２０１２年４月第２期 现代导航 ・ｌ１５・ 相控阵雷达中心机的设计与实现 韩晓威 （中国电子科技集团公司第二十研究所，西安７１００６８） 摘要：本文通过对相控阵雷达中心机系统需求分析，结合雷达资源管理的思路，采用并行 时序和串行数据流相结合的设计方法，论述并验证了一种中心机系统开发方案。 关键词：相控阵雷达；资源管理；多波形设计；跟踪管理 中图分类号：ＴＮ９５８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７９７６一（２０１２）０２—１１５—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｒａｄａｒ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ 爿 ＮＸｉａｏｗｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｒａｄａｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｕｎｉｔｅｓ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｅｒｉａｌ ｄａｔａ ｓｔｒｅａｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｒａｄａｒ；Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；Ｍｕｌｔｉ—Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｄｅｓｉｇｎ；Ｔｒａｃｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ 雷达资源管理主要包括雷达时间管理和雷达 能量管理，实现在一定时间内完成更多功能（多批 目标跟踪、高跟踪数据率），最大限度节约和利用 雷达能量（搜索多量程、跟踪多波形设计）。雷达 中心机系统通过内部总线控制定时器完成雷 达时序的切换：中心机系统通过光纤接口控制频合 器切换雷达工作频率；中心机系统通过光纤接口与 波控机进行数据通信，完成雷达天线相位控制及辅 助信息查询；中心机系统通过光纤接口完成接收机 通道的控制及数据采样；中心机系统通过ＲＳ４２２串 口与伺服相连获取雷达天线位置信息，同时控制天 线转动；中心机系统通过ＬｉｎｋＰｏｒｔ接口与信号处理 通信完成目标检测与跟踪控制；中心机系统通过以 太网完成显控终端的数据通信。中心机系统与各分 系统的连接关系如图１所示。 的资源管理一般通过中心机系统实现，主要包括合 理设计雷达工作时序以及调度雷达的各种工作模 式，已达到最大限度的利用雷达的时间和能量资 源。本文通过对某相控阵雷达系统的详细分解，结 合雷达数据流方式完成中心机的硬件及软件设计。 １系统分析 雷达采用有源相控阵体制，各分系统与传统雷 达区别不大，为了最大限度发挥相控阵雷达的优 势，需要消除ＡＤ后数字信号的传输与信号处理的 ２系统设计 中心机系统硬件主要为ＰｏｗｅｒＰｃ７４４８处理器 （主频１ＧＨｚ），５１２Ｍ ＤＤＲ内存，并通过ＦＰＧＡ扩 展其它接口，主要接口有ＲＳ２３２／４２２／４８５、百兆以 太网、全双工光纤，此外板载１２８Ｍ ＦＬＡＳＨ用于程 时间瓶颈，因此雷达整机数据流采用并行和串行相 结合方式。频合器、波控机、接收机采用定时时序 并行实时控制方式，信号处理、中心机及显控终端 则采用串行非实时传输方式。 收稿日期：２０１２—０２．０６。 序存储，５１２ＫＮＶＲＡＭ用于实验数据的掉电保护。 ・ｌ１６・ 现代导航 ２０１２在 分多个任务执行，接口速率和实时性要求高的输出 数据例如定时器，频合器等控制数据在主策略调度 任务中执行，显控数据和伺服数据则缓冲后在优先 级较低的任务中执行。 