湯俊 岑宗駿

（清華大學(xué)，電子工程系，北京 100084）

1 引言

隨著隱身飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、高超聲速武器等重要軍事威脅目標(biāo)的快速發(fā)展，現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)樣式愈趨復(fù)雜，并不斷對(duì)雷達(dá)技術(shù)提出了更高的要求?，F(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：

特點(diǎn)一：發(fā)展速度加快，新威脅不斷出現(xiàn)。

（1）目標(biāo)更新快：近年來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)及集群的大量應(yīng)用，高超聲速目標(biāo)、超隱身等重要目標(biāo)的發(fā)展速度之快已經(jīng)讓人們意識(shí)到低小慢、高快動(dòng)以及未來(lái)潛在威脅目標(biāo)的切實(shí)挑戰(zhàn)已經(jīng)迫在眉睫。

（2）技術(shù)更新快：雷達(dá)軟硬件技術(shù)高速發(fā)展，氮化鎵等器件在前端的應(yīng)用、國(guó)產(chǎn)化處理器/操作系統(tǒng)等在信息處理系統(tǒng)中的更新?lián)Q代速度已經(jīng)加快，如國(guó)產(chǎn)DSP/CPU 處理器更新?lián)Q代的速度基本在2～3年左右的時(shí)間。在信息處理技術(shù)方面，多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)、認(rèn)知雷達(dá)、智能化深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)和新算法也在不斷推陳出新，有大量的算法和技術(shù)有待在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。

特點(diǎn)二：技術(shù)體系愈趨復(fù)雜化。

（1）自然和電磁環(huán)境復(fù)雜：在自然環(huán)境方面，隨著雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)雜波的特性以及抑制方法的不斷細(xì)化深入研究，需要應(yīng)用更多具有自適應(yīng)和智能化特點(diǎn)的處理方法。在電磁環(huán)境方面，靈活多變的電子干擾技術(shù)對(duì)雷達(dá)技術(shù)形成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，特別是主波束干擾，已經(jīng)成為近年來(lái)雷達(dá)技術(shù)急需解決的核心問(wèn)題之一。

（2）信息處理方法復(fù)雜：隨著環(huán)境復(fù)雜性的增加，雷達(dá)信息處理的方法復(fù)雜性也隨之增加。在傳統(tǒng)的方法的框架之外需要加入自適應(yīng)、智能化處理模式，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)/學(xué)習(xí)/挖掘模式也不斷發(fā)生變化，需要考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)多時(shí)間維度的學(xué)習(xí)、知識(shí)提取和反饋等模式，同時(shí)為了更加優(yōu)化目標(biāo)探測(cè)性能，需要考慮檢測(cè)、跟蹤、分類和基于知識(shí)輔助的一體化處理等復(fù)雜模式。

（3）系統(tǒng)資源控制模式復(fù)雜：隨著信息處理模式復(fù)雜性的增加，對(duì)系統(tǒng)資源的控制機(jī)制也變得更加復(fù)雜，如能量的智能化利用、單元級(jí)MIMO多波形的收發(fā)、實(shí)時(shí)認(rèn)知反饋模式等，都要求對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)資源的控制廣度和深度大幅增加。近年來(lái)，隨著偵干探通等一體化工作模式的發(fā)展，也對(duì)系統(tǒng)的資源控制和工作模式的靈活度提出了更高的要求。整體來(lái)看，雷達(dá)系統(tǒng)資源的配置和時(shí)序控制等要求愈趨精細(xì)化和靈活化，模式越來(lái)越復(fù)雜。

綜上所述，上述的兩個(gè)特點(diǎn)對(duì)雷達(dá)技術(shù)的整體發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了非常重要影響，這也是國(guó)內(nèi)外所有雷達(dá)技術(shù)工作者面臨的共性問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)必須加強(qiáng)兩種能力：第一，快速響應(yīng)的能力，即具備新技術(shù)快速嵌入、功能快速集成、資源快速配置的能力；第二，化繁為簡(jiǎn)的能力，對(duì)復(fù)雜的工作模式、算法流程和技術(shù)內(nèi)容可進(jìn)行分解、封裝、復(fù)用、重用和繼承，以提高效率，降低人力物力的需求。這對(duì)傳統(tǒng)的雷達(dá)研制模式提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在這個(gè)大的發(fā)展背景下，近年來(lái)軟件化雷達(dá)技術(shù)進(jìn)一步得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，其通過(guò)引入軟硬件解耦的體系架構(gòu)和組件化設(shè)計(jì)方法，使得雷達(dá)系統(tǒng)具有了靈活的可擴(kuò)展、可重構(gòu)和可升級(jí)能力，獲得了國(guó)內(nèi)外雷達(dá)行業(yè)的極大關(guān)注和重視?？傮w來(lái)看，軟件化雷達(dá)是隨著高速ADC、高速信號(hào)處理芯片的發(fā)展以及雷達(dá)天線陣面集成化不斷發(fā)展的必然結(jié)果，強(qiáng)調(diào)軟硬件解耦開(kāi)放式體系架構(gòu)、組件化設(shè)計(jì)方法等軟件工程設(shè)計(jì)理念則是雷達(dá)系統(tǒng)各組成部分在不斷提升數(shù)字化和軟件定義能力積累基礎(chǔ)之上形成的一個(gè)整體性質(zhì)的飛躍。

