雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件模塊化研究

羅利強(qiáng) 張艷艷 高 恒

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 概述

隨著信息技術(shù)在武器裝備中的廣泛應(yīng)用，軟件工程在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的地位和作用日趨突出，逐漸成為高新武器裝備體系的關(guān)鍵。

由于武器系統(tǒng)對于信息化、智能化的要求越來越高，導(dǎo)致雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的規(guī)模和復(fù)雜性也不斷提高，同時對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的可靠性也有了更高的要求，原來針對于某一項(xiàng)目而進(jìn)行的軟件開發(fā)方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)大型化、復(fù)雜化、高可靠、通用化發(fā)展趨勢。

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理體系架構(gòu)，利用軟件模塊化思想，將規(guī)模復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理軟件分解為互相獨(dú)立的軟件功能模塊(軟部件)，軟件模塊可重復(fù)使用，提高雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的質(zhì)量與可靠性;而且這些軟件功能模塊(軟部件)的相關(guān)參數(shù)可靈活配置，滿足用戶個性化需求。

軟件模塊化作為軟件工程化實(shí)現(xiàn)的重要手段，將軟件模塊化思想應(yīng)用于搜索雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對于雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件(簡稱“DPU”，以下同)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范，對提高軟件產(chǎn)品研制效率，保證軟件質(zhì)量和可靠性，具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)處理軟件功能需求

2.1 工作原理

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用以完成目標(biāo)的航跡建立、航跡相關(guān)、航跡管理、航跡更新、雜波處理、敵我識別、威脅估計(jì)、目標(biāo)導(dǎo)引等處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤;同時接收友鄰空情，具備一定的多傳感器數(shù)據(jù)融合和多站干擾定位能力［1］。典型雷達(dá)數(shù)據(jù)處理工作原理如下:

a.系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時接收空情信息(包括本地空情和友鄰空情信息)，并完成空情信息分類存儲;

b.對于本站空情(包括原始一次點(diǎn)跡和有源干擾信息)，通過坐標(biāo)變換，將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要求的坐標(biāo)系下，完成點(diǎn)跡預(yù)處理;對符合凝聚條件的原始一次點(diǎn)跡進(jìn)行合并處理，提高點(diǎn)跡精度，生成凝聚點(diǎn)跡，并作為航跡處理輸入;判定每個點(diǎn)跡是屬于新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的點(diǎn)跡，還是屬于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并建立航跡的目標(biāo)點(diǎn)跡，對于新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，及時建立目標(biāo)航跡，并通過批號管理完成航跡批號的有效分配;對于用于航跡更新的點(diǎn)跡，建立航跡和點(diǎn)跡的配對矩陣，完成航跡點(diǎn)跡相關(guān)和航跡濾波更新;依據(jù)目標(biāo)運(yùn)動要素和詢問結(jié)果，完成目標(biāo)的威脅評估和目標(biāo)屬性識別;處理更新后的航跡數(shù)據(jù)一方面實(shí)時上報(bào)，一方面用于航跡數(shù)據(jù)庫更新，為下次跟蹤維持服務(wù);估算出目標(biāo)的運(yùn)動速度和位置，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)導(dǎo)引光電或者導(dǎo)彈截獲目標(biāo);在航跡處理過程中，通過對航跡質(zhì)量不斷更新，完成航跡的確認(rèn)和撤銷過程。

c.對于鄰站空情(包括一次航跡和有源干擾)，通過時空對準(zhǔn)、多站多目標(biāo)跟蹤，完成多源空情信息的同一性辨識、航跡融合處理以及多站有源干擾定位等任務(wù)，形成統(tǒng)一空情態(tài)勢。典型雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作流程圖

2.2 功能劃分

在充分研究典型雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上［2］，結(jié)合項(xiàng)目工程實(shí)際，綜合考慮雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的擴(kuò)展性和不同型號產(chǎn)品之間通用性，對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件功能進(jìn)行了劃分，具體功能劃分如表1 所示。

