基于数字阵列体制的雷达模块化标准体系研究

许彦鑫 周 超

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

基于数字阵列体制的雷达模块化标准体系研究

许彦鑫 周 超

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

分析了现有雷达模块化标准体系的现状和不足，提出了数字阵列体制雷达的架构，对架构中数字阵列模块、数据传输、高性能计算平台3部分组成进行了具体模块分析，并提出了对现有雷达模块化标准体系的改进建议。

模块化；数字阵列体制；标准体系；雷达；数字阵列模块模块化

标准体系是一定范围内的标准按其内在的联系形成的科学有机的整体。雷达模块化标准体系是一系列雷达模块标准以某种有序的方式联系起来的有机整体。而建立数字阵列雷达模块化标准体系，首要问题就是研究数字阵列雷达的体系架构，这个架构把相关的雷达模块标准规范联系起来，形成了数字阵列雷达模块化标准体系。

“八五”期间，国内众多雷达研制单位在总参54所的组织协调下，历经十余年共同努力，完成了13类雷达模块研制工作，取得了一定的经济和社会效益。在此基础上，一批《军用雷达XX用模块规范》国家军用标准陆续制定，军用雷达模块化技术标准体系初步形成。对这一批雷达模块标准进行研究，不难发现当时的雷达模块标准是按照分系统构建的，符合我军雷达的实际需求。而随着新体制雷达的出现，分系统间的界线因体制不同会出现交叉，因此如何完善雷达模块化标准体系满足新体制的要求成为了现阶段面临的一个新课题。

1 模块化标准体系现状

基于现有的雷达模块化标准，雷达模块化标准体系基本形成，体系结构见图1。GJB 3760-1999《军用雷达模块化通用要求》作为雷达模块化的顶层要求对模块化和模块提出了共性要求，并在详细要求中为拟制各类模块规范提供了剪裁依据。模块用标准目前由11个分系统的模块用规范组成，每个模块用标准中包含了本分系统下的各类模块的性能指标、质量保证规定和交货准备等。

从目前的模块化标准体系来看主要有2个问题：首先，电子技术发展更新很快，使用平台多样化，现有模块很难在新研制产品中推广使用。其次，模块按分系统划分，新体制雷达向着高集成度方向发展，现有模块存在一定局限性，需要补充新的模块。

在2013年国家军用标准清理整顿工作中，对模块化相关标准进行了复审，根据清理结果，除GJB 3760-1999外的其余现行标准均需修订，补充新需求。基于此情况，在下一轮军用雷达模块化工作中，一方面根据目前的技术发展情况及时修订现有的标准，另一方面针对不同雷达体制架构，分析研究模块化系统，编制相应标准对现有体系进行补充和完善。

2 数字阵列雷达架构及模块分析

2.1 数字阵列雷达架构

数字阵列雷达是收发均采用数字波束形成技术的雷达，其收发均没有波束形成网络与移相器，系统组成简单，具有很高的重构性。考虑到功能和物理结构相对独立，数字阵列雷达的主体架构由数字阵列模块、数据传输、高性能计算平台3大部分组成。具体架构见图2。这种体系架构具有以下优点：体系架构简洁，系统集成度高；模块化结构，最大限度实现尺寸和功能的扩充；光纤传输实现多功能孔径与多功能处理系统的连接；网络化处理结构使得先进算法得以实现；尺寸可变、功能可变，满足多平台、多任务。

2.2 数字阵列雷达具体模块分析

图1 军用雷达模块化标准体系

图2 数字阵列雷达架构

2.2.1 数字阵列模块

数字阵列模块是数字阵列雷达的核心模块，它是一种新型的多通道收发模块，主要用于数字阵列雷达收发系统，完成雷达多通道射频数字化收发功能。接收通道通常包括雷达回波信号的放大、变频、滤波、A/D变换及数字正交解调等功能；发射通道通常包括雷达发射信号的数字波形产生（激励）、变频、滤波、功率放大等功能。把接收通道和发射通道集成设计为一个收发通道，一个收发通道可以理解为一路数字收发单元，然后把多个收发通道进行集成设计，就构成了一个数字阵列模块。

