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相控阵雷达的计算机控制

相控阵雷达的计算机控制技术

张伯彦 蔡庆宇

  摘 要 本文全面阐述了适用于多功能相控阵雷达的计算机控制技术,给出了相控阵雷达自适应调度 及多目标数据处理的软/硬件体系结构,并用C语言开发了整个软件系统。运行结果表明,自 适应调度方法及多目标数据处理算法是令人满意的。
  主题词 相控阵雷达,计算机控制系统,多目标跟踪 ,数据处理。

Computer Control Techniques of Phased Array Radars

Zhang Boyan and Cai Qingyu
Beijing Institute of Radio Measurement, 100854

  Abstract: The computer control techniques applicable to electroni cally scanned multifunction radars are presented. The software and hardware arch itecture for the real-time control and the data processing within a phased arra y radar are described. The software system comprising a number of tasks is writt en in C Language and implemented. The results show that the algorithm for the multitask adaptive scheduling and the multitarget data processing is suitable fo r multifunction phased array radars.
  Keywords:Phased array radar, Adaptive scheduling, Priority, Data processing, Multitaget tracking, Searching and tracking.

1 引言
  随着计算机大量地嵌入相控阵雷达系统,使雷达系统体系结构发生了质的变化。像当今任何 具有计算机的大型复杂实时系统一样,现代雷达已不再是硬件的集合体,而是硬件和软件的综合体。由于计算机及其软件事实上已经成了现代雷达系统的神经中枢,因此人们已经改变以往把雷达系统看作“电气”和“机械”两大组成部分的习惯,而将现代雷达全新地分解为“雷达设备”和“雷达控制器”两大组成部分。这里“雷达设备”是指雷达设备的物理实体,而“雷达控制器”是指嵌入雷达系统的计算机系统及实现雷达多功能操作的各种算法和软件。雷达控制器将作出相控阵雷达波束驻留的全部决策,并由跟踪算法实现电子伺服回路的作用,因而相控阵雷达也称为“软件驱动”雷达。本文在相控阵雷达控制器(PARC)研究和设计的基础上,试图对相控阵雷达系统中的调度和数据处理的软/硬件结构进行描述和综合。

2 系统主要要求与任务
  相控阵雷达是雷达体系的一个重要的新发展。它打破了常规雷达固定波束驻留时间、固定扫 描方式、固定发射功率和固定数据率的限制,具有灵活的波束指向及驻留时间、可控的空间功率分配及时间资源分配等特点,从而使相控阵雷达具有多功能的优点,即能同时完成搜索和对多个目标的精密跟踪。
  相控阵雷达的一个基本工作方式是将覆盖区域划分为若干个监视区域。在诸个监视区域内, 其搜索速率是不同的;而在同一监视区域内,跟踪任务的辐射情况又不同于搜索任务。因此 ,PARC必须完成以下基本任务:
  (1) 产生波束驻留指令,包括波束的角位置、发射时间、频率、波形、脉冲周期、检测门限 和波束驻留标志等。这是雷达调度处理的结果;
  (2) 处理波束驻留指令回波数据,产生目标当前数据,预测数据及质量良好的目标航迹,管 理目标航迹与点迹。这是雷达数据处理的结果。

3 系统硬件结构
  整个系统由若干个性质不同的子系统组成。各子系统通过局域网连结在一起,形成了一个集 成化的雷达控制与显示系统。
  系统硬件结构和相互关系如图1所示。本文主要涉及PARC。

