)處理、視頻及航跡數(shù)據(jù)上報(bào)、設(shè)備控制、日志記錄和備份切換等功能。監(jiān)控軟件用于顯示視頻及航跡、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)和顯示日志等。

錄取器功能多、數(shù)據(jù)量大、計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性要求高，特別是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜度高，錄取器的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性是必須要解決的一大難點(diǎn)。

隨著硬件的升級(jí)，計(jì)算機(jī)核心數(shù)迅速增加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中并行處理技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛[3-4]。多線程技術(shù)是并行處理技術(shù)中的典型，相比單線程，開啟多個(gè)線程可更高效地利用計(jì)算機(jī)多核資源，大幅提升處理能力。

本文介紹了并行處理技術(shù)在場監(jiān)雷達(dá)錄取器中的應(yīng)用。使用并行處理技術(shù)將錄取器的業(yè)務(wù)劃分至不同的線程執(zhí)行，特別是使用多個(gè)線程執(zhí)行雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法，將雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，有效提高了錄取器及場監(jiān)雷達(dá)的運(yùn)行效率。

1" 場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)介紹

場監(jiān)雷達(dá)是機(jī)場區(qū)域合理規(guī)劃地面交通管制的一個(gè)有效工具，實(shí)現(xiàn)機(jī)場區(qū)域監(jiān)視和合理規(guī)劃地面交通的功能，是實(shí)現(xiàn)機(jī)場低能見度運(yùn)行的基本條件，在國內(nèi)外大型機(jī)場的運(yùn)行中得到了廣泛的應(yīng)用。在“先進(jìn)的場面引導(dǎo)和控制系統(tǒng)（Advanced-Surface Movement Guidance and Control System-A-SMGCS）”[5]中，場監(jiān)雷達(dá)的監(jiān)視功能是其最為核心的功能，也是實(shí)現(xiàn)其他功能的前提。

1.1" 場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

場監(jiān)雷達(dá)由天線、轉(zhuǎn)臺(tái)、雷達(dá)、錄取器及監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中雷達(dá)與錄取器雙通道互為備份，監(jiān)控系統(tǒng)包含本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控。

雷達(dá)A/B產(chǎn)生波形，經(jīng)過信道從天線發(fā)射出去。目標(biāo)反射信號(hào)從天線經(jīng)由波導(dǎo)，再由信道上報(bào)到雷達(dá)A/B。錄取器接收到雷達(dá)A/B的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成視頻數(shù)據(jù)及航跡數(shù)據(jù)后上報(bào)到監(jiān)控系統(tǒng)（本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控）及自動(dòng)化系統(tǒng)。

1.2" 錄取器簡介

錄取器是場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)的核心，其功能如下。

1.2.1" 雷達(dá)原始數(shù)據(jù)接收功能

錄取器可接收雷達(dá)上報(bào)的雷達(dá)原始數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量每秒可達(dá)幾十兆字節(jié)。

1.2.2" 雷達(dá)原始數(shù)據(jù)處理功能

錄取器通過執(zhí)行雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法[6]將雷達(dá)原始數(shù)據(jù)處理成為可供航跡生成模塊使用的數(shù)據(jù)。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法較為復(fù)雜，時(shí)間復(fù)雜度高，其運(yùn)行效率是錄取器的一大難點(diǎn)。

1.2.3" 視頻及航跡數(shù)據(jù)上報(bào)功能

錄取器能夠向指定的IP和端口通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口或光纖接口上報(bào)視頻及航跡數(shù)據(jù)。

1.2.4" 設(shè)備狀態(tài)接收及解析功能

錄取器可接收雷達(dá)上報(bào)的設(shè)備狀態(tài)信息，檢測雷達(dá)系統(tǒng)中各功能模塊運(yùn)行是否正常，并將狀態(tài)信息上報(bào)到監(jiān)控軟件。

1.2.5" 設(shè)備參數(shù)控制功能

錄取器可接收本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件下達(dá)的控制命令，并將控制命令下發(fā)到雷達(dá)進(jìn)而控制系統(tǒng)中各設(shè)備工作。

1.2.6" 日志記錄功能

錄取器可記錄系統(tǒng)日志信息，日志類型包括設(shè)備狀態(tài)日志和用戶操作日志等。

1.2.7" 備份切換功能

錄取器具備響應(yīng)手動(dòng)切換和自動(dòng)切換的能力。正常情況下，系統(tǒng)中僅有一個(gè)錄取器在進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。當(dāng)前正在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的錄取器發(fā)生異常時(shí)，另一個(gè)錄取器可立刻進(jìn)行補(bǔ)位，無縫接入系統(tǒng)。