数字阵列模块用功能模块一般划分为基本模块、备选模块，详细划分见表1。基于此模块划分，我们可以针对模块主要技术参数、接口、外形尺寸等几个主要方面进行分析研究，形成系列化产品，从而实现数字阵列模块的模块化设计。数字阵列模块是随雷达技术发展而出现的一种微波、模拟、数字相结合的综合性多功能电路模块，其结构形式、电路组成、功能等具有多种方式，具体尺寸、电路组成等根据功能的不同有很大差别。数字阵列模块的系列化可以按频率、单元通道数、输出功率量级几个指标来细分系列，但这需要在大量课题和产品的需求牵引下，经过一个较长阶段的研发并遴选的过程。从目前的研发情况来看，数字阵列模块的模块化设计是以单元电路的借用做起，如何将单元电路进一步标准化设计为系列化的模块是下一步工作的重点。

表1 数字阵列模块用功能模块

数字阵列模块模块化需注意以下方面：

a）数字阵列模块一般具有多功能、多通道、高集成、体积小、重量轻、可靠性要求高、大批量生产、自动测试等特点，在数字阵列模块设计当中需加强其内部功能模块标准化设计要求；

b）数字阵列模块中有较多功能模块以板级电路模块化为主要特征，很多标准模块是以板级电路整件形式出现，不一定有单独的封装。如数字收发模块、一体化功分模块；

c）数字阵列模块的模块化、通用性跟系统总体方案关联较大，建议系统总体方案设计时就考虑到数字阵列模块的模块化设计。

2.2.2 数据传输模块

数据传输模块主要解决数字阵列模块到高性能计算平台的海量信息传输问题。数字阵列技术在雷达中的应用，要求更高的计算性能和更高的数据带宽。现代大规模数字阵列雷达具有数百个甚至数万个天线单元，数字阵列模块下行的量化回波数据已达到太比特每秒（Tbps）的量级，只能采用光纤传输。光纤传输具有传输带宽高、传输距离远、抗干扰能力强、重量轻等优点，已在雷达系统中广泛采用。

基于光纤技术的数据传输模块基本组成包括光电转换模块（简称光模块）和光纤线。光模块目前有单路、8合1、12合1、24合1等多种结构形式，按照光波长的不同还分为850nm、1310nm、1550nm波长，按照接口形式还可分为单纤双向、双纤双向等类型。光纤线根据光在光纤中的传输模式可分为单模光纤、多模光纤，根据组合形式可分为单路、8合1、12合1等多种结构，根据物理接口也可分为FC、LC、ST、SC、MTP/MPO等不同结构形式的光纤连接器类型。

考虑不同雷达数据传输的需求，数据传输模块下还应包含光汇流环模块、波分复用模块，光汇流环模块用于解决带有转动结构的数字阵列天线到高性能计算的光纤数据传输，波分复用模块主要用于多路光纤的合并传输。

考虑不同数字阵列模块和不同高性能计算平台接口兼容性的话，数据传输模块规范下还应包含数据传输协议标准要求。

2.2.3 高性能计算平台

高性能计算平台主要完成信号处理、数据处理、资源管理、整机故障检测等功能，并输出情报信息到人机交互或者上报给上级指控系统。传统上的雷达接收机之后的处理模块按分系统划分为数字信号处理、数据处理、监控、资源管理和显控处理模块。

数字阵列技术在雷达中的应用，要求更高的实时计算性能和更高的数据带宽。阵列雷达信号处理的特点是数据流量大、实时性强、算法复杂度低但运算量大。如数字波束形成部分，输入信号可能是数百个甚至上万个阵列天线单元的信号，数据率在千兆比特每秒（Gbps）的数量级，涉及的数据运算一般是复数乘法运算，并且要求强实时性，因此只能采用大规模现场可编程门阵列（FPGA）器件或者专用集成电路（ASIC）器件实现，典型参数指标为高速串行收发器数量及速率、乘累加运算器数量。

