許彥鑫 周 超

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

基于數(shù)字陣列體制的雷達模塊化標準體系研究

許彥鑫 周 超

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

分析了現(xiàn)有雷達模塊化標準體系的現(xiàn)狀和不足，提出了數(shù)字陣列體制雷達的架構(gòu)，對架構(gòu)中數(shù)字陣列模塊、數(shù)據(jù)傳輸、高性能計算平臺3部分組成進行了具體模塊分析，并提出了對現(xiàn)有雷達模塊化標準體系的改進建議。

模塊化；數(shù)字陣列體制；標準體系；雷達；數(shù)字陣列模塊模塊化

標準體系是一定范圍內(nèi)的標準按其內(nèi)在的聯(lián)系形成的科學有機的整體。雷達模塊化標準體系是一系列雷達模塊標準以某種有序的方式聯(lián)系起來的有機整體。而建立數(shù)字陣列雷達模塊化標準體系，首要問題就是研究數(shù)字陣列雷達的體系架構(gòu)，這個架構(gòu)把相關(guān)的雷達模塊標準規(guī)范聯(lián)系起來，形成了數(shù)字陣列雷達模塊化標準體系。

“八五”期間，國內(nèi)眾多雷達研制單位在總參54所的組織協(xié)調(diào)下，歷經(jīng)十余年共同努力，完成了13類雷達模塊研制工作，取得了一定的經(jīng)濟和社會效益。在此基礎(chǔ)上，一批《軍用雷達XX用模塊規(guī)范》國家軍用標準陸續(xù)制定，軍用雷達模塊化技術(shù)標準體系初步形成。對這一批雷達模塊標準進行研究，不難發(fā)現(xiàn)當時的雷達模塊標準是按照分系統(tǒng)構(gòu)建的，符合我軍雷達的實際需求。而隨著新體制雷達的出現(xiàn)，分系統(tǒng)間的界線因體制不同會出現(xiàn)交叉，因此如何完善雷達模塊化標準體系滿足新體制的要求成為了現(xiàn)階段面臨的一個新課題。

1 模塊化標準體系現(xiàn)狀

基于現(xiàn)有的雷達模塊化標準，雷達模塊化標準體系基本形成，體系結(jié)構(gòu)見圖1。GJB 3760-1999《軍用雷達模塊化通用要求》作為雷達模塊化的頂層要求對模塊化和模塊提出了共性要求，并在詳細要求中為擬制各類模塊規(guī)范提供了剪裁依據(jù)。模塊用標準目前由11個分系統(tǒng)的模塊用規(guī)范組成，每個模塊用標準中包含了本分系統(tǒng)下的各類模塊的性能指標、質(zhì)量保證規(guī)定和交貨準備等。

從目前的模塊化標準體系來看主要有2個問題：首先，電子技術(shù)發(fā)展更新很快，使用平臺多樣化，現(xiàn)有模塊很難在新研制產(chǎn)品中推廣使用。其次，模塊按分系統(tǒng)劃分，新體制雷達向著高集成度方向發(fā)展，現(xiàn)有模塊存在一定局限性，需要補充新的模塊。

在2013年國家軍用標準清理整頓工作中，對模塊化相關(guān)標準進行了復審，根據(jù)清理結(jié)果，除GJB 3760-1999外的其余現(xiàn)行標準均需修訂，補充新需求。基于此情況，在下一輪軍用雷達模塊化工作中，一方面根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展情況及時修訂現(xiàn)有的標準，另一方面針對不同雷達體制架構(gòu)，分析研究模塊化系統(tǒng)，編制相應標準對現(xiàn)有體系進行補充和完善。

2 數(shù)字陣列雷達架構(gòu)及模塊分析

2.1 數(shù)字陣列雷達架構(gòu)

