机载火控软件化雷达关键技术研究

姜 明,汤 俊,谭湘林,杨雁麟

(1. 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所, 江苏 无锡 214092) (2. 清华大学 电子工程系, 北京 100084)

0 引 言

软件化雷达是具有标准化、模块化和数字化技术特点的新型雷达系统,具有开放式体系架构,可以适应“面向实际需求,以软件技术为核心”的开发理念,以“软件化”开发模式灵活地实现系统扩展、更新和升级[1]。自20世纪90年代起,受到软件无线电启发,在历经模块开放式架构(MOSA)及雷达开放式架构(ROSA)[2-3]两个发展阶段之后,软件化雷达迅速发展并得到应用。比较典型的有美军三坐标远程雷达、Ka波段机动式气象雷达系统改造等。

目前,软件化雷达研究方兴未艾,相关的成果最先应用于地面雷达的软件化改造。在机载火控雷达领域,严苛的装机条件决定其只能使用嵌入式处理平台,“微秒级”的实时性要求对中间件设计、组件建模及划分颗粒度、组件运行效率都提出了新挑战。

本文将以机载火控雷达为例,研究强实时嵌入式领域软件化雷达所面临的关键技术和验证思路。

1 背景及需求分析

本节从机载火控雷达固有特点以及技术发展趋势两个层面分析其从“数字化”走向“软件化”的迫切需求。

1.1 机载火控雷达固有特点

与地基、舰载等雷达不同,机载火控雷达在装机条件、波形、功能、作战环境等方面有其显著特点,主要如下：

(1) 装机条件苛刻,对体积、重量、功耗要求非常严苛。机载火控雷达通常采用嵌入式异构处理平台(运行不同的操作系统),计算密集度高。

(2) 波形复杂且切换灵活,机载火控雷达通常采用高、中、低三种脉冲重复频率的波形,并且任意切换。对中断响应、组件运行效率、通信及任务调度的实时性要求非常高。

(3) 战场环境复杂、瞬变,由于本机高速运动,机载火控雷达将面临更复杂多变的杂波环境和电磁环境。不可避免地需要在非常有限的处理资源和处理间隔内完成复杂的杂波与干扰抑制、目标探测和跟踪任务,处理实时性要求高。

1.2 机载火控雷达发展趋势

除上述固有特点以外,机载火控雷达的发展趋势包含了诸多软件化因素,主要有以下四个方面。

(1) 微型化、高集成度趋势：随着射频与数字器件制造工艺的进步,机载火控雷达正朝着超薄、超轻的智能蒙皮方向发展。其处理架构也从基于DSP+FPGA+CPU的异构环境[4]转向基于SIP、GPU与AI辅助的多级分布式处理环境。为应对这种变化,必须采用开放式架构并通过多种中间件支撑应用层软件与硬件及操作系统的解耦。

(2) 编队及体系化作战趋势：随着多机型联合作战、有人加无人飞机编队作战、空/天/地/海体系作战常态化。对雷达动态任务配置能力的要求越来越高,雷达系统具备优异的动态配置、功能扩展与重构及快速重建观察、调整、决策、行动(OODA环)的能力。

(3) 功能综合化趋势：随着射频器件的技术进步及多传感器协同工作的需要,机载火控雷达正向探测/干扰/侦收/通信一体化发展。要求传感器可快速“自我演进”,生成新能力,在故障时任务可动态重构。

(4) 智能化、认知化趋势：首先,随着本机的高速运动,杂波也在更广区域快速变化,呈现出杂波谱更宽,时间上非平稳性,空间上非均匀性的特点。需要雷达从传统的“时/频/空域”杂波抑制转向基于知识辅助和自主学习的智能化杂波抑制[5]。其次,未来战争对目标识别要求更高。需要雷达从传统雷达散射截面、高分距离像、微动特征识别转向基于深度学习的智能目标识别[6-7]。最后,无人/有人及体系作战带来更复杂、更宽频段的电磁环境,干扰也更具欺骗性、灵巧性、智能性。需要雷达从“时/频/空/波形”抗干扰转向基于雷达/电子战融合的智能抗干扰[8]。智能处理计算量大,只有最大限度地进行并行处理,才能满足系统实时性需求。因此,必须将人工智能(AI)处理、并行处理支撑纳入软件化雷达开放式系统架构。

综上所述,无论从自身特点还是发展趋势,机载火控雷达的软件化进程既迫切,又面临着诸多挑战。“强实时、状态多、切换灵活、软硬件解耦困难”是其核心特征。

2 关键技术及其解决途径

基于上述分析,本文首先梳理软件化雷达技术体系,然后针对强实时、嵌入式特性,研究本领域软件化雷达迫切需要解决的关键技术。

软件化雷达的技术体系[9]共包含总体设计、基础软硬件、组件化开发、系统集成与验证等四大类技术,如图1所示。

图1 软件化雷达技术体系

本文重点研究上述技术体系中与强实时嵌入式系统密切相关的开放式体架系统、高性能中间件、组件建模与划分、组件开发机制与集成开发环境(IDE)、集成与验证等技术。

2.1 开放式系统架构

机载火控雷达是典型的强实时复杂系统,开放式系统架构是其具备优异扩展性的基础,有效支撑雷达能够快速响应因复杂作战场景导致的新军事需求、快速融入新技术、快速形成新能力。机载软件化雷达系统架构除需满足ROSA九大设计原则之外,还需关注以下四点：