随着雷达数字化、软件化的发展，出现了信号处理和数据处理融合、监控和资源管理融合的发展趋势，未来在统一的高性能计算平台采用软件模块实现所有雷达信息处理任务也不仅仅是一个梦想。目前已有一些常规民用雷达已经实现了采用商用刀片服务器实现雷达接收机之后的所有雷达处理任务。针对这种趋势，可把数字信号处理、数据处理、监控、资源管理、显控采用统一的通用处理模块并结合相应功能的软件模块来实现雷达信息处理，模块间通过通用的交换模块实现数据交互。

根据上述架构，高性能计算平台的主要模块组成见表2。

表2 高性能计算用模块

通用处理模块根据处理器的不同还可细分为FPGA处理模块、数字信号处理器（DSP）处理模块、中央处理器（CPU）处理模块、图形处理单元（GPU）处理模块等，不同类型、不同数量的通用处理模块都作为运算资源进行统一管理和调度，数字信号处理、数据处理、监控、资源管理、显控等处理任务均以软件模块的方式存在，映射到不同类型的通用处理模块上，完成相应的雷达处理任务。所有通用处理模块采用统一的结构形式和互连标准，例如CPCI标准（1994年提出的一种总线接口标准）、VPX标准（2007年提出的新一代高速串行总线标准），从而真正实现不同厂家的各类模块互连、互通和互换，同时可根据不同任务的需求对各类模块进行任意组合和规模扩充。

交换模块主要完成多个通用处理模块、接口模块之间的数据交互，考虑资源管理和调度的需求，所有模块之间应实现任意互联互通，并遵循相同的数据传输、交换协议。

接口模块主要实现高性能计算平台的对外接口通信，包括与外置全球定位系统（GPS）等传感器模块、前端数字阵列模块、后端的人机交互设备、情报上报等的数据输入/输出。

3 体系建设建议

经过对数字阵列雷达架构和具体模块的分析研究发现，数字阵列雷达的数字阵列模块、数据传输、高性能计算平台3大部分结构清晰，具备开展模块化设计的条件。为了完善现有雷达模块化标准体系，规范和促进数字阵列雷达模块化设计，需要在现有雷达模块化标准体系中补充相应的规范。对现有雷达模块化标准体系建设的具体建议如下：

a) 为了使标准体系能满足数字阵列体制雷达的使用需求，建议对现有体系中的顶层标准GJB 3760-1999《军用雷达模块化通用要求》修订，使其适应新的雷达体制并满足模块化发展的需要。

b) 应及时制定数字阵列体制雷达模块化急需的模块规范，根据数字阵列体制雷达的架构特点，基于此主体架构的数字阵列模块、数据传输、高性能计算平台3大部分编制对应的《军用雷达数字阵列模块用模块规范》、《军用雷达数据传输用模块规范》和《军用雷达高性能计算用模块规范》。

c) 现有雷达模块化标准体系中已有的模块规范应继续保留，并根据技术发展进行适时修订。

4 结束语

数字阵列体制雷达的型号应用已经比较成熟。模块化作为“三化”工作的重要内容已经在各产品的设计中得到较好贯彻，目前基本具备在行业内开展模块化研究推广的条件。我们根据多年产品设计的经验总结提出了这个数字阵列雷达的架构，并在此架构基础上分析了可进行模块化设计的模块。基于这些模块我们提出了雷达模块化标准体系的初步建设建议，为今后数字阵列雷达模块化工作的推进提供了一种比较可行的方案。

[1]吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与技术，2008年第6期.

[2]GB/T 13016-1991 标准体系表编制原则和要求[S].

[3]张思敏.国内外军用雷达模块化技术标准浅析[D].第一届全国军用雷达标准化学术研讨会论文集.

（编辑：劳边）

V240.2

C

1003-6660（2016）06-0014-04

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.003