某二維相控陣?yán)走_(dá)中心機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任媛媛 路焜鵬 高一棟

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.陸裝駐西安地區(qū)軍事代表局 西安 710000)

0 引言

與傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)相比，二維相控陣?yán)走_(dá)通過控制不同發(fā)射子陣的饋電相位來實(shí)現(xiàn)多種波束不同指向，具有波束掃描迅捷的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)凝視探測(cè)，從而聚集更多的能量、更長時(shí)間的積累。充分利用這些時(shí)間和空間資源，可提高雷達(dá)波束覆蓋范圍、探測(cè)距離、數(shù)據(jù)率、系統(tǒng)多功能和多目標(biāo)能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“低慢小”目標(biāo)的有效探測(cè)。

然而，雷達(dá)的多功能、多目標(biāo)能力通常受到雷達(dá)各項(xiàng)資源、計(jì)算機(jī)處理能力等因素的限制，如陣元分割，通常節(jié)省了搜索時(shí)間資源，但波束的展寬，會(huì)導(dǎo)致精度與距離性能有所下降。如何在搜索和跟蹤不同功能下實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)資源的優(yōu)化利用；如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)多目標(biāo)的精確搜索和跟蹤；如何設(shè)計(jì)模式相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)多功能等，這些都與系統(tǒng)資源息息相關(guān)。因此，對(duì)二維相控陣?yán)走_(dá)的系統(tǒng)資源進(jìn)行合理布局和規(guī)劃，就成為雷達(dá)設(shè)計(jì)中的重要問題。

雷達(dá)中心機(jī)主要用于二維相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)各資源協(xié)調(diào)、調(diào)度和控制，是雷達(dá)控制的核心。其設(shè)計(jì)在合理規(guī)劃雷達(dá)的時(shí)間與能量資源基礎(chǔ)上，通過高效調(diào)度雷達(dá)所要執(zhí)行的任務(wù)，合理分配系統(tǒng)資源，以充分利用相控陣天線技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用潛力，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的多功能、多任務(wù)能力。文章基于某二維相控陣?yán)走_(dá)中心機(jī)的設(shè)計(jì)，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)管理系統(tǒng)，利用天線波束敏捷性，實(shí)現(xiàn)高效搜索、目標(biāo)精確跟蹤和多任務(wù)工作能力。

1 組成及功能分析

1.1 雷達(dá)系統(tǒng)組成

某兩維有源相控陣?yán)走_(dá)組成如圖1所示，天線采用4子陣設(shè)計(jì)，且4個(gè)子陣單獨(dú)設(shè)計(jì)接收通道。這些子陣既可以協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度的目標(biāo)探測(cè)，也可以獨(dú)立工作，分時(shí)完成不同功能。中心機(jī)與數(shù)據(jù)處理機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、波控機(jī)、頻綜以及伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相互通信，接收終端發(fā)送的工作命令，對(duì)各分系統(tǒng)實(shí)施實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)全機(jī)工作。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.2 功能劃分

中心機(jī)負(fù)責(zé)雷達(dá)系統(tǒng)全機(jī)控制和各分系統(tǒng)的協(xié)同工作，包括工作參數(shù)產(chǎn)生、時(shí)序控制、工作模式管理、數(shù)據(jù)分發(fā)。

1.2.1 系統(tǒng)初始化

用于完成工作參數(shù)的產(chǎn)生。系統(tǒng)上電后首先完成對(duì)硬件接口的初始化，包含板卡、通信接口(串口、網(wǎng)絡(luò)、PCIE、ARINC429)的初始化；其次加載操作系統(tǒng)，初實(shí)現(xiàn)對(duì)VPX設(shè)備的總線地址映射；之后進(jìn)行對(duì)AD采樣、目標(biāo)處理、數(shù)據(jù)處理、目標(biāo)識(shí)別等單元參數(shù)的初始化；最后完成其它分系統(tǒng)的初始化。