數(shù)字陣列雷達是收發(fā)均采用數(shù)字波束形成技術(shù)的雷達，其收發(fā)均沒有波束形成網(wǎng)絡與移相器，系統(tǒng)組成簡單，具有很高的重構(gòu)性?？紤]到功能和物理結(jié)構(gòu)相對獨立，數(shù)字陣列雷達的主體架構(gòu)由數(shù)字陣列模塊、數(shù)據(jù)傳輸、高性能計算平臺3大部分組成。具體架構(gòu)見圖2。這種體系架構(gòu)具有以下優(yōu)點：體系架構(gòu)簡潔，系統(tǒng)集成度高；模塊化結(jié)構(gòu)，最大限度實現(xiàn)尺寸和功能的擴充；光纖傳輸實現(xiàn)多功能孔徑與多功能處理系統(tǒng)的連接；網(wǎng)絡化處理結(jié)構(gòu)使得先進算法得以實現(xiàn)；尺寸可變、功能可變，滿足多平臺、多任務。

2.2 數(shù)字陣列雷達具體模塊分析

圖1 軍用雷達模塊化標準體系

圖2 數(shù)字陣列雷達架構(gòu)

2.2.1 數(shù)字陣列模塊

數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣列雷達的核心模塊，它是一種新型的多通道收發(fā)模塊，主要用于數(shù)字陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)，完成雷達多通道射頻數(shù)字化收發(fā)功能。接收通道通常包括雷達回波信號的放大、變頻、濾波、A/D變換及數(shù)字正交解調(diào)等功能；發(fā)射通道通常包括雷達發(fā)射信號的數(shù)字波形產(chǎn)生（激勵）、變頻、濾波、功率放大等功能。把接收通道和發(fā)射通道集成設(shè)計為一個收發(fā)通道，一個收發(fā)通道可以理解為一路數(shù)字收發(fā)單元，然后把多個收發(fā)通道進行集成設(shè)計，就構(gòu)成了一個數(shù)字陣列模塊。

數(shù)字陣列模塊用功能模塊一般劃分為基本模塊、備選模塊，詳細劃分見表1?；诖四K劃分，我們可以針對模塊主要技術(shù)參數(shù)、接口、外形尺寸等幾個主要方面進行分析研究，形成系列化產(chǎn)品，從而實現(xiàn)數(shù)字陣列模塊的模塊化設(shè)計。數(shù)字陣列模塊是隨雷達技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種微波、模擬、數(shù)字相結(jié)合的綜合性多功能電路模塊，其結(jié)構(gòu)形式、電路組成、功能等具有多種方式，具體尺寸、電路組成等根據(jù)功能的不同有很大差別。數(shù)字陣列模塊的系列化可以按頻率、單元通道數(shù)、輸出功率量級幾個指標來細分系列，但這需要在大量課題和產(chǎn)品的需求牽引下，經(jīng)過一個較長階段的研發(fā)并遴選的過程。從目前的研發(fā)情況來看，數(shù)字陣列模塊的模塊化設(shè)計是以單元電路的借用做起，如何將單元電路進一步標準化設(shè)計為系列化的模塊是下一步工作的重點。

表1 數(shù)字陣列模塊用功能模塊

數(shù)字陣列模塊模塊化需注意以下方面：

a）數(shù)字陣列模塊一般具有多功能、多通道、高集成、體積小、重量輕、可靠性要求高、大批量生產(chǎn)、自動測試等特點，在數(shù)字陣列模塊設(shè)計當中需加強其內(nèi)部功能模塊標準化設(shè)計要求；

b）數(shù)字陣列模塊中有較多功能模塊以板級電路模塊化為主要特征，很多標準模塊是以板級電路整件形式出現(xiàn)，不一定有單獨的封裝。如數(shù)字收發(fā)模塊、一體化功分模塊；

c）數(shù)字陣列模塊的模塊化、通用性跟系統(tǒng)總體方案關(guān)聯(lián)較大，建議系統(tǒng)總體方案設(shè)計時就考慮到數(shù)字陣列模塊的模塊化設(shè)計。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要解決數(shù)字陣列模塊到高性能計算平臺的海量信息傳輸問題。數(shù)字陣列技術(shù)在雷達中的應用，要求更高的計算性能和更高的數(shù)據(jù)帶寬?，F(xiàn)代大規(guī)模數(shù)字陣列雷達具有數(shù)百個甚至數(shù)萬個天線單元，數(shù)字陣列模塊下行的量化回波數(shù)據(jù)已達到太比特每秒（Tbps）的量級，只能采用光纖傳輸。光纖傳輸具有傳輸帶寬高、傳輸距離遠、抗干擾能力強、重量輕等優(yōu)點，已在雷達系統(tǒng)中廣泛采用。

