面向多功能雷達的模型參數化脈沖級調度方法

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著戰場威脅日益復雜化，各類作戰平臺尤其是機載、球載、艦載等機動平臺，需要裝備雷達、電子戰、敵我識別等多種電子設備[1]。多功能相控陣雷達由于可實現空海警戒監視、遠程目標指示、輔助成像識別、打擊效果評估等同時多功能和多任務能力，并且具備抗干擾工作方式，能大幅提升作戰平臺執行各類作戰任務和應對復雜環境的能力，成為當前雷達的主要研究和發展方向。

多功能相控陣雷達在微秒量級上快速掃描和捷變，以完成同時搜索、跟蹤、制導等多種工作方式的操作，相應的雷達實時調度處理能力就尤為重要。關于雷達調度策略的研究主要有模板法[2]和自適應調度算法[3-4]，通常這些調度算法會選擇一定的駐留周期作為調度間隔，調度器對調度間隔中任務請求進行排序，最后交付執行器執行。考慮到調度與執行之間數據交互以及調度算法自身的時間開銷，一般任務調度間隔需要設計為一個波位多個駐留脈沖周期，甚至占用多個波位的時間周期。隨著當前多功能雷達的任務調度復雜性和實時性要求不斷提高，某些任務只需較少的脈沖駐留，甚至存在單脈沖調度任務，因此傳統的調度方法并不能保證任務執行的快速性和有效性。針對實際應用問題，本文設計了一種可實現脈沖級雷達任務調度的方法，并采用參數化設計實現任務調度的靈活性，同時將調度與執行一體化設計以確保任務執行的實時性。

1 多功能雷達任務模型

分析多功能雷達的功能，需具備搜索監視(TWS)、跟蹤監視(TAS)、動目標顯示(MTI)、合成孔徑成像(SAR)等主模式，同時可插入一維距離成像(HRR)、逆合成孔徑成像(ISAR)、氣象探測等任務。以TAS模式為例，其工作方式如圖1所示。

由于任務需要實現脈沖級任務切換，如同時SAR/MTI工作模式時，多個窄帶脈沖會插入單個寬帶脈沖交替進行工作。為了保證脈沖級調度實現，調度器設計為兩級模型，如圖2所示，由處理器軟件層實現每個波位BSH分隔的一級調度任務，FPGA邏輯層實現每個脈沖FR分隔的二級調度任務，兩者之間通過參數化進行傳遞。執行器設計與二級調度共用FPGA，完成每個脈沖周期內的任務執行。

1.1 一級調度模型

一級調度模型與任務類型相關。搜索任務模型[5]，第i個搜索區域的第j個波位的任務模型為

(1)

跟蹤任務模型，第k類跟蹤任務的第m個目標的任務模型為

(2)

其他SAR，ISAR，HRR等任務模型與上述類似，模型設計方法具有普遍性，不同任務的具體傳遞參數類型和參數值有所不同。

其中，駐留脈沖數決定當前任務周期，最小值取1時表示當前為單脈沖任務；任務優先級[6]決定任務編排的方式和順序；調度序號與參數實現一級與二級調度之間的信息傳遞。

1.2 二級調度模型

一級調度完成波位級的任務編排，形成該波位下的一組調度序列，序號數量與駐留脈沖數一致，通過該序號統一指派每個脈沖任務。

二級調度任務模型統一為

(3)

其中，調度序號按如下約定設計：

0：SAR寬帶任務；1～n：MTI窄帶任務，n為捷變數；n+1～m：搶占式任務。

傳遞參數具有多個，包括頻點、時寬、帶寬、指向角等具體脈沖工作參數。調度序號與傳遞參數具有對應關系，二級調度每脈沖獲取調度序號，關聯相應脈沖參數完成實時解算，送執行器完成該脈沖內的任務執行。一級調度可以根據任務要求自由編排每脈沖的調度序號，二級調度無需關注具體任務內容，脈沖參數化設計最大程度地實現了調度的靈活性。

1.3 調度優先級設計

任務初始優先級由下發任務時產生，調度算法綜合初始優先級和任務延時，進行調度分析后完成任務的編排。

傳統雷達任務調度設計為非搶占式，即雷達任務駐留一旦被調度執行，在執行間隔周期內不能被其他任務中斷。通過對多功能任務需求分析，非搶占式調度往往不能滿足應用要求。如ISAR[7]任務執行周期需要較多的積累脈沖(大于2 000)，若在此任務較長的執行周期內，新下發實時性要求較高的跟蹤或HRR任務不能立即執行，則會導致任務失敗。

由于能基于脈沖級完成調度實現，因此本文調度方法支持搶占式和非搶占式兩種調度方式，調度方式隨任務下發。如果是非搶占方式，則在已完成編排的調度序號之后順序編排；如果要求是搶占方式，則在當前工作序號和下一序號之間插入該任務形成的調度序號，二級調度實時獲取插入序號立即執行，從而實現脈沖級任務切換和調度功能。