本文將首先介紹國(guó)內(nèi)外軟件化雷達(dá)發(fā)展的最新進(jìn)展，然后重點(diǎn)針對(duì)軟件化雷達(dá)的體系架構(gòu)和組件化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入探討，然后對(duì)后續(xù)的發(fā)展和需要注意的一些問(wèn)題進(jìn)行探討，最后給出總結(jié)。

2 軟件化雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀

雷達(dá)技術(shù)發(fā)展速度加快和愈趨復(fù)雜這兩個(gè)特點(diǎn)，實(shí)際是對(duì)國(guó)內(nèi)外雷達(dá)裝備的發(fā)展都帶來(lái)了兩個(gè)重要的挑戰(zhàn)：

（1）如何提高裝備研發(fā)效率？現(xiàn)有的裝備研發(fā)過(guò)程非常復(fù)雜，從總體技術(shù)方案論證、技術(shù)路線選擇和實(shí)際系統(tǒng)研制，流程非常長(zhǎng)，且技術(shù)路線往往因人因事而異。因此，需要加強(qiáng)研發(fā)過(guò)程中的開(kāi)放性、規(guī)范性和可繼承性，以提高系統(tǒng)研發(fā)效率。

（2）如何加快裝備更新升級(jí)速度？現(xiàn)有的裝備升級(jí)往往涉及軟硬件架構(gòu)的變化，升級(jí)成本高且周期長(zhǎng)。需要進(jìn)一步加強(qiáng)開(kāi)放性，降低成本，提高效率。

軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和這兩個(gè)挑戰(zhàn)密切相關(guān)。美國(guó)的MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室在2010 年公開(kāi)的文獻(xiàn)［1-2］中提出了基于開(kāi)放式系統(tǒng)理念的雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建思想。在國(guó)內(nèi)，本文作者在文獻(xiàn)［3］中明確給出了軟件化雷達(dá)的定義和內(nèi)涵的描述，指出雷達(dá)技術(shù)的研制模式將從傳統(tǒng)的“以硬件為中心，面向特定應(yīng)用”的理念轉(zhuǎn)換到“以軟件為中心，面向動(dòng)態(tài)應(yīng)用”的理念。同時(shí)文中也指出，軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展將為智能化雷達(dá)的發(fā)展奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

近幾年國(guó)外的一些先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，驗(yàn)證了文獻(xiàn)［3］中對(duì)研制理念轉(zhuǎn)型，以及軟件化雷達(dá)技術(shù)將為智能化雷達(dá)技術(shù)提供支撐的判斷。2022 年5 月，美國(guó)空軍公布了AN/TPY-4 雷達(dá)的研究進(jìn)展1https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/ground-based-air-surveillance-radars/tpy-4.html，宣稱這是全世界首部“真正的軟件定義雷達(dá)系統(tǒng)”，具有了“可應(yīng)對(duì)未來(lái)威脅”的能力。洛克希德表示，AN/TPY-4 采用了“前所未有的軟件定義傳感器架構(gòu)”，它集成了最新成熟的商業(yè)技術(shù)。該系統(tǒng)在每個(gè)發(fā)射/接收元件上都是數(shù)字化的，具有前所未有的革命性雷達(dá)開(kāi)放式體系架構(gòu)，使雷達(dá)能夠快速適應(yīng)未來(lái)的威脅和任務(wù)。TPY-4雷達(dá)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 美國(guó)TPY-4雷達(dá)系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 US TPY-4 radar system

2021 年8 月，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室宣稱已完成了“靈活分布式陣列雷達(dá)”（FlexDAR）的安裝，并利用位于馬里蘭州切薩皮克灣和位于弗吉尼亞州的美國(guó)航空航天局（NASA）沃洛普斯飛行設(shè)施的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了演示驗(yàn)證2A radar for any mission,https://www.raytheonmissilesanddefense.com/news/2021/07/27/radar-any-mission 2021,7,27。FlexDAR 演示了全陣元數(shù)字波束形成的天線陣列與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和精確時(shí)間同步結(jié)合所形成的各種新型和高級(jí)的能力，其采用的軟件定義、全陣元數(shù)字波束形成等新技術(shù)，代表了現(xiàn)階段分布式雷達(dá)的最新技術(shù)水平，宣稱具有適用于任何任務(wù)的能力（“A Radar for any mission”）。Flex-DAR雷達(dá)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 美國(guó)FlexDAR雷達(dá)系統(tǒng)Fig.2 US FlexDAR radar system