基于光纖技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊基本組成包括光電轉(zhuǎn)換模塊（簡稱光模塊）和光纖線。光模塊目前有單路、8合1、12合1、24合1等多種結(jié)構(gòu)形式，按照光波長的不同還分為850nm、1310nm、1550nm波長，按照接口形式還可分為單纖雙向、雙纖雙向等類型。光纖線根據(jù)光在光纖中的傳輸模式可分為單模光纖、多模光纖，根據(jù)組合形式可分為單路、8合1、12合1等多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)物理接口也可分為FC、LC、ST、SC、MTP/MPO等不同結(jié)構(gòu)形式的光纖連接器類型。

考慮不同雷達數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑪?shù)據(jù)傳輸模塊下還應包含光匯流環(huán)模塊、波分復用模塊，光匯流環(huán)模塊用于解決帶有轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的數(shù)字陣列天線到高性能計算的光纖數(shù)據(jù)傳輸，波分復用模塊主要用于多路光纖的合并傳輸。

考慮不同數(shù)字陣列模塊和不同高性能計算平臺接口兼容性的話，數(shù)據(jù)傳輸模塊規(guī)范下還應包含數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標準要求。

2.2.3 高性能計算平臺

高性能計算平臺主要完成信號處理、數(shù)據(jù)處理、資源管理、整機故障檢測等功能，并輸出情報信息到人機交互或者上報給上級指控系統(tǒng)。傳統(tǒng)上的雷達接收機之后的處理模塊按分系統(tǒng)劃分為數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控、資源管理和顯控處理模塊。

數(shù)字陣列技術(shù)在雷達中的應用，要求更高的實時計算性能和更高的數(shù)據(jù)帶寬。陣列雷達信號處理的特點是數(shù)據(jù)流量大、實時性強、算法復雜度低但運算量大。如數(shù)字波束形成部分，輸入信號可能是數(shù)百個甚至上萬個陣列天線單元的信號，數(shù)據(jù)率在千兆比特每秒（Gbps）的數(shù)量級，涉及的數(shù)據(jù)運算一般是復數(shù)乘法運算，并且要求強實時性，因此只能采用大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）器件或者專用集成電路（ASIC）器件實現(xiàn)，典型參數(shù)指標為高速串行收發(fā)器數(shù)量及速率、乘累加運算器數(shù)量。

隨著雷達數(shù)字化、軟件化的發(fā)展，出現(xiàn)了信號處理和數(shù)據(jù)處理融合、監(jiān)控和資源管理融合的發(fā)展趨勢，未來在統(tǒng)一的高性能計算平臺采用軟件模塊實現(xiàn)所有雷達信息處理任務也不僅僅是一個夢想。目前已有一些常規(guī)民用雷達已經(jīng)實現(xiàn)了采用商用刀片服務器實現(xiàn)雷達接收機之后的所有雷達處理任務。針對這種趨勢，可把數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控、資源管理、顯控采用統(tǒng)一的通用處理模塊并結(jié)合相應功能的軟件模塊來實現(xiàn)雷達信息處理，模塊間通過通用的交換模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

