王文星，印士波，張 幟，徐 暢

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院， 北京100094)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，綜合船橋系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，雷達(dá)作為綜合船橋系統(tǒng)的核心設(shè)備，也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用?，F(xiàn)代雷達(dá)面臨的航行環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，面對(duì)的威脅也越來(lái)越多，單部雷達(dá)的探測(cè)范圍和探測(cè)能力都不足以應(yīng)對(duì)當(dāng)今復(fù)雜航行環(huán)境。同時(shí)，由于雷達(dá)安裝環(huán)境的限制，單部雷達(dá)往往存在探測(cè)盲區(qū)，導(dǎo)致盲區(qū)內(nèi)的態(tài)勢(shì)無(wú)法觀測(cè)，盲區(qū)內(nèi)的目標(biāo)也無(wú)法有效地進(jìn)行跟蹤，為船舶航行過(guò)程埋下了安全隱患，因而一般船舶往往安裝有多部雷達(dá)［1］。雷達(dá)組網(wǎng)能夠很好地克服這些問(wèn)題，將多部雷達(dá)組成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)將多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫融合，構(gòu)成全方位、全天候、立體化、層次化的探測(cè)體系，具有多頻段、多精度、多重疊系數(shù)的探測(cè)性能。通過(guò)信息共享和數(shù)據(jù)融合［2］，大大提高了多部雷達(dá)的使用效能，實(shí)現(xiàn)了1+1＞2的綜合效能的提升。

因此，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有可靠性能優(yōu)異、擴(kuò)展性和靈活性良好的雷達(dá)體系架構(gòu)，對(duì)雷達(dá)組網(wǎng)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一套雷達(dá)體系架構(gòu)，可對(duì)雷達(dá)天線收發(fā)機(jī)和雷達(dá)終端進(jìn)行選型和配置，實(shí)現(xiàn)信息共享和數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)大系統(tǒng)的構(gòu)建和綜合效能的提升。

1 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

本節(jié)介紹雷達(dá)組網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r和關(guān)鍵技術(shù)，世界著名品牌的導(dǎo)航雷達(dá)產(chǎn)品的體系架構(gòu)。

1.1 雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)

雷達(dá)組網(wǎng)大體可分為三種形式:

(1)單基雷達(dá)組網(wǎng)，網(wǎng)中各部雷達(dá)都是單基工作體制，由于將各自相互獨(dú)立的雷達(dá)通過(guò)組網(wǎng)而使其整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成有機(jī)整體;

(2)雙(多)基雷達(dá)組網(wǎng)，其組網(wǎng)的各部雷達(dá)是雙(多)雷達(dá)體制，即對(duì)同一個(gè)發(fā)射機(jī)部署了分離的接收機(jī)的雷達(dá)組網(wǎng);

(3)混合網(wǎng)，是收發(fā)異地和單基混合組網(wǎng)。

雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)考慮將不同波段、不同體制、不同程式的雷達(dá)，按照一定的要求進(jìn)行合理部署。雷達(dá)組網(wǎng)時(shí)主要滿足以下原則［3］:安全性原則、全頻段雷達(dá)組網(wǎng)、補(bǔ)盲組網(wǎng)、“四抗”能力組網(wǎng)、雷達(dá)網(wǎng)重疊系數(shù)、效能費(fèi)用。

雷達(dá)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有時(shí)間同步技術(shù)、精確標(biāo)定站位和標(biāo)校技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、通信傳輸技術(shù)［4］。

1.2 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)在船用導(dǎo)航設(shè)備中占有越來(lái)越重要的地位。雷達(dá)終端的通用計(jì)算機(jī)逐步取代電子元器件，具有了強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和數(shù)據(jù)分析能力，向著通用化、低成本、高效率的方向發(fā)展。同時(shí)，雷達(dá)天線的探測(cè)性能也有了很大的提升。通過(guò)將多部天線與多部終端進(jìn)行組網(wǎng)，能夠獲得更好的使用性能。目前，主流的雷達(dá)組網(wǎng)應(yīng)用的體系架構(gòu)有三種:模擬視頻信號(hào)切換+總線控制切換組網(wǎng)，如Sperry雷達(dá)與凱文休斯(KH)雷達(dá);專用視頻數(shù)據(jù)總線組網(wǎng)，如雷松SeaTalk總線;基于以太網(wǎng)的雷達(dá)數(shù)字視頻組網(wǎng)。