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室和雷神公司已經(jīng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了FlexDAR 雷達(dá)信號(hào)處理和跟蹤算法、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)技術(shù)以及高級(jí)圖形用戶界面。其采用的“靈活分布式陣列雷達(dá)后端”和“靈活分布式陣列雷達(dá)前端”均采用了開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)建造，系統(tǒng)的低天線旁瓣電平、多個(gè)同時(shí)和獨(dú)立的接收波束、多個(gè)同時(shí)工作的子孔徑、分布式雷達(dá)跟蹤與數(shù)據(jù)吞吐量等關(guān)鍵能力也已經(jīng)被驗(yàn)證。

法國(guó)泰勒斯公司在文獻(xiàn)［4］中介紹了在其“?；稹崩走_(dá)系統(tǒng)中，實(shí)施了以軟件化雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化雷達(dá)工程。軟件定義的數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)采用了開(kāi)放式雷達(dá)架構(gòu)，只需添加軟件插件即可為雷達(dá)配置給定任務(wù)，無(wú)需做任何硬件修改。同時(shí)，也可以通過(guò)升級(jí)軟件組件內(nèi)的算法、或通過(guò)添加新的軟件組件，來(lái)應(yīng)對(duì)雷達(dá)生命周期中可能出現(xiàn)的新威脅?！昂；稹崩走_(dá)如圖3所示。

圖3 法國(guó)泰勒斯公司的“?；稹崩走_(dá)Fig.3 The“Sea Fire”radar of the French company Thales

通過(guò)以上介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)國(guó)外先進(jìn)國(guó)家在軟件化雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域近10 年以來(lái)，發(fā)展迅猛，已經(jīng)基本進(jìn)入了裝備應(yīng)用的階段。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)是我國(guó)最早提出并開(kāi)展軟件化雷達(dá)技術(shù)研究的單位，在軟件化雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)領(lǐng)域有豐富的技術(shù)積累，研制的軟件化雷達(dá)信號(hào)處理平臺(tái)RadarLab 具有開(kāi)放式軟硬件解耦體系架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了跨CPU、DSP等多種類型處理平臺(tái)適配和移植，并實(shí)現(xiàn)了可視化和組件化開(kāi)發(fā)模式。軟件化雷達(dá)信息處理后端目前已經(jīng)在對(duì)海觀測(cè)雷達(dá)、地面情報(bào)雷達(dá)等多種體制雷達(dá)上得到了應(yīng)用。下圖4 給出了清華大學(xué)研制的RadarLab4.0 實(shí)現(xiàn)的某雷達(dá)系統(tǒng)典型模型化開(kāi)發(fā)界面和組件化雷達(dá)信號(hào)處理任務(wù)流圖的示意圖。

圖4 清華大學(xué)軟件化雷達(dá)信息處理平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境Fig.4 RadarLab 4.0（Developed by Tsinghua University）

2015 年以來(lái)，國(guó)內(nèi)雷達(dá)相關(guān)科研單位開(kāi)始高度重視對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)的關(guān)注和研究，國(guó)內(nèi)中電科14 所/38 所、航天科工23 所、中船724 所和中航607等雷達(dá)研究所和北京理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等單位均迅速開(kāi)展了相關(guān)研究工作，在處理平臺(tái)、中間件和組件等方面取得了豐富的研究工作和成果。其中，劉鳳等研究了高性能集群硬件平臺(tái)在軟件化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［5］。張榮濤等對(duì)軟件化雷達(dá)的需求、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展設(shè)想等方面進(jìn)行了分析和論述［6］。曾樂(lè)天等建立了軟件化雷達(dá)質(zhì)量評(píng)估體系總體架構(gòu)，給出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的概念定義和評(píng)測(cè)方法［7］。趙幫等提出了一種低延時(shí)的分層分布式并行計(jì)算方法，以解決軟件化雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的問(wèn)題［8］。張鴻臻研究了軟件化雷達(dá)平臺(tái)構(gòu)件模型設(shè)計(jì)、中間件的選型以及軟件構(gòu)件在刀片服務(wù)器中的部署策略［9］。