表1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件功能劃分［4］

2.3 關(guān)鍵模塊功能設(shè)計(jì)

a.點(diǎn)跡凝聚

點(diǎn)跡凝聚是將在一定距離，方位和俯仰范圍內(nèi)的相關(guān)原始一次點(diǎn)跡進(jìn)行存儲并凝聚，該凝聚門限可控。凝聚采用的方法是線性加權(quán)求重心，即:

式(1)中，n 為目標(biāo)點(diǎn)跡個數(shù)，Ai和Vi分別為第i 個點(diǎn)跡的位置和回波幅度值。

b.雜波剔除

雜波剔除功能包括雜波圖子模塊和雜波屏蔽區(qū)子模塊，雜波圖、屏蔽區(qū)功能開關(guān)可控。其中雜波圖自動建立、自動更新;雜波屏蔽區(qū)由操作手人工設(shè)定。

雜波剔除功能有效時，落入雜波剔除區(qū)域且同已有航跡相關(guān)不上的點(diǎn)跡應(yīng)作為雜波予以剔除;在雜波圖或屏蔽區(qū)內(nèi)不允許自動建立航跡(允許手動建立航跡)，但可采用較嚴(yán)格的相關(guān)準(zhǔn)則保證已有航跡有效跟蹤維持。

c.航跡建立

系統(tǒng)提供兩種航跡建立方式，即自動航跡建立方式和手動建立航跡方式。系統(tǒng)工作時以自動為主，手動建航作為自動建航的一個補(bǔ)充，用于虛警較高和檢測概率較低的場合。

當(dāng)目標(biāo)連續(xù)被信號處理機(jī)檢測概率不低于起始門限(門限閥值可設(shè))，且均勻分布時，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)能自動建立該目標(biāo)的運(yùn)動航跡;當(dāng)不滿足上述條件時(目標(biāo)不滿足起始閥值或落入雜波屏蔽區(qū)內(nèi))，通過操作手傳遞的跟蹤球位置，完成手動航跡建立。

d.航跡維持

通過航跡點(diǎn)跡相關(guān)以及濾波更新完成對航跡的有效維持。其包括航跡相關(guān)模塊和濾波更新模塊，各模塊提供多種應(yīng)用選擇，設(shè)計(jì)師可根據(jù)工程實(shí)際靈活進(jìn)行配置。

其中，航跡點(diǎn)跡相關(guān)模塊完成航跡同一次點(diǎn)跡的有效配對，系統(tǒng)提供了兩種關(guān)聯(lián)方式，即最近鄰域關(guān)聯(lián)和概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方式;濾波更新處理模塊完成目標(biāo)位置和速度估計(jì)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對運(yùn)動目標(biāo)的航跡更新，提供了多種濾波模塊選擇，包括自適應(yīng)α-β濾波器、自適應(yīng)α-β-γ 濾波器、Kalman 濾波器等。

e.航跡管理

航跡管理包括航跡批號管理和航跡質(zhì)量管理。航跡批號管理完成新建航跡批號的有效分配;航跡質(zhì)量管理用來判斷哪些未確認(rèn)航跡可以轉(zhuǎn)換為確認(rèn)航跡，哪些是虛假航跡應(yīng)予以撤消。因此，在航跡處理過程中，對航跡質(zhì)量不斷更新，并根據(jù)航跡質(zhì)量動態(tài)決定航跡的確認(rèn)和撤消。

f.數(shù)據(jù)交互

數(shù)據(jù)交互功能完成DPU 與其它軟件配置項(xiàng)、外部系統(tǒng)或設(shè)備的輸入輸出信息交互，根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)際，本次設(shè)計(jì)提供多種通信接口模塊，設(shè)計(jì)師可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際靈活選擇，其包括以太網(wǎng)、串口、CAN 總線以及內(nèi)存映射等多種通信接口。

3 數(shù)據(jù)處理軟件模塊化設(shè)計(jì)

