機載火控軟件化雷達關鍵技術研究

姜 明,湯 俊,譚湘林,楊雁麟

(1. 中國航空工業集團公司雷華電子技術研究所, 江蘇 無錫 214092) (2. 清華大學 電子工程系, 北京 100084)

0 引 言

軟件化雷達是具有標準化、模塊化和數字化技術特點的新型雷達系統,具有開放式體系架構,可以適應“面向實際需求,以軟件技術為核心”的開發理念,以“軟件化”開發模式靈活地實現系統擴展、更新和升級[1]。自20世紀90年代起,受到軟件無線電啟發,在歷經模塊開放式架構(MOSA)及雷達開放式架構(ROSA)[2-3]兩個發展階段之后,軟件化雷達迅速發展并得到應用。比較典型的有美軍三坐標遠程雷達、Ka波段機動式氣象雷達系統改造等。

目前,軟件化雷達研究方興未艾,相關的成果最先應用于地面雷達的軟件化改造。在機載火控雷達領域,嚴苛的裝機條件決定其只能使用嵌入式處理平臺,“微秒級”的實時性要求對中間件設計、組件建模及劃分顆粒度、組件運行效率都提出了新挑戰。

本文將以機載火控雷達為例,研究強實時嵌入式領域軟件化雷達所面臨的關鍵技術和驗證思路。

1 背景及需求分析

本節從機載火控雷達固有特點以及技術發展趨勢兩個層面分析其從“數字化”走向“軟件化”的迫切需求。

1.1 機載火控雷達固有特點

與地基、艦載等雷達不同,機載火控雷達在裝機條件、波形、功能、作戰環境等方面有其顯著特點,主要如下：

(1) 裝機條件苛刻,對體積、重量、功耗要求非常嚴苛。機載火控雷達通常采用嵌入式異構處理平臺(運行不同的操作系統),計算密集度高。

(2) 波形復雜且切換靈活,機載火控雷達通常采用高、中、低三種脈沖重復頻率的波形,并且任意切換。對中斷響應、組件運行效率、通信及任務調度的實時性要求非常高。

(3) 戰場環境復雜、瞬變,由于本機高速運動,機載火控雷達將面臨更復雜多變的雜波環境和電磁環境。不可避免地需要在非常有限的處理資源和處理間隔內完成復雜的雜波與干擾抑制、目標探測和跟蹤任務,處理實時性要求高。

1.2 機載火控雷達發展趨勢

除上述固有特點以外,機載火控雷達的發展趨勢包含了諸多軟件化因素,主要有以下四個方面。

(1) 微型化、高集成度趨勢：隨著射頻與數字器件制造工藝的進步,機載火控雷達正朝著超薄、超輕的智能蒙皮方向發展。其處理架構也從基于DSP+FPGA+CPU的異構環境[4]轉向基于SIP、GPU與AI輔助的多級分布式處理環境。為應對這種變化,必須采用開放式架構并通過多種中間件支撐應用層軟件與硬件及操作系統的解耦。

(2) 編隊及體系化作戰趨勢：隨著多機型聯合作戰、有人加無人飛機編隊作戰、空/天/地/海體系作戰常態化。對雷達動態任務配置能力的要求越來越高,雷達系統具備優異的動態配置、功能擴展與重構及快速重建觀察、調整、決策、行動(OODA環)的能力。

(3) 功能綜合化趨勢：隨著射頻器件的技術進步及多傳感器協同工作的需要,機載火控雷達正向探測/干擾/偵收/通信一體化發展。要求傳感器可快速“自我演進”,生成新能力,在故障時任務可動態重構。