總體來(lái)看，隨著美國(guó)洛馬的TPY-4、法國(guó)Thales的“?；稹钡壤走_(dá)實(shí)際裝備的推出，標(biāo)志著國(guó)際上軟件化雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)具備了實(shí)裝成熟度?；谲浖走_(dá)技術(shù)，美國(guó)洛馬公司宣稱TPY-4的軟件升級(jí)、更新可以像手機(jī)下載App 一樣快捷，同時(shí)可以有效降低系統(tǒng)集成、開(kāi)發(fā)成本。Thales 的“海火”系統(tǒng)則可以支持面對(duì)不同作戰(zhàn)場(chǎng)景、在分鐘量級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的工作模式更新和參數(shù)優(yōu)化配置。這表明國(guó)外利用軟件化雷達(dá)技術(shù)在提升雷達(dá)系統(tǒng)快速集成、快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)軍事需求能力、降低成本等方面已經(jīng)有了很大的能力提升。相比較而言，盡管國(guó)內(nèi)在軟件化雷達(dá)研究工作中取得了階段性成果，軟件化雷達(dá)信息處理后端已經(jīng)具備了較高的成熟度。但是到目前為止，離實(shí)際整體軟件化雷達(dá)裝備的形成還存在一定的距離。因此，我們需要盡快加深對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)的理解和認(rèn)識(shí)。

基于此，本文擬在前文［3］的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)的兩個(gè)核心技術(shù)特征，即開(kāi)放式軟硬件解耦體系架構(gòu)和組件化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入分析和介紹，并對(duì)軟件化雷達(dá)的技術(shù)定位做出分析，以期能夠進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展。

3 軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)

體系架構(gòu)（System Architecture）一詞，本身來(lái)源于建筑學(xué)，用于描述一個(gè)建筑設(shè)計(jì)中需要考慮的各種不同視角下得到的視圖。后來(lái)被逐漸引入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為以后的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。因此，一個(gè)合理的體系架構(gòu)對(duì)于一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起著至關(guān)重要的引領(lǐng)作用，必須要引起足夠的重視［10］。

系統(tǒng)體系架構(gòu)的一個(gè)經(jīng)典定義表述為：是定義系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和更多視圖的概念模型［8］。這是一個(gè)比較寬泛的定義，實(shí)際在不同領(lǐng)域系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)都有所不同。雷達(dá)設(shè)備是一種專用領(lǐng)域的高性能嵌入式信息系統(tǒng)，在組成結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式上和一般通用信息系統(tǒng)有所不同，其分系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系比較固定、使用模式和流程也較為固定。因此，為了突出雷達(dá)系統(tǒng)中更重要的是對(duì)資源抽象管理機(jī)制和數(shù)據(jù)流、消息流驅(qū)動(dòng)的模塊交互關(guān)系，我們給出軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中體系架構(gòu)的定義如下：

軟件化雷達(dá)的體系架構(gòu)是對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的一種多層次抽象描述模型，相鄰層次之間具有清晰明確的接口，每個(gè)層次由多個(gè)具有數(shù)據(jù)流、消息流驅(qū)動(dòng)關(guān)系的模塊組成。

這里我們突出了軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)的兩個(gè)重要特點(diǎn)：（1）多層次抽象：即體系架構(gòu)中，從最底層的物理資源、到最頂層的應(yīng)用任務(wù)，應(yīng)該要形成一種抽象的描述機(jī)制，不同層次之間具有明確的接口定義。一般而言，只有相鄰的層次之間才能夠有功能調(diào)用接口關(guān)系。（2）模塊化描述機(jī)制：每一層的抽象模型中重點(diǎn)是描述組成模塊的功能、接口和相互之間的關(guān)系。且雷達(dá)系統(tǒng)的主要運(yùn)作是由數(shù)據(jù)流和消息流驅(qū)動(dòng)的。

下圖5 中，給出了本文提出的軟件化雷達(dá)四層體系架構(gòu)示意圖，自下而上分別為：

圖5 軟件化雷達(dá)軟硬件解耦體系架構(gòu)示意圖Fig.5 The software and hardware decoupling architecture of software radar

（1）物理層：為最底層，具體包含雷達(dá)前端和后端兩個(gè)部分組成，前端包含天線、TR、伺服等組成部分，后端則主要包含了DSP/CPU 等信息計(jì)算硬件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)等，同時(shí)還包含了消息傳遞網(wǎng)絡(luò)和高速數(shù)據(jù)流傳輸網(wǎng)絡(luò)。注意這里的硬件層包含了底層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和接口規(guī)范等內(nèi)容。

（2）中間件層：中間件實(shí)際是對(duì)物理層的一個(gè)完整的抽象描述，包含了計(jì)算中間件、通信中間件和控制中間件，這三部分內(nèi)容直接定義了在底層硬件上實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信和控制的接口。在這三部分中間件之上，需要構(gòu)建一個(gè)適用于雷達(dá)系統(tǒng)的雷達(dá)中間件及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。這是由于在商業(yè)領(lǐng)域中，存在大量不同類型的控制、通信和計(jì)算中間件產(chǎn)品，為了真正實(shí)現(xiàn)頂層應(yīng)用和底層軟硬件之間的解耦，需要利用一個(gè)統(tǒng)一的符合軟件化雷達(dá)規(guī)范的雷達(dá)中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)底層資源和任務(wù)的統(tǒng)一管理。