图1 系统硬件结构和相互关系

3.1 PARC与相控阵雷达的联接方式
  PARC的若干块CPU板通过iPSB(intel parallel system bus)并行系统总线互相通讯。iPSB并 行系统总线为高性能的通用总线,是MBⅡ总线结构的基础。它采用脉冲串方式(burst trans fer)传送,速率可达40M B/s。
  PARC通过挂在iPSB总线上的CPU板与雷达设备相联接,实现互相通讯。实际上形成两条快速通道,保证计算机与雷达硬件之间的信息交换。
3.2 PARC软件的运行环境
  完成雷达调度和数据处理等任务的PARC软件运行在若干块iSBC(intel single board comput er)386或486 CPU板上,各CPU板之间通过并行系统总线互相通讯。
  雷达硬件按波束驻留指令发射所需要的脉冲,并把目标回波经过接收机及信号处理,由具有 特殊接口的CPU板送给PARC,数据处理根据所发波束驻留指令的目的,对该数据进行处理。例如在搜索状态,对该数据进行检测及相关处理,以减少冗余检测;如果在跟踪状态,则对该数据进行滤波处理,以便把雷达测量值与波束驻留坐标结合起来,得到位置与速度的最好估值及预测值。雷达调度通过iPSB接收数据处理的结果,确定目标所在的覆盖区,并根据硬件约束,计算机资源约束等决定下一时刻的波束驻留指令,并通过接口传递给雷达硬件。

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4 系统软件结构
  在相控阵雷达系统的控制器中,边扫描边跟踪方法(TWS)在跟踪时已被一种叫作“有源多目 标跟踪”的计算机处理方法(TAS)所代替。实质上,它利用航迹的不断更新和目标优先级来控制天线波束。PARC软件包括雷达监控与数据处理,调度与通讯几个子系统软件,均由C程序编写。PARC软件可以视为由几个任务组成的分布式的软件系统,并由监控软件将其综合在一起。
4.1 监控软件
  监控软件通过雷达数据传输通道接收雷达数据;通过局域网接收显控数据及指令。监控软件 将这些数据及指令分配给某一任务,即告诉PARC做什么及何时做。监控软件的能力取决于设计者对于雷达硬件动作及时序的了解,各任务子程序的有效性及数据传输通道的高性能。
  一个简化的监控软件流程图如图2所示。

图2 监控软件流程图

4.2 雷达调度与数据处理软件
  图3示出了一个简单的雷达调度与数据处理框图。图中表示了主要的软件任务、数据流及控 制环。

图3 PARC软件任务框图

4.2.1 监控作业
  监控作业保证与所需要的雷达状态相应的其它任务的启动/关闭,如在搜索状态,保证搜索 任务启动。这一任务驻留在计算机中。
4.2.2 初始化作业
  初始化作业完成对雷达硬件及PARC各任务的初始化。初始化作业向雷达硬件送出一系列复位标志及数据。初始化任务包含在监控任务内。
4.2.3 调度作业
  调度作业的功能最终形成雷达控制指令序列表,也称波束驻留指令表。在设计一个有效地调 度程序时必须考虑以下四个问题:
  .根据操作请求确定操作优先级;
  .确定约束雷达操作的因素,包括雷达的能量资源和计算机的时间资源;
  .确定调度间隔。在我们所考虑的结构中,一般选择调度间隔为跟踪回路要求的最快响应时 间的四分之一,即

  此外,调度间隔的选择又必须考虑最恶劣情况下调度和处理雷达回波所用的时间tStr,即

SI≥tS+tr

  .选择调度策略。调度策略分为固定模板策略、多模板策略、部分模板策略及自适应调度策略。其中自适应调度策略与动态的雷达环境相适应,与不同工作方式的优先级相适应,实时平衡各种雷达操作所要求的时间、能量和计算机资源,所以适用于多用途多功能的雷达。调度作业周期性地检索工作表,得到一系列的输入数据及命令或申请,调度给这些申请分配时间及能量,并产生雷达事件队列表(优先级链表)。这实质上是一备选队列,必须根据雷达硬件约束及计算机资源约束等决定采用或拒绝某个备选操作,被采用的操作即变成了将被调度的雷达事件,此时雷达硬件将进行的活动业已确定,但尚需按要求填写雷达事件表的所有参数,包括正确的时序关系,以形成波束驻留指令表并送工作表中。一旦此表被调度,雷达将按此表的安排执行一系列操作。调度作业保证雷达在正确的时 间执行规定的操作;保证雷达全面而有效地使用,保证更紧急的雷达任务在较低优先级雷达任务之前执行;保证不太紧急的任务在一定时间间隔内也能被执行。
  表1给出了某个调度间隔的波束调度结果。这是在多个目标被搜索和跟踪,多个雷达事件需 要调度的情况下,调度作业的输出结果。