(4) 智能化、認知化趨勢：首先,隨著本機的高速運動,雜波也在更廣區域快速變化,呈現出雜波譜更寬,時間上非平穩性,空間上非均勻性的特點。需要雷達從傳統的“時/頻/空域”雜波抑制轉向基于知識輔助和自主學習的智能化雜波抑制[5]。其次,未來戰爭對目標識別要求更高。需要雷達從傳統雷達散射截面、高分距離像、微動特征識別轉向基于深度學習的智能目標識別[6-7]。最后,無人/有人及體系作戰帶來更復雜、更寬頻段的電磁環境,干擾也更具欺騙性、靈巧性、智能性。需要雷達從“時/頻/空/波形”抗干擾轉向基于雷達/電子戰融合的智能抗干擾[8]。智能處理計算量大,只有最大限度地進行并行處理,才能滿足系統實時性需求。因此,必須將人工智能(AI)處理、并行處理支撐納入軟件化雷達開放式系統架構。

綜上所述,無論從自身特點還是發展趨勢,機載火控雷達的軟件化進程既迫切,又面臨著諸多挑戰。“強實時、狀態多、切換靈活、軟硬件解耦困難”是其核心特征。

2 關鍵技術及其解決途徑

基于上述分析,本文首先梳理軟件化雷達技術體系,然后針對強實時、嵌入式特性,研究本領域軟件化雷達迫切需要解決的關鍵技術。

軟件化雷達的技術體系[9]共包含總體設計、基礎軟硬件、組件化開發、系統集成與驗證等四大類技術,如圖1所示。

圖1 軟件化雷達技術體系

本文重點研究上述技術體系中與強實時嵌入式系統密切相關的開放式體架系統、高性能中間件、組件建模與劃分、組件開發機制與集成開發環境(IDE)、集成與驗證等技術。

2.1 開放式系統架構

機載火控雷達是典型的強實時復雜系統,開放式系統架構是其具備優異擴展性的基礎,有效支撐雷達能夠快速響應因復雜作戰場景導致的新軍事需求、快速融入新技術、快速形成新能力。機載軟件化雷達系統架構除需滿足ROSA九大設計原則之外,還需關注以下四點：

(1) 支持智能認知處理的潛在需求;

(2) 具備通信、計算、存儲等多種中間件;

(3) 可適應不同嵌入式強實時操作系統;

(4) 可適應DSP、CPU、GPU、SIP等處理器。

依據上述原則,結合ROSA2、軟件通信架構等業界主流開放式架構層次劃分標準,強實時嵌入式領域軟件化雷達開放式體系架構如圖2所示,自上而下共分為應用層、軟件環境層、硬件層。

圖2 強實時嵌入式領域軟件化雷達分層體系

(1) 應用層：主要實現雷達的各種功能,內部又分為雷達任務、應用(APP)、組件三個子層。

(2) 軟件環境層：包括集成框架、中間件、操作系統與硬件統一服務接口等。運行時服務為組件運行提供必要的服務支撐,包括實時數據訪問、并行處理框架(類似于OpenMP并行框架[10-11]、CUDA)等,中間件為組件提供通信、計算、存儲讀寫服務。

(3) 硬件層：包含陣面(前端)、處理(后端)。軟件化雷達的硬件須具備模塊化、易擴展、虛擬化、可軟件定義的特征。由于篇幅有限,本文不再詳細闡述。

2.2 輕量化/低時延中間件

中間件是實現軟硬件解耦的重要技術手段,機載火控軟件化雷達處理平臺是典型的分布式異構嵌入式系統,為兼顧軟硬件解耦與效率,需采取如下措施：

(1) 針對嵌入式處理器(尤其是DSP)內部存儲有限且APP運行效率對存儲尤為依賴的特點,本領域的中間件應具備輕量化、低時延特征,編譯后的庫文件應能夠滿足內存的限制和要求;

(2) 針對大帶寬、強實時信號處理的需求,單處理器內部通信需采用共享內存機制,避免內存拷貝,跨處理器間通信應該滿足高吞吐率要求;