（3）組件層：在一套完整的中間件機(jī)制之上，我們可以構(gòu)建出一個(gè)軟件化雷達(dá)組件層。組件層的主要面向?qū)ο笫窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)者。這里的組件包含硬件組件和軟件組件兩種類型，即雷達(dá)系統(tǒng)中的所有硬件和軟件模塊，我們都按照組件化的形式進(jìn)行封裝和抽象，以形成組件化的分解、管理、數(shù)據(jù)流/消息流建模機(jī)制和組件設(shè)計(jì)規(guī)范，在此基礎(chǔ)上形成組件化和可視化的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

（4）應(yīng)用層：在組件層之上是應(yīng)用任務(wù)層，主要面向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者和應(yīng)用者，其主要任務(wù)是利用組件層提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境和組件庫(kù)，基于應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)規(guī)范和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)模板，快速開(kāi)發(fā)不同類型的應(yīng)用任務(wù)，并基于一個(gè)類似于操作系統(tǒng)的軟件化雷達(dá)綜合集成框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的所有任務(wù)、資源、組件和通信的統(tǒng)一管理、調(diào)度和監(jiān)控。

在這里我們可以看到，體系架構(gòu)重在描述系統(tǒng)各組成部分的抽象模型和相互關(guān)系。在統(tǒng)一體系架構(gòu)之下，可以采用不同的具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)。例如：兩個(gè)軟件組件之間存在通信關(guān)系，這是體系架構(gòu)描述的內(nèi)容。但在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中，究竟是選擇PCIE總線還是光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，這是具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。顯然，具體采用什么設(shè)計(jì)技術(shù)，往往因人、因時(shí)、因事而異。因此，具體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)是具有時(shí)效性的，而體系架構(gòu)往往是具有通用性和長(zhǎng)期性的。這兩者在一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展中所起到的作用是非常不同的。

傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)中，我們其實(shí)并沒(méi)有體系架構(gòu)的概念，主要關(guān)注的是系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)技術(shù)，模式如下圖6所示。

圖6 中可見(jiàn)，針對(duì)每一部雷達(dá)的具體功能和性能指標(biāo)，每個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)都要獨(dú)立開(kāi)展特定的功能分解、接口設(shè)計(jì)、軟硬件選型等一系列工作，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用任務(wù)和接口程序也都是定制化開(kāi)發(fā)，都需要結(jié)合具體選定的硬件計(jì)算資源和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)做定制化開(kāi)發(fā)。這是一種軟硬件耦合非常緊密的研發(fā)模式，即使在同一個(gè)研發(fā)單位，可能選取的具體計(jì)算硬件平臺(tái)、互聯(lián)技術(shù)和開(kāi)發(fā)機(jī)制都是不同的。

圖6 傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)示意圖Fig.6 The development and development of traditional radar systems

可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程中其實(shí)沒(méi)有強(qiáng)調(diào)體系架構(gòu)，更加強(qiáng)調(diào)的是具體的設(shè)計(jì)技術(shù)，即直接把應(yīng)用任務(wù)和物理資源綁定，主要研究如何利用物理軟硬件資源和技術(shù)，來(lái)構(gòu)建出一個(gè)具體符合特定要求的雷達(dá)系統(tǒng)。這就導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)者需要花大量的精力用于在具體的軟硬件技術(shù)上，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)效率低、系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)困難等一系列問(wèn)題。

而在軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)中，增加了中間件層和組件層，使得雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)者只需要在應(yīng)用層和組件層進(jìn)行系統(tǒng)的抽象化設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，中間件層和物理層則由具體的技術(shù)供應(yīng)商來(lái)提供服務(wù)和實(shí)現(xiàn)，這樣就使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)者可以專注于頂層應(yīng)用任務(wù)的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，和對(duì)軟硬件以及應(yīng)用任務(wù)的靈活升級(jí)擴(kuò)展能力。

值得指出的是，軟件化雷達(dá)體系架構(gòu)的建立是和技術(shù)的進(jìn)步分不開(kāi)的，在方便雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)者的同時(shí)，高效的中間件層和高性能物理層是必不可少的基礎(chǔ)，必須要保證雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息處理和獲取能力，這是雷達(dá)架構(gòu)設(shè)計(jì)的第一要素。

4 軟件化雷達(dá)組件化設(shè)計(jì)方法

4.1 組件化特征

在上述體系架構(gòu)的介紹中，我們注重的是層次化抽象模型的構(gòu)建過(guò)程。在每一個(gè)層次中強(qiáng)調(diào)的是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的模塊化抽象描述機(jī)制。我們?cè)谶@里進(jìn)一步給出軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中組件的概念，定義如下：

軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中的組件，是指抽象封裝了特定功能的軟件或者硬件模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)、屬性配置和輸入輸出數(shù)據(jù)接口的定義，具有可重用性、可定制性、自包容性、松耦合性和互操作性，可以作為基本模塊進(jìn)行應(yīng)用集成。