表1 第3082个调度间隔的波束调度结果

1 特殊试验
  这个调度间隔无请求
2 目标证实
  这个调度间隔无请求
3 特殊请求
  这个调度间隔无请求
4 水平搜索
  这个调度间隔无请求
5 目标跟踪1
  这个调度间隔无请求
6 目标跟踪2
  Beam id 601 602
7 指示搜索
  这个调度间隔无请求
8 正常搜索
  Beam id 801 802 803 804 805 806 807 808 809 810 811 812 813

注:1,2,…,8代表8个雷达事件;Beam id代表调度的波束序列;例如,801代表第8个雷达事件的第一发射波束。

4.2.4 搜索作业
  搜索作业产生一系列雷达指令,以便按一定的速率搜索给定的空域。搜索空域及搜索速率是 由指令输入的。为节省计算机时间,需预先制定一张波位表,有时也按需要实时产生。搜索时的数据处理应用边扫描边跟踪(TWS)技术,对搜索波束驻留指令的回波数据(R,α,β)进行处理,如进行TWS航迹维特,即应用卡尔曼滤波[2,3] 或α-β滤波技术作为实时递推算法对航迹进行预测和滤波,从而实现航迹的不断更新。此外还要进行相关互联[4,5],即将目标观测值与目标航迹关联起来。在目标不密集、信噪比较强的场合,最近邻域法(需要精心选择解配置矩阵的准则)有较好的性能。边扫描边跟踪情况下航迹维持精度在很大程度上取决于航迹的录取精度。相控阵雷达TWS情况下的录取误差实际上是一种数据量化误差[6],是一种与随机误差不同的动态误差 ,TWS情况下的多目标跟踪与TAS情况下的多目标跟踪的区别之一是前者的数据率较低,图4和图5示出了应用TWS技术,在进行多目标相关互联及多个雷达事件需要调度的情况下,得到的某一个目标的航迹维持均值误差。

图4 方向余弦X/R上的航迹维持均值误差

图5 方向余弦Y/R上的航迹维持均值误差

4.2.5 跟踪作业
  跟踪作业的优先级比搜索作业的优先级要高。跟踪作业的数据处理应用跟踪和搜索即TAS技术对雷达误差提取器的误差信号进行处理。为得到质量良好的精跟TAS航迹,选用九维自适应卡尔曼滤波算法[7]。在这种算法中,目标加速度被模拟为非零均值时间相关的服从截断正态分布的随机过程。正态分布的均值和方差是根据切比雪夫不等式来确定的,并用加速度分量反馈形成自适应滤波回路。这样得到的预测值作为一个结点参数加入到精跟 事件链表中,以便调度去遍历,生成调度链表。
  在图3中,作业表是一系列表组成的复表。每一作业均起始于一张表,又在结束时产生另一 张表。表的不断更新,形成雷达的工作过程。

5 总结
  本文阐述了相控阵雷达控制器的硬件、软件体系结构。通过设计实时雷达调度程序和多目标数据处理程序,使相控阵雷达具有搜索和跟踪多个目标的功能。

作者单位:航天工业总公司二院二十三所,北京 100854

参考文献

 [1]陈定昌,王连成等.防空导弹武器系统软件工程.宇航出版社,1994
 [2]Kalman R E.A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problem.Journal of Basic Eng.,Trans.ASME,Ser.D,1960,82(1):36~45
 [3]Kalman R E,Bucy R S.New Results in Linear Filtering and Prediction Theory.ASM E,Ser.D,1961,83(3):95~108
 [4]Shalom Y B.Tracking and Data Association.OrlandAcademic Press,Inc.,1988
 [5]Blackman S S.Multiple-Target Tracking with Radar Applications.Dedham,MA:Arte ch House,Inc.,1986
 [6]Kahrilas P J.Electronic Scanning Radar Systems Design Handbook.Artech House,I nc.,1976
 [7]Zhang Boyan,Cai Qingyu,Yuan Zhengren.A New Method for Tracking Maneuvering Ta rgets. Modelling,Simulation & Control,C,AMSE Press,1989,18

不寒风 @ 2006-09-07 19:53:01
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一一 在 2006-09-08 18:30:40 说:

嘻嘻~这个应该与你的专业有关噢~
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