图１中心机系统连接关系示意图 中心机系统软件采用ＶｘＷｏｒｋｓ实时操作系统， 具有抢占式多任务的特点，可根据系统调度快速进 行任务切换。系统设计时根据功能要求建立多个任 务，并在任务之间划分优先级，系统通过策略调度 可以确保每个任务执行的及时和准确性。此外采用 Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ开发配套桌面调试软件，利用调试软件 可以完成状态信息检测以及实验数据存储。 图２中心机输入数据处理过程 ２．１数据加载及初始化 ２．２网络连接及通信 中心机加电后读取板载ＦＬＡＳＨ中加载程序， 并通过ＣＰＣＩ总线对信号处理板及光纤接口板进行 中心机采用双网模式：对应两块网卡建立两个 程序加载，初始化定时器并预置近程搜索工作时 序，创建各接口的数据输入输出任务。 如图２所示，中心机数据输入处理过程分为两 种，一种采取即时处理方式，另一种采取缓存定时 处理方式。中心机通过ＬｉｎｋＰｏｒｔ接收信号处理的数 据采取即时处理方式，其余输入接口例如光纤、 ＲＳ４２２则采用缓存定时处理方式。 独立的网络任务，一个任务用来与显控终端通信， 通信内容主要包含终端控制命令、雷达回波数据及 跟踪目标信息等；另一个任务用来辅助调试和监 控。中心机网络任务采用服务器模式，支持客户端 断开和重连，当客户端连接后创建一个网络连接状 态监测任务，双方采用定时握手模式相互监测，当 客户端异常重连后系统会将当前系统参数发送给 显控终端。 中心机数据输出按照接口速率和实时性要求 图３中心机数据处理过程 第２期 韩晓威：相控阵雷达中心机的设计与实现 ・１１７・ 网络通信使用ＵＤＰ协议且采用双端口模式， 控制命令和显示数据的传输相互独立且对应不同 优先级的任务。同时中心机系统利用另一块物理网 卡创建一个调试和监控任务，该任务同样采用服务 器双端口模式，远程客户端连接后即可激活该任 务。 ２＿３数据处理 中心机系统依据协议对信号处理发送的数据 进行模式判断，对应系统状态更新系统模式命令， 同时对输出到显控终端的数据进行缓冲。数据处理 任务在响应信号处理ＬｉｎｋＰｏｒｔ数据中断后进行数据 模式判别，结合系统状态给出搜索、截获、开窗、 跟踪系统模式命令，最后对相关显控数据进行缓 冲，其流程如图３所示。 ２．４截获与跟踪管理 中心机根据显控终端的控制命令进行目标截 获，截获有两种方式，分别采用不同带宽的波形进 行目标检测与截获，目标初始截获成功后中心机会 再做后续截获控制。信号处理会依据截获原则确认 目标截获过程成功，随后会转目标初始跟踪。 中心机一共可以管理多批目标，目标转初始跟 踪后中心机会首先为目标编批，预置初始跟踪数据 率和计算目标的初始跟踪波形等信息。每批目标都 具有系统时间、跟踪次数等属性，目标跟踪次数超 过五次后会转为正式跟踪，此时系统会重置目标跟 踪数据率。 中心机在截获与跟踪的调度上会优先进行截 获调度，截获确认后系统会转截获模式，此时会根 据搜索量程循环完成多次“搜索．截获”。跟踪的调 度则依据有效目标的系统时间和跟踪数据率进行 判断，在跟踪批号的判断次序上优先判断初始跟踪 批号。 ２．５策略调度 中心机的策略调度包含系统模式命令判断，窗 口和目标数据率更新，当前系统状态确认，控制数 据输出。 系统模式命令判断：包括搜索模式首次截获， 搜索模式截获数据更新，窗口模式首次截获，窗口 模式截获数据更新，截获成功转初始跟踪状态，初 始跟踪状态数据更新，跟踪目标丢失。 窗口和目标数据率更新：若系统状态包含开窗 模式及跟踪模式，则每个定时时序更新对应的窗口 系统时间和各批号目标的系统时间。 当前系统状态确认：雷达系统状态包含搜索、 开窗、截获、跟踪，系统策略调度优先级依次为截 获．跟踪一开窗一搜索。 控制数据输出：系统状态确认后，计算各分系 统的控制数据并输出，各输出任务会按照任务优先 级进行调度ｕ Ｊ。 ３关键技术 ３．