某二維相控陣雷達中心機的設計與實現(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)的機械掃描雷達相比，二維相控陣雷達通過控制不同發(fā)射子陣的饋電相位來實現(xiàn)多種波束不同指向，具有波束掃描迅捷的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)凝視探測，從而聚集更多的能量、更長時間的積累。充分利用這些時間和空間資源，可提高雷達波束覆蓋范圍、探測距離、數據率、系統(tǒng)多功能和多目標能力，從而實現(xiàn)對“低慢小”目標的有效探測。

然而，雷達的多功能、多目標能力通常受到雷達各項資源、計算機處理能力等因素的限制，如陣元分割，通常節(jié)省了搜索時間資源，但波束的展寬，會導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現(xiàn)對各項資源的優(yōu)化利用；如何實現(xiàn)系統(tǒng)對多目標的精確搜索和跟蹤；如何設計模式相互轉換實現(xiàn)多功能等，這些都與系統(tǒng)資源息息相關。因此，對二維相控陣雷達的系統(tǒng)資源進行合理布局和規(guī)劃，就成為雷達設計中的重要問題。

雷達中心機主要用于二維相控陣雷達系統(tǒng)各資源協(xié)調、調度和控制，是雷達控制的核心。其設計在合理規(guī)劃雷達的時間與能量資源基礎上，通過高效調度雷達所要執(zhí)行的任務，合理分配系統(tǒng)資源，以充分利用相控陣天線技術特點及其應用潛力，實現(xiàn)雷達的多功能、多任務能力。文章基于某二維相控陣雷達中心機的設計，采用嵌入式實時多任務管理系統(tǒng)，利用天線波束敏捷性，實現(xiàn)高效搜索、目標精確跟蹤和多任務工作能力。

1 組成及功能分析

1.1 雷達系統(tǒng)組成

某兩維有源相控陣雷達組成如圖1所示，天線采用4子陣設計，且4個子陣單獨設計接收通道。這些子陣既可以協(xié)同工作，實現(xiàn)遠距離、高精度的目標探測，也可以獨立工作，分時完成不同功能。中心機與數據處理機、信號處理機、波控機、頻綜以及伺服驅動機構相互通信，接收終端發(fā)送的工作命令，對各分系統(tǒng)實施實時控制，實現(xiàn)全機工作。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.2 功能劃分

中心機負責雷達系統(tǒng)全機控制和各分系統(tǒng)的協(xié)同工作，包括工作參數產生、時序控制、工作模式管理、數據分發(fā)。

1.2.1 系統(tǒng)初始化

用于完成工作參數的產生。系統(tǒng)上電后首先完成對硬件接口的初始化，包含板卡、通信接口(串口、網絡、PCIE、ARINC429)的初始化；其次加載操作系統(tǒng)，初實現(xiàn)對VPX設備的總線地址映射；之后進行對AD采樣、目標處理、數據處理、目標識別等單元參數的初始化；最后完成其它分系統(tǒng)的初始化。

1.2.2 定時控制

用于控制系統(tǒng)工作所需各種定時信號的產生，包括信號處理零距離脈沖、頻綜發(fā)射觸發(fā)、波駐脈沖、發(fā)射觸發(fā)脈沖、接收機保護脈沖、PRF、CPI信號等，實現(xiàn)系統(tǒng)時序管理。

1.2.3 工作模式管理

工作模式管理是中心機的核心功能，也是雷達系統(tǒng)控制的核心。收到終端操控命令后，中心機依據嚴格的系統(tǒng)時鐘，完成各模式下雷達資源調配工作。

為實現(xiàn)二維相控陣雷達陣元和波束資源的合理利用，根據雷達不同使用環(huán)境和用途，系統(tǒng)設計多種工作模式：含地空模式、被動偵察模式、校準模式、自檢模式、待機模式等5種主要模式。其中，地空模式和被動偵察模式為主要工作模式。

地空模式下，中心機控制頻綜產生工作所需信號；控制波控機發(fā)射對應賦形波束，實現(xiàn)對空、地、海掃描；控制信號處理機實現(xiàn)對運動目標檢測、恒虛警控制等功能。

自檢模式用于對全機各分系統(tǒng)進行故障自檢并上報，為上電初始默認模式。系統(tǒng)上電自檢完成后自動進入被動偵查模式；其他狀態(tài)下，中心機接收終端自檢命令后，進入該模式，自檢結束回到待機模式。

被動偵查模式為避免敵方的電子偵查設備，雷達處于偵聽狀態(tài)，對戰(zhàn)區(qū)的電子設備所用的頻率、時寬、帶寬、位置等信息進行解析。開機自檢模式結束后即進入該模式，在確認沒有輻射單元后，再轉入地空模式，進行雷達主動探測，此時可進行干擾或者直接進行打擊。其他狀態(tài)下，中心機接收終端命令進入該模式，始終處于被動偵測狀態(tài)，當再次接收到模式轉換命令時，轉入其他狀態(tài)。

待機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。此時雷達有工作所需的各項定時，但是不發(fā)射電磁波主動工作，也不被動偵聽輻射源，天線停止轉動。待機模式可進入其余各個模式。

校準模式用于進行系統(tǒng)幅相一致性校準等功能。

不同模式下，系統(tǒng)發(fā)射賦形、信號形式不同，中心機控制任務優(yōu)先級不同。模式間，既可相互轉化，也可在接收到終端命令后直接轉化。其相互轉換條件如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各模式轉化示意圖

中心機需要在不同模式下，進行優(yōu)先級以及資源調度，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1.2.4 數據分發(fā)

