雷達(dá)軟件化的關(guān)鍵技術(shù)研究

麻進(jìn)玲

摘 要雷達(dá)作為一種電子探測(cè)裝置，在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用較為廣泛。常規(guī)的雷達(dá)系統(tǒng)在功能方面比較單一，為改變這一現(xiàn)狀，軟件化雷達(dá)的概念被提出。基于此點(diǎn)，本文首先簡(jiǎn)要闡述了雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)原理，隨后對(duì)雷達(dá)軟件化的產(chǎn)生背景及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在在此基礎(chǔ)上論述了雷達(dá)軟件化的關(guān)鍵技術(shù)。期望通過(guò)本文的研究能夠?qū)ν苿?dòng)雷達(dá)軟件化的發(fā)展有所幫助。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá) 軟件化 技術(shù)

1 雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)原理

雷達(dá)這一概念出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)初期，它的英文縮寫為Radar，翻譯成中文是無(wú)線電檢測(cè)與測(cè)距設(shè)備，常規(guī)雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，觸發(fā)電路每間隔一段時(shí)間會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)作用時(shí)間相對(duì)較短的尖脈沖，這個(gè)脈沖信號(hào)會(huì)分別發(fā)送給發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及顯示器，發(fā)射機(jī)在脈沖信號(hào)的控制下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寬度為0.05-2.0μs的超高頻發(fā)射脈沖信號(hào)；天線系統(tǒng)會(huì)將發(fā)射脈沖聚集成細(xì)束后，向指定的方向發(fā)射，并接受該方向物標(biāo)反射的回波，通過(guò)波導(dǎo)饋線傳給接收機(jī)，接收機(jī)則會(huì)將發(fā)射回來(lái)的回波信號(hào)進(jìn)行放大（約可放大100倍左右），變成中頻回波信號(hào)，通過(guò)檢波、放大，轉(zhuǎn)換為可供顯示器顯示的視頻回波信號(hào)，這就是雷達(dá)的基本工作原理。

2 雷達(dá)軟件化的產(chǎn)生背景及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 產(chǎn)生背景

雷達(dá)軟件化概念的出現(xiàn)與軍事應(yīng)用需要有著密切的關(guān)聯(lián)，從雷達(dá)在軍事應(yīng)用需求的背景上看，具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

2.1.1 復(fù)雜化

這里的復(fù)雜化既包括探測(cè)環(huán)境，還包括電磁環(huán)境，兩者的存在要求雷達(dá)應(yīng)當(dāng)能夠按照實(shí)際背景，通過(guò)自適應(yīng)處理等途徑，增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力。

2.1.2 多樣化

該特點(diǎn)具體是指探測(cè)模式的多樣化，不同的探測(cè)對(duì)象以及種類繁雜的探測(cè)任務(wù)要求雷達(dá)能夠?qū)Y源進(jìn)行靈活配置。

2.1.3 一體化

在海陸空三種平臺(tái)上，要求雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)與被動(dòng)探測(cè)、多元信號(hào)與信號(hào)融合等多種功能的一體化。

從支撐雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)上看，雷達(dá)軟件化的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：一是數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和完善，使雷達(dá)上一些重要組成部分可以通過(guò)軟件進(jìn)行定義和配置；二是隨著模塊化技術(shù)的成熟，使雷達(dá)上各個(gè)子系統(tǒng)的通用性獲得了大幅度提高；三是集成優(yōu)化技術(shù)的進(jìn)步，使第三方技術(shù)可以融入到雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)中，從而使雷達(dá)具有了開放性的特點(diǎn)。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