(3) 針對嵌入式異構處理環境的特點,中間件應具備相應的配置工具,通過界面端圖形化操作,自動生成有關配置文件,迅速、可靠的服務于不同處理規模的雷達。

綜上所述,本領域軟件化雷達中間件具有基于資源配置與映射、低時延、輕量化等典型特征。以通信中間件為例：首先,雷達內/外通信形式種類繁多,比如高速串行傳輸總線、高速互聯技術(SRIO)、以太網等。其次,“信號級”通信時,對時延要求苛刻。“數據級”通信時,對通信質量及服務模式有一定需求,因此必須采用混合異構通信中間件,通常包含硬件抽象層模式(用于跨片信號處理通信)、消息模式(用于片內信號處理通信)、訂閱與發布模式(用于數據處理通信)。然后,需要建立分層次的異構通信中間模型,應用不感知通信模式。最后,基于實時發布訂閱協議規范設置“端到端可配置通信”層,完成統一邏輯尋址及各種配置功能,如圖3所示。

圖3 強實時混合異構通信中間件

2.3 組件的抽象與劃分原則

從邏輯上講,組件是具有若干功能和端口、對外提供參數配置/狀態獲取等接口、可圖形化描述、可被多種驅動形式調度的對象[12]。從物理上講,組件包含頭/源/靜態庫/動態庫/配置等一系列文件。如圖4所示。

圖4 組件的抽象與調度

圖5 軟件化雷達組件開發機制

功能與接口獨立、可即插即用、可圖形化設計與互聯是組件典型的特征。除代碼文件以外,組件還包含若干配置文件與收發、屬性配置、控制、監控等接口,可對其外觀、依賴庫、屬性進行配置,確保不同工具設計的組件可互解釋、互連接。

組件作為具有類似功能集合的對象,是雷達功能復用的基本單位,雷達的各種工作模式由若干組件互聯實現。在強實時嵌入式領域,組件劃分的顆粒度至關重要,需要兼顧復用性、擴展性與運行效率,同時還需考慮實時操作系統的自身特性、組件串行/并行處理需求及部署便捷性。基于上述分析,組件劃分時可遵循如下原則：

(1) 組件執行單元為任務(線程);

(2) 串行執行的功能/算法通常作為組件內部的功能函數;

(3) 同一組件可在不同工程(應用)執行不同功能子集;

(4) 需要并行加速的算法通常單獨封裝在一個組件內。

2.4 高效組件開發機制

基于組件技術的應用開發,其本質就是模型驅動架構在軟件化雷達上的應用,其開發流程一般由系統需求分析、組件劃分與建模、組件設計以及組件部署與重構四個部分構成,如圖 5所示。軟件化雷達組件開發包括以下八個方面。

(1) 對系統功能進行需求分解;以工作模式為單位,確定其功能流圖;

(2) 根據系統功能分解結果進行組件建模,包括確定組件功能、組件間的數據流和控制流,完成功能到組件的映射,形成組件譜系。這個過程要明確采用何種方式(復用/新研/繼承)設計組件;

(3) 定義組件的輸入、輸出、參數等;

(4) 使用集成開發環境,實現組件的建模與開發。其中開發人員主要實現組件的功能,組件作為一個對象的框架代碼(包括內部的線程創建、調度等)由IDE自動生成;

(5) 使用IDE開發新組件并結合庫中的已有組件,搭建雷達每個工作模式的功能流圖;

(6) 確定功能流圖中每個組件與硬件處理器/處理核之間的部署關系;

(7) 使用IDE生成并編譯工程,并將其加載到硬件;

(8) 使用IDE完成組件與硬件平臺集成、系統集成、入庫等工作。

2.5 基于模型驅動的組件集成開發環境

基于模型的組件集成開發環境為應用開發人員提供了一個友好的圖形化操作界面,對開發者屏蔽組件設計規范的細節內容,實現基于模型的雷達處理組件開發、任務流程搭建、組件庫管理。集成開發環境還能夠配置嵌入式異構硬件環境(包含各種處理器與互聯)、中間件,實現硬件資源的虛擬化,完成工程代碼生成、編譯、加載和運行,支撐組件間和組件內部的代碼調試和組件庫管理。綜上所述,集成開發環境極大簡化了嵌入式系統開發難度、提升了應用程序開發效率、確保架構統一有效落地,其包含的功能如圖6所示。