1.2.2 定時(shí)控制

用于控制系統(tǒng)工作所需各種定時(shí)信號(hào)的產(chǎn)生，包括信號(hào)處理零距離脈沖、頻綜發(fā)射觸發(fā)、波駐脈沖、發(fā)射觸發(fā)脈沖、接收機(jī)保護(hù)脈沖、PRF、CPI信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)序管理。

1.2.3 工作模式管理

工作模式管理是中心機(jī)的核心功能，也是雷達(dá)系統(tǒng)控制的核心。收到終端操控命令后，中心機(jī)依據(jù)嚴(yán)格的系統(tǒng)時(shí)鐘，完成各模式下雷達(dá)資源調(diào)配工作。

為實(shí)現(xiàn)二維相控陣?yán)走_(dá)陣元和波束資源的合理利用，根據(jù)雷達(dá)不同使用環(huán)境和用途，系統(tǒng)設(shè)計(jì)多種工作模式：含地空模式、被動(dòng)偵察模式、校準(zhǔn)模式、自檢模式、待機(jī)模式等5種主要模式。其中，地空模式和被動(dòng)偵察模式為主要工作模式。

地空模式下，中心機(jī)控制頻綜產(chǎn)生工作所需信號(hào)；控制波控機(jī)發(fā)射對(duì)應(yīng)賦形波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)空、地、海掃描；控制信號(hào)處理機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、恒虛警控制等功能。

自檢模式用于對(duì)全機(jī)各分系統(tǒng)進(jìn)行故障自檢并上報(bào)，為上電初始默認(rèn)模式。系統(tǒng)上電自檢完成后自動(dòng)進(jìn)入被動(dòng)偵查模式；其他狀態(tài)下，中心機(jī)接收終端自檢命令后，進(jìn)入該模式，自檢結(jié)束回到待機(jī)模式。

被動(dòng)偵查模式為避免敵方的電子偵查設(shè)備，雷達(dá)處于偵聽狀態(tài)，對(duì)戰(zhàn)區(qū)的電子設(shè)備所用的頻率、時(shí)寬、帶寬、位置等信息進(jìn)行解析。開機(jī)自檢模式結(jié)束后即進(jìn)入該模式，在確認(rèn)沒有輻射單元后，再轉(zhuǎn)入地空模式，進(jìn)行雷達(dá)主動(dòng)探測(cè)，此時(shí)可進(jìn)行干擾或者直接進(jìn)行打擊。其他狀態(tài)下，中心機(jī)接收終端命令進(jìn)入該模式，始終處于被動(dòng)偵測(cè)狀態(tài)，當(dāng)再次接收到模式轉(zhuǎn)換命令時(shí)，轉(zhuǎn)入其他狀態(tài)。

待機(jī)模式為各模式切換的中間態(tài)，用于停止工作等待工作狀態(tài)命令。此時(shí)雷達(dá)有工作所需的各項(xiàng)定時(shí)，但是不發(fā)射電磁波主動(dòng)工作，也不被動(dòng)偵聽輻射源，天線停止轉(zhuǎn)動(dòng)。待機(jī)模式可進(jìn)入其余各個(gè)模式。

校準(zhǔn)模式用于進(jìn)行系統(tǒng)幅相一致性校準(zhǔn)等功能。

不同模式下，系統(tǒng)發(fā)射賦形、信號(hào)形式不同，中心機(jī)控制任務(wù)優(yōu)先級(jí)不同。模式間，既可相互轉(zhuǎn)化，也可在接收到終端命令后直接轉(zhuǎn)化。其相互轉(zhuǎn)換條件如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各模式轉(zhuǎn)化示意圖

中心機(jī)需要在不同模式下，進(jìn)行優(yōu)先級(jí)以及資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1.2.4 數(shù)據(jù)分發(fā)