在最近幾年里，國(guó)外對(duì)雷達(dá)軟件化相關(guān)技術(shù)的研究取得了一定的成果，其中較具代表性的有：MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，它是由美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研制開發(fā)的一套系統(tǒng)，其帶寬為500MHz，中心頻率能夠達(dá)到2-18GHz，性能處理系統(tǒng)由DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)。除了該雷達(dá)系統(tǒng)之外，俄亥俄州立大學(xué)還研發(fā)出了小型化的雷達(dá)軟件庫(kù)。ONR（美國(guó)海軍研究局）授予了國(guó)防合作商RC一項(xiàng)合同，其內(nèi)容是分布式陣列雷達(dá)，該雷達(dá)系統(tǒng)具備多種功能，主要包括通信、情報(bào)以及電子戰(zhàn)等等，其采用的是軟件定義的技術(shù)，由此使得該雷達(dá)系統(tǒng)具備了實(shí)現(xiàn)多種功能于一身的潛力，能夠進(jìn)行重新配置，這在一定程度上提高了雷達(dá)的靈活性。在雷達(dá)軟件化的發(fā)展中，美國(guó)無(wú)疑是領(lǐng)軍人物，由美國(guó)軍方研制開發(fā)的軟件化雷達(dá)系統(tǒng)基本都完成了技術(shù)演示，有些已經(jīng)投入使用。

2.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在雷達(dá)軟件化方面的研究起步較晚，但隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，推動(dòng)了雷達(dá)軟件化的發(fā)展。我國(guó)的清華大學(xué)在雷達(dá)軟件化的研究方面取得了進(jìn)展，獨(dú)立研發(fā)出了Radar Lab2.0系統(tǒng)，這一款軟件化雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)，它的核心技術(shù)包括模型化開發(fā)技術(shù)和可視化技術(shù)，該系統(tǒng)除了具備靈活的擴(kuò)展能力之外，還支持多種硬件平臺(tái)，由此提高該系統(tǒng)的可移植性。國(guó)內(nèi)其他的科研單位在雷達(dá)軟件化相關(guān)技術(shù)的研究方面也取得了一定的進(jìn)展，如DSP處理器、Open VPX雷達(dá)信號(hào)處理平臺(tái)等等，這些技術(shù)為雷達(dá)軟件化的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。近年來(lái)，我國(guó)多所大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了雷達(dá)軟件化試驗(yàn)平臺(tái)的研制工作，對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，其中較具代表性的有射頻信號(hào)數(shù)字采樣、雷達(dá)信號(hào)直接處理、波形信號(hào)發(fā)射等等。從總體上，我國(guó)在雷達(dá)軟件化方面的研究主要集中在數(shù)字化技術(shù)和雷達(dá)工作模式的驗(yàn)證等方面，與美國(guó)相比略顯落后。

3 雷達(dá)軟件化的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)內(nèi)涵

雷達(dá)是一種電子裝置，在這個(gè)裝置中集成了各種資源，如陣面、波形、軟件、處理等等，對(duì)上述資源的優(yōu)化和控制，可以形成不同的系統(tǒng)功能，從滿足各種任務(wù)需要。雷達(dá)軟件化是以操作環(huán)境為核心構(gòu)建起來(lái)的一套具有開放性特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系，借助軟件對(duì)雷達(dá)的各種功能進(jìn)行重新定義和構(gòu)建，從而獲得新一代的雷達(dá)系統(tǒng)，具體如圖2所示。

雷達(dá)軟件化的基本特征體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：一是可對(duì)任務(wù)需求進(jìn)行自定義。開放式的架構(gòu)可以使軟件化雷達(dá)對(duì)各種任務(wù)需求進(jìn)行靈活響應(yīng)，能夠滿足多功能、多任務(wù)的需要，同時(shí)還能按照具體的任務(wù)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的相關(guān)功能進(jìn)行重新構(gòu)建。二是系統(tǒng)硬件能夠進(jìn)行重組，由于軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中的計(jì)算平臺(tái)和陣面采用的都是開放式架構(gòu)，從而使雷達(dá)可以按照實(shí)際的功能需要對(duì)孔徑和資源進(jìn)行重新組合。三是系統(tǒng)軟件可以進(jìn)行重新構(gòu)建。軟件化的雷達(dá)系統(tǒng)在各種功能的設(shè)計(jì)上采用了構(gòu)件化的方法，通過(guò)雷達(dá)本身所處的操作環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的即插即用。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

