王斯樂

（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇省南京市 210013）

1 引言

雷達(dá)需要在復(fù)雜的干擾環(huán)境下完成目標(biāo)探測、跟蹤、識別等作戰(zhàn)任務(wù)，是保障空軍全天候、全天時作戰(zhàn)不可或缺的信息化裝備。信息處理分系統(tǒng)作為雷達(dá)的重要組成部分，其主要功能是對接收數(shù)字采樣后的回波進(jìn)行一系列雜波和干擾抑制處理后進(jìn)行提取，以獲得目標(biāo)和干擾/雜波的相關(guān)信息，并能夠在終端上顯示，同時實(shí)現(xiàn)對全機(jī)的工作方式進(jìn)行控制，其工作性能直接影響到雷達(dá)的探測性能。信息處理分系統(tǒng)具有在強(qiáng)主/副瓣干擾、復(fù)雜雜波干擾的場景下完成高速高機(jī)動目標(biāo)的檢測與信息提取，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)多目標(biāo)搜索、資源調(diào)度、目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)估算、雷達(dá)工作模式控制、系統(tǒng)修正等功能。

隨著作戰(zhàn)任務(wù)多樣化的發(fā)展，雷達(dá)面臨更加惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境和更加復(fù)雜的目標(biāo)特性，為了應(yīng)對更加復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)要求，現(xiàn)代雷達(dá)信息處理機(jī)具有極高的運(yùn)算速度及數(shù)據(jù)傳輸能力。某型遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)，主要用來完成對飛機(jī)等空中目標(biāo)的搜索警戒，可提供大批量空中目標(biāo)的方位、距離、高度、敵我屬性等綜合情報。其信息處理分系統(tǒng)根據(jù)工作方式，適應(yīng)不同的戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)要求，主要完成干擾抑制、脈沖壓縮、MTI（動目標(biāo)檢測）、MTD（動目標(biāo)顯示）、CFAR（恒虛警）、雜波圖、副瓣匿影、目標(biāo)檢測與提取、視頻送顯、點(diǎn)航跡處理等功能。此外，還具備干擾分析、干擾定位、目標(biāo)識別等功能。典型的信息處理分系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1：信息處理分系統(tǒng)功能框圖

2 并行處理架構(gòu)設(shè)計

為完成雷達(dá)系統(tǒng)高數(shù)據(jù)率的處理需求，信息處理分系統(tǒng)采用了基于刀片服務(wù)器的集群計算平臺，支持軟件化、可重構(gòu)的設(shè)計方法，結(jié)合由大規(guī)模FPGA芯片構(gòu)成的加速處理器，滿足雷達(dá)系統(tǒng)智能化處理所需的大運(yùn)算量、高數(shù)據(jù)交換和靈活可重構(gòu)的處理需求。刀片服務(wù)器平臺包括電源刀片、計算刀片、交換刀片、接口刀片等，基于40Gbps高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成并行處理架構(gòu)，采用動態(tài)部署策略，各處理功能根據(jù)當(dāng)前工作方式的需要分配計算資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用，且硬件平臺采用開放式架構(gòu)，系統(tǒng)集成度高，系統(tǒng)維護(hù)性、擴(kuò)展性好，支持實(shí)時重構(gòu)，升級方便。

計算刀片、交換刀片、接口刀片的架構(gòu)示意圖如圖2、圖3和圖4所示，其中，接口刀片主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，計算刀片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲與處理，交換刀片負(fù)責(zé)各模塊之間的網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)交換。

圖2：計算刀片架構(gòu)示意圖

圖3：交換刀片架構(gòu)示意圖

圖4：接口刀片架構(gòu)示意圖

圖5所示的是傳統(tǒng)的串行處理架構(gòu)示意圖，各處理模塊依次順序完成信息處理。其中，處理模塊1完成數(shù)據(jù)接收與分發(fā)，處理模塊2完成脈沖壓縮處理，處理模塊3完成MTI（動目標(biāo)檢測）、MTD（動目標(biāo)顯示）處理，處理模塊4完成CFAR（恒虛警）處理，處理模塊5完成雜波圖處理，處理模塊6完成目標(biāo)檢測和提取處理，處理模塊7完成點(diǎn)/航跡處理和數(shù)據(jù)流向后端的分發(fā)。

圖5：串行處理架構(gòu)示意圖

相比于串行處理架構(gòu)，基于計算刀片、交換刀片、接口刀片的刀片服務(wù)器平臺采用了更加便捷可靠的并行處理架構(gòu)，其硬件架構(gòu)如圖6所示。其中，處理模塊1完成前端數(shù)據(jù)接收與分發(fā)，中間處理模塊2到處理模塊6并行處理，各處理模塊獨(dú)立完成脈沖壓縮、雜波抑制、MTI（動目標(biāo)檢測）、MTD（動目標(biāo)顯示）、CFAR（恒虛警）、雜波圖、目標(biāo)檢測與提取等信息處理功能，處理模塊7完成并行處理架構(gòu)的數(shù)據(jù)匯總與點(diǎn)/航跡處理，并完成數(shù)據(jù)流向后端的分發(fā)。