１区域扫描 中心机可以根据显控终端的控制命令实现区 域二维扫描控制，在扫描控制方式有两种模式，一 种是方位优先，一种是俯仰优先。 显控终端的控制命令数据包含相对于天线法 线位置的扫描起始方位、扫描结束方位、扫描起始 俯仰、扫描结束俯仰，中心机根据显控命令对空间 波束方位间隔和俯仰间隔进行计算，在方位优先模 式下依据俯仰先不变，方位从起始到结束递增进行 波束控制，在俯仰优先模式下则依据方位先不变， 俯仰从起始到结束递增进行波束控制。 ３．２区域截获 雷达在实际工作时扫描速度很快，且属于空间 二维扫描，因此在显控终端很难准确的进行目标截 获。在显控终端通过控制区域截获范围可以快速进 行目标截获。 中心机根据显控终端的控制命令在搜索状态 下中进行区域截获范围判断，符合区域截获条件时 在搜索波束的数据帧头中添加截获标志。信号处理 板在收到的搜索数据中进行相应判断，如果符合目 标检测门限，则按照截获的流程进行处理。 ３．３窗口截获 窗口截获不同于搜索状态下的截获，窗口的发 射脉冲相对于搜索脉冲更短，同时ＡＤ采样频率更 高，因此窗口内数据的分辨率更高，在搜索画面下 很难区分的相邻目标在窗口内可以进行有效区分。 在窗口内做截获时是利用窗口回波数据进行 目标检测，因此截获波束也是窗口波束。中心机在 收到窗口截获命令后，无论当前状态是否处于开窗 模式，会立即按照截获的方位和俯仰信息计算并发 现代导航 ２０１２年 送窗口截获波束。 离界限），最后在目标跟踪过程中根据其距离信息 信号处理在处理窗口截获数据时，不同于搜索 截获数据，系统截获确认转跟踪的整个过程都基于 进行计算和判断是否超出距离界限，超出距离界限 则切换新的跟踪波形并重新计算相邻跟踪波形的 切换距离界限，波形调整过程如图４所示。 窗口波束完成。因此窗口截获的时间会低于搜索下 同一目标的截获时间。 ３．４多波形自适应技术雷达系统的波形设计分为两类，搜索波形和跟 踪波形。每种波形的发射脉冲时间和接收时间各不 相同，逐步覆盖雷达的作用距离，多波形设计可以 ４试验与总结 该雷达在陆上试验中表现出色，能够按照设计 要求完成对飞行目标的截获及稳定跟踪，此外该雷 最大限度的提高雷达能量资源和时间资源的利用 率【 。 雷达在搜索模式下分为近程、中程和远程三种 状态，共涉及四种波形。在近程搜索状态下使用两 种波形，其中一种为补盲用途，中程和远程搜索状 态下仅使用一种波形，不做补盲。搜索模式下的波 形切换由显控终端进行控制。 雷达在跟踪模式和窗口模式下均使用跟踪波 形，跟踪波形有多种，根据跟踪目标的距离而变化。 在窗口模式下根据窗口的中心距离位置选择相应 的跟踪波形，而在跟踪模式下则会根据目标的运动 位置自动调整跟踪波形。 跟踪模式判断 计算采样时序 ＼＼ ，／／， Ｙ ！ 读取目标信息 计算距离界限 Ｙ 初始跟踪判断 计算初始波形 Ｎ Ｙ 波形切换判断 切换波形 ＼＼／／， Ｎ ｌ 图４波形调整过程 目标截获确认完成后，在初次跟踪时系统计算 该批目标的跟踪起始波形，起始波形确定后再计算 相邻波形的切换距离界限（包含近距离界限和远距 达的跟踪数据率及跟踪信息多样性为整个系统其 它设备及数据分析提供了保证。 关于目标跟踪管理的进一步设计，目前该雷达 各种波形时序设计通过定时器切换，而每批目标的 数据率固定，由数据处理系统完成目标的跟踪外 推。方法一，若中心机能够独立控制定时器完成一 个空周期时序，既可以严格保证跟踪数据率，同时 也可以提高目标跟踪外推的准确率。方法二，将跟 踪外推放在中心机处理【３】，中心机可以准确推算目 标跟踪管理下周期时间，在针对高速目标时可以提 高跟踪稳定性和跟踪精度。 参考文献： ［１】卢建斌，胡卫东，郁文贤．多功能相控阵雷达实时任务 调度研究【Ｊ］．电子学报，２００６（４） ［２】万小燕．雷达中常用的波形设计及数字脉压的工程实现 ［Ｊ］．现代电子技术，２００７（１３） ［３］王丰，徐振来．相控阵雷达目标跟踪的最优调度［Ｊ］．现 代雷达，２００７（１）