根據(jù)上述定義，軟件化雷達(dá)中組件的特性包括：

（1）抽象性：在體系架構(gòu)的組件層對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)，我們對(duì)組件只關(guān)注它的功能、配置參數(shù)和輸入/輸出數(shù)據(jù)的定義，對(duì)于具體在何種硬件平臺(tái)如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信的細(xì)節(jié)是不用關(guān)心的，這就實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦。

（2）組件類型：在軟件化雷達(dá)系統(tǒng)中，存在軟件組件和硬件組件兩種類型，都作為系統(tǒng)中的組件資源要進(jìn)行建模描述和管理。其中，軟件組件之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的信息處理流程，硬件組件之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系。軟件組件和硬件組件之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的任務(wù)部署關(guān)系，見(jiàn)下圖7所示。

圖7 軟件化雷達(dá)軟硬件組件及部署映射關(guān)系圖Fig.7 Software-based radar software and hardware components and deployment mapping diagram

（3）可重用性：組件具有共用性和通用性，可以入庫(kù)管理，可以靈活復(fù)用和共享。

（4）可定制性：每個(gè)組件具有規(guī)范的參數(shù)和屬性配置機(jī)制，可以靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)配置。

（5）自包容性：每個(gè)組件的功能都是相對(duì)完整和獨(dú)立的，數(shù)據(jù)的輸入/輸出接口也是明確而清晰的。

（6）互操作性：組件之間具有靈活的接口機(jī)制，多個(gè)組件可以通過(guò)快速的裝配和配置，形成協(xié)同工作的機(jī)制。

（7）松耦合性：組件之間的關(guān)系是松耦合的，局部組件的替換、更新和升級(jí)過(guò)程，對(duì)于全局其他的組件基本沒(méi)有影響。

基于軟件化雷達(dá)系統(tǒng)的組件，我們可以快速構(gòu)建出具有模塊化特點(diǎn)和支持協(xié)同互操作的軟件化雷達(dá)系統(tǒng)，并使得系統(tǒng)在整個(gè)生命周期里，可以支持組件可以增加、修改、代替、去除或者被第三方提供的模塊所代替，以不斷增強(qiáng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力?；诮M件化開(kāi)發(fā)方式對(duì)性能的影響是可接受的，其額外開(kāi)銷來(lái)源于統(tǒng)一的組件控制代碼。相關(guān)研究表明，在采用組件化方法開(kāi)發(fā)的雷達(dá)信號(hào)處理任務(wù)，在各主流平臺(tái)上可達(dá)到90%以上的處理效率［11］。

4.2 開(kāi)放式系統(tǒng)

軟件化雷達(dá)的一個(gè)核心理念是在雷達(dá)系統(tǒng)中引入了開(kāi)放式系統(tǒng)的理念。文獻(xiàn)［3］中指出，軟件化雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)放性包括技術(shù)的開(kāi)放性、功能和性能的開(kāi)放性，應(yīng)該說(shuō)：基于組件化設(shè)計(jì)方法的層次化體系架構(gòu)為軟件化雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放性提供了基本的技術(shù)基礎(chǔ)，例如：物理層硬件和軟件的技術(shù)更新可以不影響上層的應(yīng)用軟件，局部的軟件或者硬件組件的更新?lián)Q代可以不影響系統(tǒng)中其他的組件和任務(wù)。

但是，如果這些技術(shù)或者組件的開(kāi)發(fā)接口是封閉的，則不可能有更多的開(kāi)發(fā)者參與進(jìn)來(lái)，新的技術(shù)也很難進(jìn)入系統(tǒng)，就不會(huì)有很多的產(chǎn)品可以讓我們選擇，上述的開(kāi)放性也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)了。

因此，軟件化雷達(dá)的真正開(kāi)放性，要能夠體現(xiàn)在：組件接口具有標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性，且可以支持第三方開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還需要有合理的機(jī)制來(lái)對(duì)組件的規(guī)范性進(jìn)行測(cè)試和審查，這樣才能真正保證軟件化雷達(dá)真正具有開(kāi)放性。

所以，軟件化雷達(dá)的發(fā)展過(guò)程中一個(gè)重要的組成部分是開(kāi)放式行業(yè)生態(tài)的建設(shè)，需要有可公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、有不同層面的第三方開(kāi)發(fā)商和技術(shù)開(kāi)發(fā)者參與、有適當(dāng)?shù)募夹g(shù)聯(lián)盟和組織實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品規(guī)范性的測(cè)試和認(rèn)證。