(1) 支持智能认知处理的潜在需求;

(2) 具备通信、计算、存储等多种中间件;

(3) 可适应不同嵌入式强实时操作系统;

(4) 可适应DSP、CPU、GPU、SIP等处理器。

依据上述原则,结合ROSA2、软件通信架构等业界主流开放式架构层次划分标准,强实时嵌入式领域软件化雷达开放式体系架构如图2所示,自上而下共分为应用层、软件环境层、硬件层。

图2 强实时嵌入式领域软件化雷达分层体系

(1) 应用层：主要实现雷达的各种功能,内部又分为雷达任务、应用(APP)、组件三个子层。

(2) 软件环境层：包括集成框架、中间件、操作系统与硬件统一服务接口等。运行时服务为组件运行提供必要的服务支撑,包括实时数据访问、并行处理框架(类似于OpenMP并行框架[10-11]、CUDA)等,中间件为组件提供通信、计算、存储读写服务。

(3) 硬件层：包含阵面(前端)、处理(后端)。软件化雷达的硬件须具备模块化、易扩展、虚拟化、可软件定义的特征。由于篇幅有限,本文不再详细阐述。

2.2 轻量化/低时延中间件

中间件是实现软硬件解耦的重要技术手段,机载火控软件化雷达处理平台是典型的分布式异构嵌入式系统,为兼顾软硬件解耦与效率,需采取如下措施：

(1) 针对嵌入式处理器(尤其是DSP)内部存储有限且APP运行效率对存储尤为依赖的特点,本领域的中间件应具备轻量化、低时延特征,编译后的库文件应能够满足内存的限制和要求;

(2) 针对大带宽、强实时信号处理的需求,单处理器内部通信需采用共享内存机制,避免内存拷贝,跨处理器间通信应该满足高吞吐率要求;

(3) 针对嵌入式异构处理环境的特点,中间件应具备相应的配置工具,通过界面端图形化操作,自动生成有关配置文件,迅速、可靠的服务于不同处理规模的雷达。

综上所述,本领域软件化雷达中间件具有基于资源配置与映射、低时延、轻量化等典型特征。以通信中间件为例：首先,雷达内/外通信形式种类繁多,比如高速串行传输总线、高速互联技术(SRIO)、以太网等。其次,“信号级”通信时,对时延要求苛刻。“数据级”通信时,对通信质量及服务模式有一定需求,因此必须采用混合异构通信中间件,通常包含硬件抽象层模式(用于跨片信号处理通信)、消息模式(用于片内信号处理通信)、订阅与发布模式(用于数据处理通信)。然后,需要建立分层次的异构通信中间模型,应用不感知通信模式。最后,基于实时发布订阅协议规范设置“端到端可配置通信”层,完成统一逻辑寻址及各种配置功能,如图3所示。

图3 强实时混合异构通信中间件

2.3 组件的抽象与划分原则

从逻辑上讲,组件是具有若干功能和端口、对外提供参数配置/状态获取等接口、可图形化描述、可被多种驱动形式调度的对象[12]。从物理上讲,组件包含头/源/静态库/动态库/配置等一系列文件。如图4所示。

图4 组件的抽象与调度

图5 软件化雷达组件开发机制

功能与接口独立、可即插即用、可图形化设计与互联是组件典型的特征。除代码文件以外,组件还包含若干配置文件与收发、属性配置、控制、监控等接口,可对其外观、依赖库、属性进行配置,确保不同工具设计的组件可互解释、互连接。

组件作为具有类似功能集合的对象,是雷达功能复用的基本单位,雷达的各种工作模式由若干组件互联实现。在强实时嵌入式领域,组件划分的颗粒度至关重要,需要兼顾复用性、扩展性与运行效率,同时还需考虑实时操作系统的自身特性、组件串行/并行处理需求及部署便捷性。基于上述分析,组件划分时可遵循如下原则：

(1) 组件执行单元为任务(线程);

(2) 串行执行的功能/算法通常作为组件内部的功能函数;

(3) 同一组件可在不同工程(应用)执行不同功能子集;

(4) 需要并行加速的算法通常单独封装在一个组件内。

2.4 高效组件开发机制

基于组件技术的应用开发,其本质就是模型驱动架构在软件化雷达上的应用,其开发流程一般由系统需求分析、组件划分与建模、组件设计以及组件部署与重构四个部分构成,如图 5所示。软件化雷达组件开发包括以下八个方面。

