張學(xué)森，葉 彥

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088； 2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

0 引 言

作戰(zhàn)任務(wù)的變化和技術(shù)水平的進(jìn)步推動著雷達(dá)水平向第四代邁進(jìn)，第四代雷達(dá)面臨更加惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境和更加復(fù)雜的目標(biāo)特性，其作戰(zhàn)對象空間分布從地面幾米高度一直跨越到外大氣層，目標(biāo)類型包含氣動目標(biāo)和非氣動目標(biāo)，目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積、速度范圍、機(jī)動性能均發(fā)生重大變化[1]。為有效應(yīng)對環(huán)境和目標(biāo)的變化，滿足多樣化作戰(zhàn)任務(wù)需求，本文介紹工程實踐中的第四代雷達(dá)信號處理相關(guān)技術(shù)體制研究。

1 四代雷達(dá)及信號處理系統(tǒng)需要解決的問題

四代雷達(dá)面臨著目標(biāo)多樣化、環(huán)境復(fù)雜化和任務(wù)多元化，這些要求促進(jìn)了雷達(dá)體制、理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，為了應(yīng)對復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)要求，雷達(dá)需要沿著數(shù)字化方向發(fā)展。數(shù)字化具體主要表現(xiàn)在：

(1) 中頻、射頻直接采樣，改變傳統(tǒng)的基帶采樣，模擬變頻帶來的不靈活、線性度差、損失大；

(2) 收發(fā)二維數(shù)字波束形成[2]。

四代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)將主要面臨以下幾方面問題：

(1) 傳輸帶寬：上萬單元的陣列信號，傳輸?shù)乃矔r帶寬每秒達(dá)到幾十TBITS，三代雷達(dá)低于100 GBITS。

(2) 運(yùn)算速度:每秒需要完成幾千萬GFLOPS量級的運(yùn)算，三代雷達(dá)需要完成幾萬GFLOPS量級的運(yùn)算。

(3) 處理模式繁雜，一部四代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)往往需要具備以下所有功能：脈沖多普勒(PD)、動目標(biāo)檢測(MTD)、動目標(biāo)顯示(MTI)、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、目標(biāo)精跟蹤、頻率步進(jìn)頻寬帶成像、目標(biāo)特征提取、目標(biāo)分類識別等，某四代雷達(dá)信號處理設(shè)計的主要功能模塊見圖1，而三代雷達(dá)經(jīng)常僅具有上述部分功能。

(4) 精細(xì)化處理：根據(jù)目標(biāo)所處的環(huán)境運(yùn)用最匹配的檢測算法達(dá)到最大概率的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，三代雷達(dá)通常處理方式單調(diào)。這些都將給雷達(dá)數(shù)字信號處理系統(tǒng)帶來具大的挑戰(zhàn)和壓力。

圖1 某四代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)主要功能模塊

2 四代雷達(dá)信號處理算法

為了應(yīng)對四代雷達(dá)系統(tǒng)面臨的問題，四代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)相對于三代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)在算法上必須進(jìn)行以下幾方面提升：

(1) 解決幾個域聯(lián)合處理問題，三代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的時域處理、頻域處理、空域處理要上升到時頻分析、空時二維處理；

(2) 加強(qiáng)對雷達(dá)回波信號某些維度(熵、峰度、高階譜等)統(tǒng)計分析能力，以增加區(qū)分目標(biāo)信號與干擾信號的測度，要加強(qiáng)統(tǒng)計信號處理的工程化；

(3) 提升大時寬、大帶寬信號處理能力，主要表現(xiàn)在寬帶數(shù)字波束形成(DBF)、大時寬帶寬積信號的檢測處理等方面，需要解決通道內(nèi)、通道間幅度、群時延的不一致性，大時寬帶寬積回波信號檢測還需要解決目標(biāo)運(yùn)動帶來的回波信號失配問題[3]；

(4) 提升自適應(yīng)信號處理的應(yīng)用，例如自適應(yīng)波束形成、盲源分離等算法的工程化，該類算法成熟但通常有較大的運(yùn)算量，如何對已有的先驗知識進(jìn)行算法上變種，降低工程上運(yùn)算量是工作的重點；

(5) 對雷達(dá)作用區(qū)域環(huán)境感知能力，這主要表現(xiàn)在對雷達(dá)回波在空間三維進(jìn)行統(tǒng)計形成數(shù)據(jù)庫(氣象信息、干擾源的位置、地雜波信息、海雜波信息等)，為雷達(dá)系統(tǒng)工作模式、參數(shù)選擇提供依據(jù)。