1.2.8" 遠(yuǎn)程維護(hù)等其他能力

錄取器數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

錄取器具有數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、雷達(dá)處理算法實(shí)時(shí)性要求高、功能多樣的特點(diǎn)。

1）數(shù)據(jù)類型復(fù)雜。錄取器與雷達(dá)之間需傳輸3路數(shù)據(jù)（狀態(tài)、控制、雷達(dá)原始數(shù)據(jù)），與本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控之間需傳輸5類共10路數(shù)據(jù)，與自動(dòng)化系統(tǒng)之間需傳輸2類至少10路數(shù)據(jù)（視頻數(shù)據(jù)不少于5路，航跡數(shù)據(jù)不少于5路）。

2）雷達(dá)處理算法實(shí)時(shí)性要求高。雷達(dá)原始數(shù)據(jù)量大、傳輸速度快，每秒可達(dá)幾十兆字節(jié)。而要生成高質(zhì)量航跡，雷達(dá)處理算法復(fù)雜度較高。

3）功能多樣。錄取器具備10余種功能，其中大部分功能實(shí)時(shí)性要求高，如雷達(dá)原始數(shù)據(jù)接收、雷達(dá)原始數(shù)據(jù)處理、設(shè)備狀態(tài)處理等功能。

基于以上錄取器的特點(diǎn)，在錄取器中應(yīng)用并行處理技術(shù)，以保障錄取器實(shí)時(shí)性。

2" 并行處理技術(shù)的應(yīng)用

2.1 雷達(dá)原始數(shù)據(jù)接收與處理分離

雷達(dá)每秒向錄取器傳輸360°雷達(dá)原始數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量每秒可達(dá)幾十兆字節(jié)。若將雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的接收和處理串行，可能由于雷達(dá)原始數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收不及時(shí)，雷達(dá)原始數(shù)據(jù)被迫丟棄，進(jìn)而影響航跡質(zhì)量。同時(shí)，也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)得不到及時(shí)處理，不能滿足系統(tǒng)時(shí)延要求。

因此，將雷達(dá)原始數(shù)據(jù)接收和處理相分離，啟用2個(gè)線程分別接收和處理雷達(dá)原始數(shù)據(jù)。雷達(dá)原始數(shù)據(jù)經(jīng)算法處理后形成的檢測數(shù)據(jù)將被發(fā)送至航跡生成線程進(jìn)行航跡生成。雷達(dá)原始數(shù)據(jù)接收與處理線程并行運(yùn)行，有效利用CPU多核心同時(shí)提升了雷達(dá)原始數(shù)據(jù)接收和處理的效率。

2.2 多線程同步處理雷達(dá)原始數(shù)據(jù)

雷達(dá)原始數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜，是錄取器的瓶頸。使用多線程將數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，將大大縮短算法執(zhí)行時(shí)間。

例如，當(dāng)接收到256包雷達(dá)原始數(shù)據(jù)時(shí)，使用8個(gè)線程進(jìn)行處理，每個(gè)線程處理32包數(shù)據(jù)，相較于單線程處理256包數(shù)據(jù)，處理效率明顯提高。以256包數(shù)據(jù)為例展示多線程實(shí)現(xiàn)步驟。

2.2.1" 初始化相關(guān)變量及線程

ProcessThreadCount為雷達(dá)原始數(shù)據(jù)處理線程數(shù)量，其值為8。IsDataReady數(shù)組用于標(biāo)記為雷達(dá)原始數(shù)據(jù)是否已接收，當(dāng)接收到對應(yīng)線程索引號(hào)的數(shù)據(jù)時(shí)，對應(yīng)數(shù)組元素被置為true，否則為1。IsThreadDataDone數(shù)組用于標(biāo)記雷達(dá)原始數(shù)據(jù)是否處理完成，當(dāng)對應(yīng)線程索引號(hào)的數(shù)據(jù)處理完成時(shí)被置為true，否則為1。TheadIndex為線程索引號(hào)數(shù)組，其范圍為0～（ProcessThreadCount-1）。ProcessThreadFunc為線程處理函數(shù)，當(dāng)處理的總數(shù)據(jù)包數(shù)為256，ProcessThreadCount為8時(shí)，每個(gè)線程處理32包數(shù)據(jù)。初始化相關(guān)變量及線程代碼如下：

2.2.2" 多線程同步處理雷達(dá)原始數(shù)據(jù)