下圖8 中給出了和傳統(tǒng)定制化雷達(dá)相比，軟件化雷達(dá)的發(fā)展演進(jìn)圖。圖中可以看到，一方面由于層次化體系架構(gòu)和組件化機(jī)制的建立，使得軟件化雷達(dá)在技術(shù)上具有了強(qiáng)大的靈活性，同時(shí)由于開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及第三方開(kāi)發(fā)機(jī)制的建立，使得軟件化雷達(dá)的整個(gè)研制和構(gòu)建模式發(fā)生了根本性的變化，包括：（1）軟硬件：開(kāi)發(fā)模式由定制轉(zhuǎn)為選用；（2）接口：由自定義轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)接口；（3）工作模式：由固定轉(zhuǎn)化為可擴(kuò)展；（4）波形/算法：由固定轉(zhuǎn)化為可持續(xù)升級(jí)；（5）性能：由定制最優(yōu)化，轉(zhuǎn)化為可持續(xù)優(yōu)化。由于以上特點(diǎn)，軟件化雷達(dá)技術(shù)也被稱為是一種“改變了傳統(tǒng)雷達(dá)游戲規(guī)則”的顛覆性技術(shù)。

圖8 軟件化雷達(dá)發(fā)展演進(jìn)圖Fig.8 Development and evolution of software radar

綜上所述，層次化體系架構(gòu)和組件化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法是開(kāi)放性的技術(shù)特征，保證了軟件化雷達(dá)系統(tǒng)在技術(shù)上具有了支持開(kāi)放性系統(tǒng)的能力。而接口規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化和公開(kāi)化，以及合理的測(cè)試管理機(jī)制，將是軟件化雷達(dá)系統(tǒng)具有開(kāi)放性的管理基礎(chǔ)。

5 軟件化雷達(dá)的技術(shù)定位

對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的精確定位，是一個(gè)重要的問(wèn)題，這關(guān)系到我們對(duì)該技術(shù)方向的判斷和發(fā)展目標(biāo)的確定。傳統(tǒng)對(duì)雷達(dá)裝備發(fā)展的討論，往往是聚焦在某個(gè)雷達(dá)裝備具體可量化的性能和功能指標(biāo)方面，如威力、跟蹤目標(biāo)數(shù)目、數(shù)據(jù)率、分辨力、識(shí)別能力等。而對(duì)于軟件化雷達(dá)，一個(gè)經(jīng)常被提出的問(wèn)題是：軟件化雷達(dá)技術(shù)究竟能為雷達(dá)裝備帶來(lái)什么好處？文獻(xiàn)［3］中初步說(shuō)明了軟件化雷達(dá)是從數(shù)字化雷達(dá)的后續(xù)發(fā)展階段，為后續(xù)智能化雷達(dá)發(fā)展提供了支撐。本文為了進(jìn)一步回答這個(gè)問(wèn)題，用圖9來(lái)描述軟件化雷達(dá)技術(shù)的技術(shù)定位。

從圖9 中可以看到，我們可以從雷達(dá)專用技術(shù)和概念發(fā)展路線、雷達(dá)體制發(fā)展路線和雷達(dá)平臺(tái)技術(shù)發(fā)展路線三個(gè)維度對(duì)雷達(dá)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行觀察。在雷達(dá)的專用技術(shù)和概念體系中，從早期的脈沖壓縮、單脈沖、動(dòng)目標(biāo)、脈沖多普勒到現(xiàn)在的MIMO、認(rèn)知雷達(dá)等，研究者們一直在不斷研究各種新的技術(shù)和概念，引領(lǐng)雷達(dá)在檢測(cè)、成像和識(shí)別等不同維度的不斷突破。與此同時(shí)，雷達(dá)的平臺(tái)技術(shù)發(fā)展路線，則主要經(jīng)歷了從模擬、數(shù)字到軟件化的發(fā)展歷程。在這兩者的相互作用下，雷達(dá)的體制從早期的機(jī)械掃描、相控陣，發(fā)展到數(shù)字陣列、軟件化數(shù)字陣列以及正在起步的智能化雷達(dá)等。從前面的介紹可以看到，當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的TPY-4、FlexDAR 和Sea Fire 等雷達(dá)系統(tǒng)均屬于軟件化數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)，未來(lái)的智能化雷達(dá)系統(tǒng)將在軟件化雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)一步融入更多智能化因素，例如基于深度學(xué)習(xí)的雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別方法已經(jīng)開(kāi)始被研究［12］，這也是我們現(xiàn)在就應(yīng)該要重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向。

由圖9 可見(jiàn)，軟件化雷達(dá)的技術(shù)定位是平臺(tái)性技術(shù)，和模擬技術(shù)、數(shù)字技術(shù)屬于相同級(jí)別的概念范疇。因此，我們不能糾結(jié)于軟件化雷達(dá)是否能夠帶來(lái)更大的威力、更好的精度這樣的問(wèn)題，而是應(yīng)該看到：作為一種革命性的平臺(tái)技術(shù)，軟件化雷達(dá)技術(shù)將為雷達(dá)裝備帶來(lái)更多、更好、更快應(yīng)對(duì)現(xiàn)在和未來(lái)各種挑戰(zhàn)的可能性。