雷達(dá)軟件化的關(guān)鍵技術(shù)包括天線技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及軟件技術(shù)。

3.2.1 天線技術(shù)

可重新進(jìn)行構(gòu)建是雷達(dá)軟件化最為突出的特點(diǎn)之一，具體是指在同一個(gè)硬件平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)不同軟件的配置，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的不同功能。由于雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率是從低頻到毫米波，其相當(dāng)于一個(gè)寬帶系統(tǒng)，在這一前提下，要求軟件化雷達(dá)系統(tǒng)上的天線需要工作在寬度較大的頻帶范圍內(nèi)。常規(guī)的天線系統(tǒng)很難滿足上述要求，而新一代智能收發(fā)天線的出現(xiàn)，為該問(wèn)題的解決提供了途徑，由此使得天線技術(shù)成為軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

軟件化雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)主要取決于DSP、ADC和DAC的性能。通用性強(qiáng)、功能多樣是軟件化雷達(dá)較為突出的特點(diǎn)，除此之外，軟件化雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)也比較復(fù)雜，這就要求A/D轉(zhuǎn)換器件能夠在相對(duì)較寬的頻帶范圍內(nèi)將中頻或射頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并且A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率至少要在幾百到幾千兆之間。為確保信號(hào)處理的精確度，A/D和D/A的量化位數(shù)也必須足夠，鑒于此，使得數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)成為雷達(dá)軟件化的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.3 信號(hào)處理技術(shù)

可對(duì)功能進(jìn)行重新構(gòu)建是軟件化雷達(dá)的又一特點(diǎn)，該特點(diǎn)決定了信號(hào)處理系統(tǒng)應(yīng)滿足通用性的需要，從而適應(yīng)不同功能的自定義。在軟件化雷達(dá)中，對(duì)信號(hào)的處理可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，為使A/D輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，信號(hào)處理系統(tǒng)必須具備高速處理能力，這一目標(biāo)可以借助并行處理技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。并行處理具有三種形式，即時(shí)間并行、空間并行和時(shí)間+空間并行，雖然前兩種形式在處理器系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用，但從效果上看，第三種形式能夠帶來(lái)更好的高速效益。

3.2.4 軟件技術(shù)

對(duì)于軟件化雷達(dá)而言，其需要構(gòu)建一個(gè)具有通用性和可擴(kuò)展性的硬件平臺(tái)，并利用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能。同時(shí)，為降低各種干擾源對(duì)軟件化雷達(dá)系統(tǒng)工作性能的影響，需要借助軟件提高雷達(dá)的抗干擾性。由此可見，相關(guān)的軟件技術(shù)是軟件化雷達(dá)系統(tǒng)不可或缺的核心，為進(jìn)一步提升軟件化雷達(dá)的性能，必須采取先進(jìn)的軟件技術(shù)。因此，應(yīng)加大對(duì)軟件技術(shù)的研究力度，開發(fā)各種功能軟件模塊，并合理應(yīng)用于軟件化雷達(dá)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

4 結(jié)論

綜上所述，雷達(dá)軟件化現(xiàn)已成為雷達(dá)系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的各種功能，從而滿足具體的任務(wù)需求。常規(guī)的雷達(dá)系統(tǒng)只能利用硬件的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能，而軟件化的雷達(dá)系統(tǒng)則可借助軟件使單部雷達(dá)具備多種功能，這種雷達(dá)系統(tǒng)不但性能更高、靈活性更強(qiáng)，而且成本還會(huì)大幅度降低，它的應(yīng)用領(lǐng)域必將越來(lái)越廣。在未來(lái)一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)雷達(dá)軟件化關(guān)鍵技術(shù)的研究力度，除對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善之外，還能開發(fā)一些新的技術(shù)，從而為雷達(dá)軟件化提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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作者單位

四川省綿陽(yáng)市九洲電器集團(tuán) 四川省綿陽(yáng)市 610021