圖6 組件集成開發環境功能框圖

圖7 強實時嵌入式領域軟件化雷達驗證思路

組件集成開發環境具備“六個高效”的典型特征。

(1) 建模高效：圖形化、向導方式完成組件建模,對用戶屏蔽規范細節。

(2) 開發高效：具有類似VSCODE的代碼編輯能力。

(3) 解耦高效：通過圖形化互聯即可實現不同通信,自動生成不同處理器及操作系統下的嵌入式工程。

(4) 調試高效：具有多種編譯器,可交叉編譯、斷點調試,具有完備的日志。

(5) 監控高效：可圖形化、虛擬化顯示處理資源并部署應用。

(6) 管理高效：高效實現對組件及應用庫的管理、檢索、復用。

3 軟件化雷達驗證思路

軟件化雷達研制過程中,需關注以下幾個 “軟件化”指標的驗證。

1) 實時性(效率)驗證：對一個分布式強實時系統而言,即便每個組件功能正確無誤,若組件化后運行效率低,系統延時大,將無法滿足系統實時性要求。可從組件調度、功能切換、通信時延等方面進行測試驗證。

2) 重構性驗證：重構是開放式架構的優勢[13],也是軟件化雷達必備特征之一。軟件化雷達可實現“組件級”“任務/流程級”“系統級”重構,難度依次增加。“組件級”重構主要通過調整組件的可變參數、重載組件的某一功能,從而賦予組件新的能力,適應新的需求。“任務/流程級”重構一般與某個雷達工作模式有關,通過更換組件或調整組件的互聯關系等手段,迅速完善并重構原有處理流程。系統級重構通常有兩層含義：① 擴展陣面、處理的硬件規模,增加通道數目,更換性能更強的處理器或操作系統,在前兩級重構及軟硬件解耦的支撐下,通過軟件化手段重新生成工程、完成組件部署,迅速新增雷達功能、提升系統級能力;② 當某個子陣、處理器故障時,通過軟件的控制及組件的重新部署,實現系統功能的重構或柔性降級。

3) 軟硬件解耦性驗證：首先驗證中間件是否與硬件及具體的通信形式無關。其次通過更換處理芯片級操作系統,驗證應用/組件的軟硬解耦性。

綜上所述,本領域軟件化雷達驗證思路如圖 7所示,可根據實際需求進行裁剪。

4 結束語

本文簡要介紹了軟件化雷達國內外研究情況,通過分析機載火控雷達面臨的挑戰,指出強實時嵌入式領域雷達在軟件化過程中需要解決的關鍵技術及驗證思路。

目前,我國尚未裝備完全符合開放式架構規定的機載火控軟件化雷達,重點需要關注并解決以下問題：

(1)嵌入式異構處理環境下的中間件體系不夠完善,雖然各種通信中間件在數據級傳輸領域廣泛應用,但與 “微秒級”的時延、能夠以輕量化形式穩定運行在嵌入式處理器和操作系統上的要求仍有一定差距,還需進一步提升實時性,構建功能可配置、服務可裁剪的異構通信中間件。

(2)需要大力支持和發展具有獨立自主知識產權的組件集成開發環境和技術,并加強對多工作模式強實時切換、組件調度時延、數據級處理建模能力的支撐;

(3)智能認知支撐不夠完善,軟件化雷達是邁向智能化雷達的必由之路[14],二者最終將融為一體。實現AI模型與常規處理模型在統一框架下的融合及可在GPU上運行的計算中間件等都值得進一步深入研究。