圖9 軟件化雷達(dá)技術(shù)的定位Fig.9 The positioning of software radar technology

6 發(fā)展展望

綜上所述，我們看到軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，不僅僅是表面上看到的似乎僅是開(kāi)發(fā)模式的變化，其蘊(yùn)涵的豐富內(nèi)容將對(duì)整個(gè)雷達(dá)行業(yè)的生態(tài)和發(fā)展模式均產(chǎn)生重要的影響，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）軟件化雷達(dá)技術(shù)將在雷達(dá)裝備的全系統(tǒng)和整個(gè)生命周期內(nèi)不斷發(fā)揮作用。

一方面，軟件化雷達(dá)技術(shù)在雷達(dá)后端，即信息處理系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)具有了較為成熟的技術(shù)積累，目前主要任務(wù)應(yīng)該是盡快通過(guò)行業(yè)的推廣試用來(lái)不斷提高成熟度。另一方面，如何推動(dòng)軟件化雷達(dá)前端技術(shù)的發(fā)展，將是國(guó)內(nèi)未來(lái)幾年內(nèi)技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。同時(shí)，我們還應(yīng)該看到，軟件化雷達(dá)技術(shù)不僅僅會(huì)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和研制階段發(fā)揮作用，其體系架構(gòu)分層、組件化抽象建模的設(shè)計(jì)思想，將可能使得雷達(dá)系統(tǒng)的采購(gòu)、論證、設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、維護(hù)和升級(jí)等整個(gè)過(guò)程的傳統(tǒng)模式都將發(fā)生變化，因此其將在雷達(dá)裝備全生命周期內(nèi)都將發(fā)揮作用。

（2）軟件化雷達(dá)技術(shù)將推動(dòng)雷達(dá)行業(yè)生態(tài)分層。

軟件化雷達(dá)技術(shù)強(qiáng)調(diào)的分層理念，既符合技術(shù)深耕的工匠精神要求，也符合社會(huì)分工精細(xì)化的發(fā)展趨勢(shì)。因此，我們相信，隨著軟件化雷達(dá)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系的推出，將會(huì)促進(jìn)不同層面技術(shù)群的出現(xiàn)，這將會(huì)對(duì)雷達(dá)行業(yè)的生態(tài)分層產(chǎn)生積極地推動(dòng)作用。

（3）軟件化雷達(dá)應(yīng)和智能化雷達(dá)技術(shù)緊密結(jié)合。

軟件化雷達(dá)技術(shù)為雷達(dá)系統(tǒng)的創(chuàng)新帶來(lái)了各種可能性，因此近年來(lái)發(fā)展迅猛的智能化技術(shù)如何與軟件化雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)該成為我們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)方向。我們認(rèn)為：應(yīng)該從智能化計(jì)算架構(gòu)的嵌入和對(duì)智能化控制模式的支持兩個(gè)角度入手，來(lái)探討在軟件化雷達(dá)技術(shù)支持下的智能化雷達(dá)技術(shù)發(fā)展。限于篇幅，我們將另文撰述。

（4）必須要加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)化技術(shù)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

軟件化雷達(dá)技術(shù)是當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)戰(zhàn)略前沿高地，因此國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)的技術(shù)封鎖是必然的。同時(shí)，我們也要看到，國(guó)內(nèi)的軟件化雷達(dá)技術(shù)起步幾乎和美國(guó)同步，具有堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。近年來(lái)，在領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)的高度重視和行業(yè)的共同努力下，國(guó)內(nèi)的軟件化雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展。因此，我們必須要堅(jiān)定信心，加強(qiáng)對(duì)國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的扶持和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，同時(shí)統(tǒng)籌規(guī)劃技術(shù)生態(tài)環(huán)境，避免無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，整合資源，合理建設(shè)相應(yīng)的技術(shù)生態(tài)和技術(shù)聯(lián)盟，為我國(guó)的軟件化雷達(dá)技術(shù)獨(dú)立自主地發(fā)展創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。

7 總結(jié)

近年來(lái)，隨著美國(guó)TPY-4、FlexDAR、法國(guó)“?；稹钡刃乱淮浖走_(dá)裝備的推出和定型，標(biāo)志著國(guó)際先進(jìn)國(guó)家的軟件化雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)從原先的探索試驗(yàn)階段進(jìn)入了裝備應(yīng)用階段，這應(yīng)當(dāng)引起我國(guó)雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)和行業(yè)工作者的高度重視，需要我們堅(jiān)定發(fā)展軟件化雷達(dá)技術(shù)的決心和信心，盡快穩(wěn)步推動(dòng)我國(guó)軟件化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度，以早日形成裝備和戰(zhàn)斗力。