3 四代雷達(dá)信號處理硬件

國內(nèi)三代雷達(dá)由于功能單一，信號處理系統(tǒng)通常采用流水工作，一個信號處理功能模塊對應(yīng)一個硬件模塊，通常一個雷達(dá)信號處理系統(tǒng)包含時序控制、接口板、脈沖壓縮、濾波、恒虛警、點跡處理等硬件模塊，如圖2所示。為了完成不同的功能，不同的硬件平臺設(shè)計特點不一樣，不同的硬件平臺、不同的板卡導(dǎo)致每塊板卡程序不一樣，產(chǎn)品備件也非常多，給產(chǎn)品的維護(hù)與硬件測試帶來很大的麻煩。而四代功能繁多，處理過程很多不支持流水工作，不可能為不同功能設(shè)計不同硬件模塊。四代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)采用基于任務(wù)式軟件架構(gòu)思想，這樣設(shè)計時可以使處理平臺盡量統(tǒng)一，所以一個四代雷達(dá)主要有以下幾大類組成：交換板、DBF板、數(shù)字信號處理(DSP)板、計算機(jī)板卡，如圖3所示。板卡在硬件設(shè)計層面支撐動態(tài)配置程序功能，同時板卡設(shè)計時把器件的聯(lián)合測試形為組織(JTAG)鏈路規(guī)劃到一個測試回路中支撐邊界掃描的功能，方便硬件故障智能檢測與維修[4]。

圖2 三代雷達(dá)硬件平臺架構(gòu)

圖3 四代雷達(dá)硬件平臺架構(gòu)

同時四代雷達(dá)信號處理硬件接口基本上擺脫了大量邏輯門電路(TTL)電纜，代替為可靠性高、不易受干擾的光纖信號、網(wǎng)絡(luò)交互，同時由于光通信發(fā)展的完備性，相關(guān)的狀態(tài)顯示(BIT)設(shè)計也方便多了。

4 四代雷達(dá)信號處理軟件

三代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)大部分功能都集中在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內(nèi)完成，F(xiàn)PGA軟件的移植性、參數(shù)化程度達(dá)不到DSP水平，更達(dá)不到計算機(jī)水平，軟件化程度不高，導(dǎo)致系統(tǒng)重構(gòu)、二次開發(fā)周期長，三代雷達(dá)信號處理軟件化水平很難完成四代雷達(dá)的功能[5]。

四代雷達(dá)將算法單一、運(yùn)算密集的DBF處理放在FPGA內(nèi)完成，每片F(xiàn)PGA內(nèi)有幾千個乘法單元同時并行完成DBF運(yùn)算。而運(yùn)算復(fù)雜、靈活性要求高的功能模塊放在DSP內(nèi)處理，一些實時性要求不強(qiáng)的運(yùn)算放到計算機(jī)內(nèi)完成，大大提高了系統(tǒng)的可編程水平。

DBF處理結(jié)果，通過任務(wù)仲裁(由CPCI計算機(jī)與數(shù)據(jù)交換板)傳遞到任務(wù)數(shù)據(jù)交換空閑態(tài)DSP板卡內(nèi)(如圖4所示)，同時將相應(yīng)位置的雷達(dá)歷史環(huán)境信息傳遞到DSP板卡內(nèi)，DSP板卡將處理結(jié)果以及更新后的環(huán)境信息傳遞給計算機(jī)。

圖4 基于任務(wù)的并行信號處理軟件架構(gòu)

圖5 DSP處理單元與任務(wù)關(guān)系

圖5中一個處理單元的任務(wù)是處理一個時隙的回波數(shù)據(jù)，通常把雷達(dá)一個波位的作用時間作為一個處理時隙，將1個DSP或者幾塊DSP板卡作為信號處理的一個硬件處理簇，處理信息隨數(shù)據(jù)流一起傳遞到處理單元，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)流包格式

假設(shè)處理一個時隙為T的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，一個DSP處理簇時間為TD，滿足TD

目前這種軟件處理架構(gòu)遇到以下2個問題：(1)在進(jìn)行環(huán)境統(tǒng)計時(例如雜波圖)，需要相鄰波位以及幀間歷史信息進(jìn)行迭代，這樣會導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)交互、互耦，簇間如何傳輸、如何管理需要解決。(2)在有些工作模式下，對信號處理的實時性要求嚴(yán)格。例如閉環(huán)跟蹤，如果用正常模式處理簇去處理，將不能滿足要求；如果增加專用通道，將增加系統(tǒng)的硬件，同時也破壞系統(tǒng)的一致性。理論上最佳的解決方案是從軟件上重構(gòu)處理簇能力：將原來幾個處理簇甚至更多處理簇的硬件重新虛擬成一個新處理簇，理論上新處理簇運(yùn)算能力將相應(yīng)增加幾倍，如果軟件規(guī)劃合理，處理時間將相應(yīng)縮短。這個過程需要軟件解決：動態(tài)重構(gòu)處理簇硬件資源，同時規(guī)劃處理簇內(nèi)部各處理單元的子任務(wù)，使處理簇內(nèi)多處理單元之間協(xié)同處理，降低一個大任務(wù)的處理時間。

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息作戰(zhàn)中第四代雷達(dá)面臨的戰(zhàn)場環(huán)境更加惡劣，目標(biāo)特性更加復(fù)雜，作戰(zhàn)任務(wù)也更加多樣化。對雷達(dá)信號處理系統(tǒng)軟硬件技術(shù)和載體平臺進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化，可以更好地提升雷達(dá)的使用功能，為人民和社會創(chuàng)造更多價值。