根據(jù)上述架構(gòu)，高性能計算平臺的主要模塊組成見表2。

表2 高性能計算用模塊

通用處理模塊根據(jù)處理器的不同還可細分為FPGA處理模塊、數(shù)字信號處理器（DSP）處理模塊、中央處理器（CPU）處理模塊、圖形處理單元（GPU）處理模塊等，不同類型、不同數(shù)量的通用處理模塊都作為運算資源進行統(tǒng)一管理和調(diào)度，數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控、資源管理、顯控等處理任務均以軟件模塊的方式存在，映射到不同類型的通用處理模塊上，完成相應的雷達處理任務。所有通用處理模塊采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式和互連標準，例如CPCI標準（1994年提出的一種總線接口標準）、VPX標準（2007年提出的新一代高速串行總線標準），從而真正實現(xiàn)不同廠家的各類模塊互連、互通和互換，同時可根據(jù)不同任務的需求對各類模塊進行任意組合和規(guī)模擴充。

交換模塊主要完成多個通用處理模塊、接口模塊之間的數(shù)據(jù)交互，考慮資源管理和調(diào)度的需求，所有模塊之間應實現(xiàn)任意互聯(lián)互通，并遵循相同的數(shù)據(jù)傳輸、交換協(xié)議。

接口模塊主要實現(xiàn)高性能計算平臺的對外接口通信，包括與外置全球定位系統(tǒng)（GPS）等傳感器模塊、前端數(shù)字陣列模塊、后端的人機交互設(shè)備、情報上報等的數(shù)據(jù)輸入/輸出。

3 體系建設(shè)建議

經(jīng)過對數(shù)字陣列雷達架構(gòu)和具體模塊的分析研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字陣列雷達的數(shù)字陣列模塊、數(shù)據(jù)傳輸、高性能計算平臺3大部分結(jié)構(gòu)清晰，具備開展模塊化設(shè)計的條件。為了完善現(xiàn)有雷達模塊化標準體系，規(guī)范和促進數(shù)字陣列雷達模塊化設(shè)計，需要在現(xiàn)有雷達模塊化標準體系中補充相應的規(guī)范。對現(xiàn)有雷達模塊化標準體系建設(shè)的具體建議如下：

a) 為了使標準體系能滿足數(shù)字陣列體制雷達的使用需求，建議對現(xiàn)有體系中的頂層標準GJB 3760-1999《軍用雷達模塊化通用要求》修訂，使其適應新的雷達體制并滿足模塊化發(fā)展的需要。

b) 應及時制定數(shù)字陣列體制雷達模塊化急需的模塊規(guī)范，根據(jù)數(shù)字陣列體制雷達的架構(gòu)特點，基于此主體架構(gòu)的數(shù)字陣列模塊、數(shù)據(jù)傳輸、高性能計算平臺3大部分編制對應的《軍用雷達數(shù)字陣列模塊用模塊規(guī)范》、《軍用雷達數(shù)據(jù)傳輸用模塊規(guī)范》和《軍用雷達高性能計算用模塊規(guī)范》。

c) 現(xiàn)有雷達模塊化標準體系中已有的模塊規(guī)范應繼續(xù)保留，并根據(jù)技術(shù)發(fā)展進行適時修訂。

4 結(jié)束語

數(shù)字陣列體制雷達的型號應用已經(jīng)比較成熟。模塊化作為“三化”工作的重要內(nèi)容已經(jīng)在各產(chǎn)品的設(shè)計中得到較好貫徹，目前基本具備在行業(yè)內(nèi)開展模塊化研究推廣的條件。我們根據(jù)多年產(chǎn)品設(shè)計的經(jīng)驗總結(jié)提出了這個數(shù)字陣列雷達的架構(gòu)，并在此架構(gòu)基礎(chǔ)上分析了可進行模塊化設(shè)計的模塊?；谶@些模塊我們提出了雷達模塊化標準體系的初步建設(shè)建議，為今后數(shù)字陣列雷達模塊化工作的推進提供了一種比較可行的方案。

[1]吳曼青.數(shù)字陣列雷達的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達科學與技術(shù)，2008年第6期.

[2]GB/T 13016-1991 標準體系表編制原則和要求[S].

[3]張思敏.國內(nèi)外軍用雷達模塊化技術(shù)標準淺析[D].第一屆全國軍用雷達標準化學術(shù)研討會論文集.

（編輯：勞邊）

V240.2

C

1003-6660（2016）06-0014-04

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.003