圖1是凱文休斯雷達(dá)體系架構(gòu)，采用天線收發(fā)機(jī)-終端兩單元的結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置有X波段和S波段兩部雷達(dá)前端，視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)RDU的處理進(jìn)入IS交換機(jī)當(dāng)中，經(jīng)過(guò)IS交換機(jī)的配置轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的雷達(dá)終端軟件中進(jìn)行處理和顯示。

圖1 凱文休斯(KH)導(dǎo)航雷達(dá)部署方案

圖2是Sperry雷達(dá)的體系架構(gòu)，整體采用天線-收發(fā)機(jī)-終端三單元的結(jié)構(gòu)，采用模擬視頻信號(hào)切換外加總線控制切換的方式組網(wǎng)，視頻信號(hào)直接進(jìn)入切換開關(guān)，經(jīng)過(guò)IS交換機(jī)和視頻總線轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的雷達(dá)終端。

圖2 Sperry雷達(dá)體系架構(gòu)

采用視頻信號(hào)切換+總線控制切換的方式組網(wǎng)，易于使用，具有良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，用戶能夠通過(guò)更換IS交換機(jī)來(lái)擴(kuò)展天線與終端。

圖3是雷聲公司SeaTalk總線結(jié)構(gòu)圖，所有的設(shè)備通過(guò)特定的轉(zhuǎn)接設(shè)備與主干網(wǎng)電纜進(jìn)行連接，主干網(wǎng)電纜同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和給設(shè)備供電;若與SeaTalk(1)、NMEA2000設(shè)備通信時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的適配器電纜進(jìn)行轉(zhuǎn)接。通過(guò)SeaTalk總線連接，能夠大大降低系統(tǒng)布線的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠?qū)M足SeaTalk協(xié)議的設(shè)備直接接入系統(tǒng)，具有良好的擴(kuò)展性。

圖3 雷聲公司SeaTalkng總線結(jié)構(gòu)

然而，作為傳統(tǒng)的雷達(dá)產(chǎn)品，上述兩種體系架構(gòu)存在共性的問(wèn)題:(1)無(wú)法與上級(jí)系統(tǒng)或其他子系統(tǒng)進(jìn)行充分的信息共享;(2)通信接口往往在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)定型，系統(tǒng)改造和升級(jí)難度大;(3)同時(shí)由于壟斷的存在，系統(tǒng)成本、更換零部件的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本很高。

2 基于網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)體系架構(gòu)

國(guó)內(nèi)研發(fā)了一套基于現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)理念的雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及模塊化設(shè)計(jì)思想，能夠靈活配置雷達(dá)前端和終端軟件，達(dá)到擴(kuò)展功能、降低成本的目標(biāo)。

2.1 轉(zhuǎn)換-轉(zhuǎn)發(fā)-交換機(jī)(Convert-Distribution-Switch，CDS)架構(gòu)

該雷達(dá)采用CDS機(jī)制:通過(guò)雷達(dá)轉(zhuǎn)換單元將前端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式;雷達(dá)處理單元主要完成視頻采集功能，將模擬電路信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)交換機(jī);交換機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)終端，雷達(dá)終端采用標(biāo)準(zhǔn)化控制臺(tái)，安裝標(biāo)準(zhǔn)化終端軟件，接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和分析，如圖4所示。

1)天線可擴(kuò)展性

采用自主研發(fā)的雷達(dá)轉(zhuǎn)換單元，能夠連接不同的雷達(dá)天線。該轉(zhuǎn)換單元可以處理Sperry雷達(dá)、凱歌雷達(dá)等天線數(shù)據(jù)。

圖4 CDS雷達(dá)體系架構(gòu)

雷達(dá)處理單元進(jìn)行視頻采集和分發(fā)，發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)共享雷達(dá)天線數(shù)據(jù)，弱化了天線和終端的關(guān)系，能夠無(wú)限擴(kuò)展雷達(dá)天線和終端。

2)終端可擴(kuò)展性

雷達(dá)處理單元與雷達(dá)終端之間采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接，大大簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程，降低了硬件成本和安裝難度，提高了擴(kuò)展性。

雷達(dá)終端的數(shù)量能夠任意擴(kuò)展，在以太網(wǎng)中為雷達(dá)天線和終端分配IP地址，能夠?qū)崿F(xiàn)終端-天線的控制權(quán)切換與主從控制。