(1) 对系统功能进行需求分解;以工作模式为单位,确定其功能流图;

(2) 根据系统功能分解结果进行组件建模,包括确定组件功能、组件间的数据流和控制流,完成功能到组件的映射,形成组件谱系。这个过程要明确采用何种方式(复用/新研/继承)设计组件;

(3) 定义组件的输入、输出、参数等;

(4) 使用集成开发环境,实现组件的建模与开发。其中开发人员主要实现组件的功能,组件作为一个对象的框架代码(包括内部的线程创建、调度等)由IDE自动生成;

(5) 使用IDE开发新组件并结合库中的已有组件,搭建雷达每个工作模式的功能流图;

(6) 确定功能流图中每个组件与硬件处理器/处理核之间的部署关系;

(7) 使用IDE生成并编译工程,并将其加载到硬件;

(8) 使用IDE完成组件与硬件平台集成、系统集成、入库等工作。

2.5 基于模型驱动的组件集成开发环境

基于模型的组件集成开发环境为应用开发人员提供了一个友好的图形化操作界面,对开发者屏蔽组件设计规范的细节内容,实现基于模型的雷达处理组件开发、任务流程搭建、组件库管理。集成开发环境还能够配置嵌入式异构硬件环境(包含各种处理器与互联)、中间件,实现硬件资源的虚拟化,完成工程代码生成、编译、加载和运行,支撑组件间和组件内部的代码调试和组件库管理。综上所述,集成开发环境极大简化了嵌入式系统开发难度、提升了应用程序开发效率、确保架构统一有效落地,其包含的功能如图6所示。

图6 组件集成开发环境功能框图

图7 强实时嵌入式领域软件化雷达验证思路

组件集成开发环境具备“六个高效”的典型特征。

(1) 建模高效：图形化、向导方式完成组件建模,对用户屏蔽规范细节。

(2) 开发高效：具有类似VSCODE的代码编辑能力。

(3) 解耦高效：通过图形化互联即可实现不同通信,自动生成不同处理器及操作系统下的嵌入式工程。

(4) 调试高效：具有多种编译器,可交叉编译、断点调试,具有完备的日志。

(5) 监控高效：可图形化、虚拟化显示处理资源并部署应用。

(6) 管理高效：高效实现对组件及应用库的管理、检索、复用。

3 软件化雷达验证思路

软件化雷达研制过程中,需关注以下几个 “软件化”指标的验证。

1) 实时性(效率)验证：对一个分布式强实时系统而言,即便每个组件功能正确无误,若组件化后运行效率低,系统延时大,将无法满足系统实时性要求。可从组件调度、功能切换、通信时延等方面进行测试验证。

2) 重构性验证：重构是开放式架构的优势[13],也是软件化雷达必备特征之一。软件化雷达可实现“组件级”“任务/流程级”“系统级”重构,难度依次增加。“组件级”重构主要通过调整组件的可变参数、重载组件的某一功能,从而赋予组件新的能力,适应新的需求。“任务/流程级”重构一般与某个雷达工作模式有关,通过更换组件或调整组件的互联关系等手段,迅速完善并重构原有处理流程。系统级重构通常有两层含义：① 扩展阵面、处理的硬件规模,增加通道数目,更换性能更强的处理器或操作系统,在前两级重构及软硬件解耦的支撑下,通过软件化手段重新生成工程、完成组件部署,迅速新增雷达功能、提升系统级能力;② 当某个子阵、处理器故障时,通过软件的控制及组件的重新部署,实现系统功能的重构或柔性降级。

3) 软硬件解耦性验证：首先验证中间件是否与硬件及具体的通信形式无关。其次通过更换处理芯片级操作系统,验证应用/组件的软硬解耦性。

综上所述,本领域软件化雷达验证思路如图 7所示,可根据实际需求进行裁剪。

4 结束语

本文简要介绍了软件化雷达国内外研究情况,通过分析机载火控雷达面临的挑战,指出强实时嵌入式领域雷达在软件化过程中需要解决的关键技术及验证思路。

目前,我国尚未装备完全符合开放式架构规定的机载火控软件化雷达,重点需要关注并解决以下问题：

(1)嵌入式异构处理环境下的中间件体系不够完善,虽然各种通信中间件在数据级传输领域广泛应用,但与 “微秒级”的时延、能够以轻量化形式稳定运行在嵌入式处理器和操作系统上的要求仍有一定差距,还需进一步提升实时性,构建功能可配置、服务可裁剪的异构通信中间件。

(2)需要大力支持和发展具有独立自主知识产权的组件集成开发环境和技术,并加强对多工作模式强实时切换、组件调度时延、数据级处理建模能力的支撑;

(3)智能认知支撑不够完善,软件化雷达是迈向智能化雷达的必由之路[14],二者最终将融为一体。实现AI模型与常规处理模型在统一框架下的融合及可在GPU上运行的计算中间件等都值得进一步深入研究。