當(dāng)接收到256包雷達(dá)原始數(shù)據(jù)，執(zhí)行ProcessData線程處理函數(shù)，并在其中設(shè)置IsDataReady數(shù)組各元素為true， 控制各ProcessThreadFunc分線程處理函數(shù)處理雷達(dá)原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)入while循環(huán)等待ProcessThreadFunc分線程處理函數(shù)完成數(shù)據(jù)處理。ProcessThreadFunc分線程處理函數(shù)完成對應(yīng)線程的數(shù)據(jù)處理后將IsThreadDataDone數(shù)組對應(yīng)元素置為true，使ProcessData線程處理函數(shù)退出while循環(huán)。至此，256包數(shù)據(jù)通過8個(gè)線程處理完畢，形成檢測數(shù)據(jù)，發(fā)送至航跡生成線程進(jìn)行處理。ProcessData和ProcessThreadFunc線程處理函數(shù)代碼如下：

2.3 并行處理技術(shù)的其他應(yīng)用

除雷達(dá)原始數(shù)據(jù)接收與處理等線程外，錄取器的其他業(yè)務(wù)同樣使用并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

航跡生成線程。執(zhí)行航跡算法，形成高質(zhì)量航跡。

設(shè)備狀態(tài)接收與解析線程。從雷達(dá)接收設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)包，并解析為可讀的狀態(tài)信息，同時(shí)將異常狀態(tài)記錄到日志文件中。

設(shè)備狀態(tài)發(fā)送線程。發(fā)送解析后的設(shè)備狀態(tài)至本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控以供實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)。

控制命令處理線程。從本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控接收控制命令，進(jìn)而將控制命令發(fā)送至雷達(dá)以控制系統(tǒng)工作。

自定義視頻發(fā)送線程。雷達(dá)原始視頻處理后，經(jīng)自定義視頻協(xié)議發(fā)送至本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

自定義航跡發(fā)送線程。將航跡通過自定義航跡協(xié)議發(fā)送至本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

標(biāo)準(zhǔn)視頻發(fā)送線程。將多路視頻數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)歐控協(xié)議[7]數(shù)據(jù)發(fā)送至自動(dòng)化系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)航跡發(fā)送。將航跡通過標(biāo)準(zhǔn)歐控協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送至自動(dòng)化系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫操作。執(zhí)行本地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控對用戶信息等數(shù)據(jù)庫的操作。

2.4" 并行處理技術(shù)應(yīng)用匯總

并行處理技術(shù)在場監(jiān)雷達(dá)錄取器中的應(yīng)用匯總見表1，共使用20個(gè)線程完成錄取器功能。

場監(jiān)雷達(dá)錄取器已在國內(nèi)多個(gè)機(jī)場使用，經(jīng)測試滿足MH/T 4043—2015《民用航空X波段場面監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備技術(shù)要求》視頻處理時(shí)延250 ms、航跡生成時(shí)延500 ms的要求。錄取器運(yùn)行實(shí)時(shí)性高，設(shè)備狀態(tài)上報(bào)時(shí)延不大于100 ms，參數(shù)控制等各項(xiàng)功能響應(yīng)及時(shí)。

3" 結(jié)束語

場監(jiān)雷達(dá)錄取器采用并行處理技術(shù)多線程技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過雷達(dá)原始數(shù)據(jù)與處理分離、多線程同步處理雷達(dá)原始數(shù)據(jù)等方式提高了雷達(dá)數(shù)據(jù)處理效率。分別使用獨(dú)立線程完成航跡生成、狀態(tài)接收與解析、控制命令處理等業(yè)務(wù)，保障業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性。場監(jiān)雷達(dá)錄取器滿足場監(jiān)雷達(dá)對于視頻處理、航跡生成、狀態(tài)上報(bào)和參數(shù)控制等功能時(shí)延指標(biāo)要求。并行處理技術(shù)應(yīng)用在場監(jiān)雷達(dá)錄取器中達(dá)到了較好的效果。

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Abstract： The field surveillance radar system has high requirements for real-time performance of the recorder， but the field surveillance radar system has a large amount of data， many data types， and complex data processing. Parallel processing technology can efficiently complete processing tasks in a limited time and is one of the core technologies of the recorder. Aiming at the business content of the recorder of the field surveillance radar system， this paper divides the services such as data reception， data analysis， track generation， video data and track data distribution into different threads. Among them， the radar data processing algorithm is relatively complex， and using multiple threads to process radar data simultaneously can greatly improve the efficiency of the algorithm. Parallel processing technology is applied to the field surveillance radar recorder to ensure the real-time performance of the system.

第一作者簡介：張菊（1989-），女，碩士，工程師。研究方向?yàn)檐浖_發(fā)。