接收操控終端的模式控制命令，產(chǎn)生不同工作模式下的各項(xiàng)參數(shù)及定時(shí)，在定時(shí)的不同時(shí)刻，將參數(shù)通過各種接口發(fā)送給分系統(tǒng)，控制整個(gè)雷達(dá)協(xié)調(diào)有序工作。此外，中心機(jī)根據(jù)慣導(dǎo)信息和波束指向信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，控制伺服(對(duì)空需提供360°旋轉(zhuǎn))與波控機(jī)，完成對(duì)雷達(dá)波束的穩(wěn)定控制。

2 中心機(jī)軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

2.1 任務(wù)優(yōu)先級(jí)分析及設(shè)定

雷達(dá)的5種主要工作模式中，地空模式為主動(dòng)探測(cè)模式，也是系統(tǒng)最主要的工作模式。該模式下，系統(tǒng)有搜索、截獲確認(rèn)和跟蹤3種狀態(tài)，相應(yīng)的任務(wù)分為以下三種狀態(tài)，根據(jù)重要程度，優(yōu)先級(jí)依次遞減：

1)跟蹤：對(duì)已經(jīng)建立跟蹤的目標(biāo)維持穩(wěn)定波束跟蹤。中心機(jī)分辨中斷識(shí)別號(hào)，進(jìn)入任務(wù)序列，從跟蹤目標(biāo)地址讀取目標(biāo)相關(guān)信息，根據(jù)目標(biāo)信息，如行駛方向、速度，進(jìn)行威脅排序，確定跟蹤目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)從高到低，對(duì)所有目標(biāo)依次進(jìn)行跟蹤。在對(duì)目標(biāo)跟蹤完成后，進(jìn)入跟蹤前的搜索狀態(tài)。

2)截獲確認(rèn)：對(duì)于搜索的目標(biāo)，利用原參數(shù)發(fā)射確認(rèn)波束，降低虛警。當(dāng)時(shí)間資源緊張時(shí)，該任務(wù)隊(duì)列將降低級(jí)別，適當(dāng)時(shí)刻選擇刪除。

3)搜索：對(duì)指定空域按照順序波位進(jìn)行照射以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。該模式下，雷達(dá)發(fā)射針狀波束，對(duì)關(guān)心區(qū)域完整覆蓋，當(dāng)搜索到疑似目標(biāo)時(shí)，通過TAS方式進(jìn)行跟蹤。中心機(jī)進(jìn)入該模式后，預(yù)置參數(shù)，設(shè)置時(shí)序，產(chǎn)生波駐中斷，再根據(jù)模式、位置、威脅度、目標(biāo)飽和度、飛行狀態(tài)等信息產(chǎn)生當(dāng)前工作參數(shù)，雷達(dá)工作周期為波駐中斷周期。

在這3種任務(wù)的設(shè)計(jì)下，每個(gè)波位結(jié)束后，中心機(jī)將查詢多任務(wù)序列，并從高優(yōu)先級(jí)到低優(yōu)先級(jí)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。任務(wù)序列中各個(gè)目標(biāo)信號(hào)的處理過程如圖3所示，這種設(shè)計(jì)方式與發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)是一致的。

圖3 主動(dòng)探測(cè)處理流程

若系統(tǒng)正以某種模式工作，接收到外部指令，在對(duì)新參數(shù)確認(rèn)或糾錯(cuò)后，停止當(dāng)前任務(wù)，產(chǎn)生新任務(wù)，重新循環(huán)工作，工作流程如圖4所示。

圖4 中斷處理流程

被動(dòng)偵查模式下，中心機(jī)首先控制天線產(chǎn)生大波束寬度發(fā)射賦形波束；在覆蓋頻率范圍內(nèi)，以大帶寬為一個(gè)單元，采用頻率步進(jìn)對(duì)頻率進(jìn)行遍歷，判斷是否存在輻射源，如果存在輻射源，在對(duì)應(yīng)的頻率單元內(nèi)，采用小帶寬信號(hào)為一個(gè)單元，繼續(xù)使用頻率步進(jìn)，對(duì)存在輻射源的頻率范圍進(jìn)行頻率迭代搜索；判斷是否存在該輻射源，如果存在就鎖定該頻率，存儲(chǔ)該輻射源對(duì)應(yīng)的方位角和俯仰角；對(duì)雷達(dá)平臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)一段距離，用該鎖定的頻率和窄波束就行空域搜索，如果搜索到該輻射源，采用兩點(diǎn)定位的方位確定該輻射源的位置信息。