3)系統(tǒng)可擴(kuò)展性

在當(dāng)前架構(gòu)下，交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過(guò)路由，與岸基或者其他艦載雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)接，可以擴(kuò)大系統(tǒng)時(shí)域、頻域、空域的覆蓋能力，發(fā)揮各雷達(dá)的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)信息共享，有效提高發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的速度，降低虛警、漏警，明顯增強(qiáng)雷達(dá)的生存能力。

2.2 雷達(dá)轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

雷達(dá)轉(zhuǎn)換板用于接收Sperry雷達(dá)前端傳送而來(lái)的船首、脈沖、觸發(fā)、視頻信號(hào)，將其信號(hào)進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換送入雷達(dá)處理單元處理之后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端送入雷達(dá)顯控軟件端進(jìn)行顯示。同時(shí)，顯控軟件將用戶的操作指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端送回雷達(dá)處理單元，由雷達(dá)處理單元將指令經(jīng)過(guò)處理之后經(jīng)過(guò)雷達(dá)轉(zhuǎn)換板發(fā)送給雷達(dá)前端進(jìn)行調(diào)諧、脈沖選擇、發(fā)射等待功能的操作，如圖5所示。

2.3 控制權(quán)切換與主從控制模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)，CDS架構(gòu)下取消了控制切換開關(guān)，該功能由終端軟件完成，由軟件提供相應(yīng)模塊來(lái)完成控制權(quán)切換和主從控制。

與控制切換開關(guān)相比，軟件模塊更靈活、更具有擴(kuò)展性和適應(yīng)性，通過(guò)簡(jiǎn)單的配置IP地址等參數(shù)來(lái)增加或減少天線或終端，建立終端和天線的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖6所示(圖中實(shí)線為物理連接，虛線為邏輯關(guān)系)。

圖5 雷達(dá)轉(zhuǎn)換板設(shè)計(jì)

圖6 天線控制權(quán)切換與主從控制示意圖

以下是控制權(quán)切換與主從模塊的設(shè)計(jì)原則:

(1)處于發(fā)射狀態(tài)的天線必須受控，處于待機(jī)狀態(tài)的天線可以不受控;

(2)先獲取控制權(quán)的終端為主機(jī);

(3)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)配置文件初始化默認(rèn)的主機(jī)和從機(jī)關(guān)系;

(4)同一部天線的多個(gè)終端之間的主從關(guān)系通過(guò)“申請(qǐng)-確認(rèn)/拒絕”的方式進(jìn)行切換;

(5)當(dāng)一部天線有多個(gè)終端對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，終端可以隨意切換到別的天線。如果終端切換影響到被切換天線所有終端的主從關(guān)系時(shí)，根據(jù)切換至本天線的時(shí)間次序來(lái)確定主從關(guān)系;

(6)處于發(fā)射狀態(tài)的天線只有切換為待機(jī)狀態(tài)，才能被切換至不受控狀態(tài)。

2.4 雷達(dá)數(shù)據(jù)量測(cè)算及視頻壓縮技術(shù)

CDS架構(gòu)使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)來(lái)共享雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量會(huì)受到交換機(jī)容量的限制，局域網(wǎng)內(nèi)部署的雷達(dá)天線的數(shù)量也會(huì)受到相應(yīng)的限制。

令雷達(dá)視頻周期β/s，方位脈沖的頻率α/(°)，視頻線長(zhǎng)度γ/Byte，那么單部天線由雷達(dá)處理單元發(fā)送至交換機(jī)的帶寬要求

式中:ε單位為bit/s。當(dāng)前主流雷達(dá)每個(gè)周期內(nèi)視頻線的數(shù)量位于2 048～4 096之間，本文使用的視頻采集卡的方位脈沖的頻率為1°，經(jīng)過(guò)采集卡采集處理之后，以0.1°的寬度發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)視頻周期為2.5 s，視頻線長(zhǎng)度為1 514 Byte，那么有

對(duì)于百兆帶寬的交換機(jī)，同一網(wǎng)段內(nèi)最多部署5部天線，對(duì)于千兆網(wǎng)交換機(jī)，同一網(wǎng)段內(nèi)理論上能部署57部雷達(dá)。