按任務類型區別對待調度方式，當系統處于低優先級任務時，可以被高優先級跟蹤、HRR等任務在任務執行截止期之前采用搶占式調度立即執行，反之低優先級搜索、氣象探測任務則采用非搶占式方式編排，從而保證雷達各類任務執行性能。

與傳統調度方法的另一個區別是，當多個高優先級任務出現競爭時，可以脈沖級實現多任務交叉編排，不是只基于調度算法排序執行，真正意義上實現了多任務的并行執行。

2 調度方法功能實現

2.1 系統數據流設計

本任務調度方法的設計實現不僅事關任務調度系統自身設計，還與整機系統架構設計相關。由于任務調度是雷達系統任務控制中心，各分系統都需要與任務調度進行信息交互。但是脈沖級的任務調度，每個脈沖的控制參數都在發生切換，如果需要每個脈沖內與各系統均進行通信交互，系統設計復雜，實時性和時序性難以完全保證。

因此系統設計將任務調度系統設計于前端陣面，實時完成任務調度，并控制前端設備立即執行，與后端處理系統之間并不直接進行控制信息交互。而是基于數據流驅動方式，每個脈沖將控制參數傳遞給數字收發，與采集的回波組包送綜合處理系統，最大程度地簡化了接口和流程設計。

此方法引入的另一個設計問題是，由于工作流程上每個脈沖周期回波采集滯后于控制，一些后端處理需要提前獲取的控制參數，如DBF解算需要的頻點、角度信息不能提前獲取。針對此類需求，將回波數據按如圖3所示的格式設計。

圖3 基于數據流驅動的控制協議格式

二級調度基于每個脈沖觸發，提前預取下一脈沖調度序號，并產生下一脈沖工作參數，與當前工作參數同時送綜合處理，綜合處理可依此協議提前獲取相關控制參數。

2.2 任務執行設計

本任務調度方法的設計實現同時還需要執行器提供相應設計保障。由于需要基于脈沖周期實現任務切換，因此需要在單個脈沖內完成所有控制參數解算并執行。相控陣雷達陣面上T/R組件數量龐大，若采用處理器解算每個波束指向的所有T/R移相衰減控制碼，再加上讀寫周期，時間開銷為毫秒量級，不能滿足單個脈沖周期的工作要求。因此在設計上，控制參數解算均在FPGA內邏輯實現。

二次調度每個脈沖周期，預取下一脈沖工作參數，并將參數傳遞給執行器的參數解算單元。參數解算單元，基于CORDIC算法實現波束指向角的正弦和余弦變換，并采用三級流水線，實現陣面所有T/R組件和延遲放大組件的移相衰減值計算，歸一化后產生最終控制碼，整個解算過程在微秒量級完成，從控制執行端確保了本調度方法的最終實現。

3 仿真分析

按照多功能雷達實際任務需求，以TAS工作模式設置仿真場景，主要設計精密跟蹤、一維距離成像、普通跟蹤、逆合成孔徑成像、重點區域搜索、氣象探測、全空域搜索七種任務類型，任務參數如表1所示。

表1 任務參數設置

仿真比對采用傳統基于波束駐留周期的調度方法和本文基于脈沖周期調度實時調度方法。對于有效性的驗證，主要針對雷達性能至關重要的任務執行時間偏差和任務調度丟失率等指標進行。

圖4是兩種方法的平均任務執行時間偏差曲線。由于傳統的調度方法基于波位級多個脈沖周期進行任務切換，所以大部分任務的執行最小時延大于4 ms。本文調度方法基于脈沖級實現任務切換，實時性要求高的任務可在下一脈沖立即執行，最小時延為0.3 ms，從而保證任務能盡量靠近其期望時刻執行。因此，本文調度方法能獲得更高的任務執行有效性。

圖5是兩種方法的任務丟失率曲線。以跟蹤任務為例，當任務數目較少時，由于任務之間的競爭不明顯，所有任務都能得到有效執行。當隨著任務增多，傳統的調度方法任務丟失率迅速上升，而本文的調度方法則能控制在0.04。這是由于本文調度方法基于搶占式策略，保證了優先級高的重要任務立即執行，并且當出現多個同優先級任務發生競爭時，能將多個任務混合編排，以每個脈沖為時間分割，輪流切換并發執行，而傳統調度方法只能以每個任務駐留為時間分割順序執行。因此，本文調度方法能較好地控制高優先級任務丟失率，滿足系統的各項復雜任務需求。

4 結束語

本文針對傳統駐留調度方法不能滿足雷達快速變換的功能需求，提出一種基于多功能相控陣雷達任務模型的實時調度方法。該方法的兩級調度器與執行器一體化設計，實現了基于脈沖周期任務調度的系統架構，采用脈沖參數化設計方法，綜合考慮優先級調度算法和搶占式調度策略，保證了各類任務的靈活、有效和實時調度。解決了系統設計層面和任務執行層面的關鍵設計問題，經過實際工程實現和驗證，該調度方法能基于微秒量級的脈沖周期完成任務調度和高效執行。

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