其余待機(jī)、校準(zhǔn)和自檢模式均為系統(tǒng)輔助模式，隨時(shí)可被打斷，其優(yōu)先級(jí)均低于工作模式。

圖5 被動(dòng)檢測(cè)處理流程

2.2 自適應(yīng)調(diào)度技術(shù)

自適應(yīng)資源調(diào)度技術(shù)，就是以搜索、跟蹤為起始直到目標(biāo)輸出，根據(jù)功能劃分，形成多個(gè)任務(wù)序列，合理配置時(shí)間、能量、空間資源，對(duì)各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行分級(jí)。如對(duì)外界指令響應(yīng)設(shè)置為優(yōu)先級(jí)最高，以便雷達(dá)能夠迅速反應(yīng)操作手的意圖；慣導(dǎo)數(shù)據(jù)直接影響波束指向及角精度，優(yōu)先級(jí)較高；數(shù)據(jù)打包及轉(zhuǎn)發(fā)，不影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和性能，優(yōu)先級(jí)較低；威脅度大的目標(biāo)優(yōu)先級(jí)較高，無威脅的目標(biāo)，在時(shí)間資源緊張的情況下可丟棄，刪除該任務(wù)隊(duì)列。當(dāng)前的事件執(zhí)行，是將最重要、最急迫任務(wù)，放入執(zhí)行隊(duì)列，雷達(dá)將資源分配給該事件，事件執(zhí)行完畢后，該任務(wù)退出，將調(diào)度下一個(gè)關(guān)鍵事件，調(diào)度算法如圖6所示。

圖6 調(diào)度流算法流程

3 實(shí)現(xiàn)

中心機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，功能眾多，操作復(fù)雜，處理信息量大，其處理實(shí)時(shí)性直接影響到系統(tǒng)精度。因此，其硬件架構(gòu)為基于VPX總線的高性能單板計(jì)算機(jī)，采用PowerPc2020處理器(主頻1GHz)，軟件采用Workbench工具開發(fā)，運(yùn)行VxWorks系統(tǒng)，具有搶先式多任務(wù)處理和出色的可靠性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。利用該嵌入式操作系統(tǒng)，中心機(jī)軟件從架構(gòu)上采用分層模塊化設(shè)計(jì)，采用自適應(yīng)調(diào)度技術(shù)，完成系統(tǒng)資源規(guī)劃和分配。

運(yùn)行后，中心機(jī)能夠穩(wěn)定高效調(diào)度任務(wù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和資源滿足要求，雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)外探測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文論述了某二維相控陣?yán)走_(dá)中心機(jī)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)設(shè)計(jì)中任務(wù)優(yōu)先級(jí)規(guī)劃和模式轉(zhuǎn)化、資源調(diào)度策略等關(guān)鍵問題進(jìn)行重點(diǎn)闡述并給出實(shí)現(xiàn)流程圖。通過雷達(dá)實(shí)際飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了在中心機(jī)的控制下，雷達(dá)能夠?qū)盏啬繕?biāo)穩(wěn)定搜索與跟蹤，對(duì)外部干擾實(shí)施良好有效檢測(cè)，總體性能表現(xiàn)出色。試驗(yàn)結(jié)果表明，合理規(guī)劃中心機(jī)任務(wù)優(yōu)先級(jí)與調(diào)度策略，使其能夠正常穩(wěn)定工作，對(duì)相控陣資源進(jìn)行綜合調(diào)度與管理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頻率、能量、空間、時(shí)間的均衡配置，滿足對(duì)地、對(duì)空、被動(dòng)探測(cè)等探測(cè)功能需要，方案具有較強(qiáng)工程價(jià)值。