當(dāng)雷達(dá)運(yùn)行在本地時(shí)，通過(guò)配置交換機(jī)，能夠比較容易提供足夠的帶寬;當(dāng)雷達(dá)需要與廣域網(wǎng)相連接時(shí)，帶寬往往成為組網(wǎng)的瓶頸。考慮到雷達(dá)原始視頻序列具有強(qiáng)空間相關(guān)性和強(qiáng)時(shí)間相關(guān)性，充分利用雷達(dá)圖像內(nèi)在相關(guān)性，利用圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼的方法減少圖像的冗余度，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像信號(hào)的壓縮與存儲(chǔ)，大大降低雷達(dá)遠(yuǎn)程傳輸和組網(wǎng)的成本。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)使用的VTS系統(tǒng)，雷達(dá)站與VTS中心的帶寬只需要2 Mbit/s就能夠達(dá)到很好的傳輸效果。

3 基于CDS架構(gòu)的擴(kuò)展功能

CDS架構(gòu)下，多傳感器數(shù)據(jù)在共用的網(wǎng)絡(luò)信道中傳輸，充分地利用多種數(shù)據(jù)源能夠?qū)崿F(xiàn)更豐富和強(qiáng)大的功能。

3.1 多雷達(dá)視頻顯示技術(shù)

隨著LED屏幕技術(shù)的發(fā)展，主流的雷達(dá)產(chǎn)品多數(shù)使用1 920×1 200分辨率的顯示器，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒏嗟男畔@示在屏幕當(dāng)中，提高了信息獲取效率。

在雷達(dá)終端軟件中開發(fā)多雷達(dá)監(jiān)視視頻模塊，在軟件界面中增加分顯區(qū)域，使得每一部雷達(dá)能夠同時(shí)接收、顯示多部天線視頻數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 多視頻顯示技術(shù)

3.2 信息融合

信息融合是雷達(dá)組網(wǎng)的重要應(yīng)用，信息融合包含視頻信息融合(補(bǔ)盲)與目標(biāo)信息融合。

通過(guò)合并多路雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)，能夠彌補(bǔ)由于安裝環(huán)境限制導(dǎo)致的雷達(dá)盲區(qū)現(xiàn)象。補(bǔ)盲原理如圖8所示。

圖8 補(bǔ)盲、視頻信息融合示意圖

目標(biāo)信息融合通過(guò)對(duì)目標(biāo)分析，能夠提供更全面的航行態(tài)勢(shì)和對(duì)目標(biāo)更高的跟蹤精度。

目標(biāo)融合技術(shù)，是指將多部雷達(dá)在同一時(shí)間探測(cè)到的同一目標(biāo)的點(diǎn)跡合并起來(lái)，把多個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)壓縮成一個(gè)數(shù)據(jù)。這種方法適合于天線同步掃描雷達(dá)，如一、二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的綜合;而對(duì)于非同步采樣的多雷達(dá)系統(tǒng)則可以采用時(shí)間校準(zhǔn)和目標(biāo)狀態(tài)平移的方法，將異步數(shù)據(jù)變換成同步數(shù)據(jù)后再進(jìn)行點(diǎn)跡合并［5］，如圖9所示。

圖9 點(diǎn)跡融合技術(shù)

3.3 信息共享

隨著信息化技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，廣域網(wǎng)從路基逐步向岸基、海洋覆蓋，船載雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)和目標(biāo)信息，能夠通過(guò)衛(wèi)星、基站進(jìn)行傳輸，使得遠(yuǎn)距離雷達(dá)數(shù)據(jù)共享成為現(xiàn)實(shí)。船與船的雷達(dá)視頻疊加能夠幫助單個(gè)船舶大大拓展探測(cè)范圍，船與岸的雷達(dá)視頻疊加，能夠?qū)⒁曨l提供給VTS系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管，也可以提供給交通、法制部門進(jìn)行調(diào)查取證，大大提高了單部雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的使用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于CDS技術(shù)的雷達(dá)體系架構(gòu)，雷達(dá)組網(wǎng)和配置變得更加高效，雷達(dá)部件選型也更加靈活，用戶可以選擇不同品牌的前端和終端進(jìn)行適配，以滿足對(duì)不同的性能指標(biāo)的要求。

然而，由于部分品牌的天線收發(fā)機(jī)的數(shù)據(jù)協(xié)議并未公開，因此在選配天線前端時(shí)，需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)接口協(xié)議并對(duì)雷達(dá)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，增加了溝通協(xié)調(diào)的難度。

選配不同品牌雷達(dá)終端，由于終端軟件缺少控制權(quán)切換和主從控制模塊，因此終端只能接收前端的視頻數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行天線切換或主從切換，一定程度上限制了軟件的功能。

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