接收操控終端的模式控制命令，產生不同工作模式下的各項參數及定時，在定時的不同時刻，將參數通過各種接口發(fā)送給分系統(tǒng)，控制整個雷達協(xié)調有序工作。此外，中心機根據慣導信息和波束指向信息，進行數據解算，控制伺服(對空需提供360°旋轉)與波控機，完成對雷達波束的穩(wěn)定控制。

2 中心機軟件設計關鍵問題

2.1 任務優(yōu)先級分析及設定

雷達的5種主要工作模式中，地空模式為主動探測模式，也是系統(tǒng)最主要的工作模式。該模式下，系統(tǒng)有搜索、截獲確認和跟蹤3種狀態(tài)，相應的任務分為以下三種狀態(tài)，根據重要程度，優(yōu)先級依次遞減：

1)跟蹤：對已經建立跟蹤的目標維持穩(wěn)定波束跟蹤。中心機分辨中斷識別號，進入任務序列，從跟蹤目標地址讀取目標相關信息，根據目標信息，如行駛方向、速度，進行威脅排序，確定跟蹤目標的優(yōu)先級。優(yōu)先級從高到低，對所有目標依次進行跟蹤。在對目標跟蹤完成后，進入跟蹤前的搜索狀態(tài)。

2)截獲確認：對于搜索的目標，利用原參數發(fā)射確認波束，降低虛警。當時間資源緊張時，該任務隊列將降低級別，適當時刻選擇刪除。

3)搜索：對指定空域按照順序波位進行照射以發(fā)現(xiàn)目標。該模式下，雷達發(fā)射針狀波束，對關心區(qū)域完整覆蓋，當搜索到疑似目標時，通過TAS方式進行跟蹤。中心機進入該模式后，預置參數，設置時序，產生波駐中斷，再根據模式、位置、威脅度、目標飽和度、飛行狀態(tài)等信息產生當前工作參數，雷達工作周期為波駐中斷周期。

在這3種任務的設計下，每個波位結束后，中心機將查詢多任務序列，并從高優(yōu)先級到低優(yōu)先級執(zhí)行相應的任務。任務序列中各個目標信號的處理過程如圖3所示，這種設計方式與發(fā)現(xiàn)和確認是一致的。

圖3 主動探測處理流程

若系統(tǒng)正以某種模式工作，接收到外部指令，在對新參數確認或糾錯后，停止當前任務，產生新任務，重新循環(huán)工作，工作流程如圖4所示。

圖4 中斷處理流程

被動偵查模式下，中心機首先控制天線產生大波束寬度發(fā)射賦形波束；在覆蓋頻率范圍內，以大帶寬為一個單元，采用頻率步進對頻率進行遍歷，判斷是否存在輻射源，如果存在輻射源，在對應的頻率單元內，采用小帶寬信號為一個單元，繼續(xù)使用頻率步進，對存在輻射源的頻率范圍進行頻率迭代搜索；判斷是否存在該輻射源，如果存在就鎖定該頻率，存儲該輻射源對應的方位角和俯仰角；對雷達平臺進行移動一段距離，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，采用兩點定位的方位確定該輻射源的位置信息。

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

圖5 被動檢測處理流程

2.2 自適應調度技術

自適應資源調度技術，就是以搜索、跟蹤為起始直到目標輸出，根據功能劃分，形成多個任務序列，合理配置時間、能量、空間資源，對各項任務進行分級。如對外界指令響應設置為優(yōu)先級最高，以便雷達能夠迅速反應操作手的意圖；慣導數據直接影響波束指向及角精度，優(yōu)先級較高；數據打包及轉發(fā)，不影響系統(tǒng)實時性和性能，優(yōu)先級較低；威脅度大的目標優(yōu)先級較高，無威脅的目標，在時間資源緊張的情況下可丟棄，刪除該任務隊列。當前的事件執(zhí)行，是將最重要、最急迫任務，放入執(zhí)行隊列，雷達將資源分配給該事件，事件執(zhí)行完畢后，該任務退出，將調度下一個關鍵事件，調度算法如圖6所示。

圖6 調度流算法流程

3 實現(xiàn)

中心機作為核心控制系統(tǒng)，功能眾多，操作復雜，處理信息量大，其處理實時性直接影響到系統(tǒng)精度。因此，其硬件架構為基于VPX總線的高性能單板計算機，采用PowerPc2020處理器(主頻1GHz)，軟件采用Workbench工具開發(fā)，運行VxWorks系統(tǒng)，具有搶先式多任務處理和出色的可靠性和實時性的特點。利用該嵌入式操作系統(tǒng)，中心機軟件從架構上采用分層模塊化設計，采用自適應調度技術，完成系統(tǒng)資源規(guī)劃和分配。

運行后，中心機能夠穩(wěn)定高效調度任務，系統(tǒng)實時性和資源滿足要求，雷達系統(tǒng)對外探測結果如圖7所示。

圖7 雷達探測結果

4 結束語

本文論述了某二維相控陣雷達中心機的設計思路和實現(xiàn)方案，對設計中任務優(yōu)先級規(guī)劃和模式轉化、資源調度策略等關鍵問題進行重點闡述并給出實現(xiàn)流程圖。通過雷達實際飛行試驗，驗證了在中心機的控制下，雷達能夠對空地目標穩(wěn)定搜索與跟蹤，對外部干擾實施良好有效檢測，總體性能表現(xiàn)出色。試驗結果表明，合理規(guī)劃中心機任務優(yōu)先級與調度策略，使其能夠正常穩(wěn)定工作，對相控陣資源進行綜合調度與管理，能夠實現(xiàn)對頻率、能量、空間、時間的均衡配置，滿足對地、對空、被動探測等探測功能需要，方案具有較強工程價值。