3.1 軟件模塊化設(shè)計(jì)原則

軟件模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是軟件體系架構(gòu)的結(jié)構(gòu)化和模塊化，因此，軟件模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循“功能獨(dú)立”和“結(jié)構(gòu)獨(dú)立”的設(shè)計(jì)原則［3］，具體如下:

a.優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)，避免模塊之間存在耦合;

b.軟件模塊內(nèi)部應(yīng)保證高內(nèi)聚度;

c.符合軟件工程化扇入和扇出要求;

d.模塊的作用域應(yīng)保持在該模塊控制域內(nèi);

e.降低模塊接口的復(fù)雜程度，盡量設(shè)計(jì)成單入口、單出口方式;

f.采用結(jié)構(gòu)化編程語言，滿足可移植性要求。

3.2 基于條件編譯的預(yù)處理

基于條件編譯的預(yù)處理方法是實(shí)現(xiàn)模塊靜態(tài)加載和動態(tài)配置的最效辦法之一。同配置文件相比，基于條件編譯預(yù)處理方法通過條件宏改進(jìn)了程序設(shè)計(jì)環(huán)境，提高了編譯效率，使軟件結(jié)構(gòu)清晰;同時兼顧了參數(shù)的靈活配置，滿足不同數(shù)據(jù)處理軟件產(chǎn)品需求。

目前的主流編譯系統(tǒng)均能有效支持條件編譯，通過定義不帶參數(shù)的條件宏，可靜態(tài)實(shí)現(xiàn)模塊的加載或刪除;定義帶參數(shù)的條件宏，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中某些工作參數(shù)和環(huán)境變量的進(jìn)行靈活設(shè)置;無參條件宏和參數(shù)條件宏通過條件編譯命令進(jìn)行有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)各軟件功能模塊的加載、刪除和參數(shù)配置。典型預(yù)處理命令如下:

3.3 具體實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)將預(yù)處理和配置文件融為一體，通過個性化配置，完成軟件模塊的加載、刪除和參數(shù)配置，自動生成包含條件宏的配置文件dpuConfig.h(頭文件形式)，并通過和應(yīng)用工程進(jìn)行重新編譯完成數(shù)據(jù)處理可執(zhí)行程序生成。具體實(shí)現(xiàn)如下:

a.根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，利用軟件模塊化配置軟件，完成模塊的靜態(tài)加載和參數(shù)配置;配置完成后，自動完成配置文件dpuConfig.h 的生成。

例如配置數(shù)據(jù)交互模塊，本軟件在設(shè)計(jì)時提供了多種接口模式，各通信接口的啟用由無參條件宏控制。若啟用串口RS422 通信，具體配置要求是:通信速率921.6kbps，8 個數(shù)據(jù)位，一個停止位，無奇偶校驗(yàn)位。則通過軟件模塊化配置軟件生成的dpuConfig.h 包含如下代碼:

上述代碼包含了功能模塊的靜態(tài)加載項(xiàng)和參數(shù)配置項(xiàng)，若靜態(tài)加載項(xiàng)H_INTERFACE_COMM_RS422 沒有定義，則后續(xù)參數(shù)配置項(xiàng)不參與軟件編譯。對于其它軟件功能模塊的加載和參數(shù)配置與此相同，就不再贅述。

b.在DPU 的應(yīng)用工程中加載dpuConfig.h，重新進(jìn)行編譯，完成數(shù)據(jù)處理軟件可執(zhí)行程序的新生成。

c.若想在已有配置文件基礎(chǔ)上進(jìn)行局部修改，通過打開已有配置文件，重新編輯保存后，完成配置更新。

4 結(jié)論

通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件模塊化研究，建立產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)架構(gòu)，符合大型軟件開發(fā)“松耦合，高內(nèi)聚”的特點(diǎn)，保證了軟件產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性;并針對不同產(chǎn)品特性需求，提高了軟件研制的工作效率，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件復(fù)雜化、智能化發(fā)展的要求，具有較高的工程價值和經(jīng)濟(jì)價值。

［1］蔡慶宇.相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)處理及其仿真技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［2］何友，修建娟，張晶煒等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3］譚浩強(qiáng).C 程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］羅利強(qiáng)，王延暴，高恒.自行體目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤技術(shù)研究［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2012，41(2) ：1-3.