圖6：并行處理架構(gòu)示意圖

在傳統(tǒng)的串行處理架構(gòu)中，處理模塊是一塊接著一塊順著流程完成信息處理的，一旦有一塊處理模塊出現(xiàn)故障而無法運(yùn)行，就將導(dǎo)致整個信息處理分系統(tǒng)的無法運(yùn)行，繼而影響整個雷達(dá)的工作。而在并行處理架構(gòu)中，中間的處理模塊2到處理模塊6完全獨(dú)立工作，互不影響，一旦有一塊處理模塊出現(xiàn)故障無法運(yùn)行，也不會影響其他處理模塊的工作，同時，處理模塊1通過實(shí)時狀態(tài)查詢，也不會再往其發(fā)送數(shù)據(jù)，從而也不影響整個雷達(dá)的工作，從而大幅提高了信息處理分系統(tǒng)和整個雷達(dá)的穩(wěn)定性與可靠性。而且處理模塊1向后分發(fā)數(shù)據(jù)是依據(jù)處理模塊2到處理模塊6的模塊溫度、存儲空間、CPU及內(nèi)存使用率等實(shí)時動態(tài)狀態(tài)，根據(jù)需要分配計算資源，不會出現(xiàn)有的處理模塊長時間處理高運(yùn)算量的大數(shù)據(jù)，有的處理模塊只處理小數(shù)據(jù)甚至不處理，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用。

3 雜波圖算法優(yōu)化設(shè)計

在并行處理架構(gòu)中，圖1中所示的大部分信息處理算法都與串行處理架構(gòu)中的一致，但是需要注意的是，雜波圖這一處理算法比較特殊，需要統(tǒng)計一段時間內(nèi)的雜波背景分布。而在并行處理架構(gòu)下，中間各塊處理模塊是獨(dú)立工作的，互不影響，如果每塊處理模塊只統(tǒng)計自己所處理的雜波背景分布，那么勢必會造成統(tǒng)計上的遺漏，從而對雜波中目標(biāo)探測能力有所影響，所以必須要對雜波圖的算法進(jìn)行一定的優(yōu)化處理。

地物雜波主要是來自起伏的地面、樹林、高大的建筑物和氣象云雨所造成的后向散射，現(xiàn)代軍用飛機(jī)等空中目標(biāo)朝著小雷達(dá)截面積隱身方向發(fā)展，對于提高目標(biāo)探測能力特別是雜波中目標(biāo)探測能力非常重要，所以，形成雜波圖是解決問題的關(guān)鍵。

雜波圖是為了統(tǒng)計空間中的雜波背景分布，一般認(rèn)為空間雜波背景是平穩(wěn)的。由于只有搜索方式有固定排布的波束指向和接收波門，這樣才能保證空間中某個探測區(qū)域內(nèi)能有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行雜波圖統(tǒng)計。雜波圖統(tǒng)計對空間探測區(qū)域按波位、方位、距離段進(jìn)行劃分，得到一個個雜波圖單元，對每個雜波圖單元內(nèi)時間維接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代統(tǒng)計，得到雜波背景分布的均值和方差。

雜波圖區(qū)域劃分如圖7所示。

圖7：雜波圖區(qū)域劃分示意圖

雜波圖分為雜波圖更新和雜波圖檢測兩個過程，其中雜波圖更新按照一定的迭代規(guī)則生成雜波圖背景，完成對空間雜波單元的均值、方差進(jìn)行迭代更新，并對當(dāng)前幅度歸一化，雜波圖檢測過程輸出雜波圖檢測信噪比。

根據(jù)雜波圖迭代得到的背景均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ計算幅度歸一化后的結(jié)果，計算公式如下：

其中符號定義如下：

S：輸入信號幅度，單位dB；

t，t：統(tǒng)計時刻

μ(t)：雜波圖背景均值。

σ(t)：雜波圖背景方差

y：雜波圖幅度歸一化輸出。

，b：雜波圖歸一化系數(shù)。

根據(jù)該幅度歸一化公式的計算過程，我們發(fā)現(xiàn)只有穩(wěn)定連續(xù)的輸入數(shù)據(jù)來計算背景均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，才能進(jìn)行雜波圖背景統(tǒng)計和歸一化輸出。因?yàn)椴⑿刑幚砑軜?gòu)中的各塊處理模塊是獨(dú)立工作的，互不影響，所以若想在并行處理架構(gòu)中增加雜波圖處理，就必須做好雜波背景分布的統(tǒng)計工作。

為了解決這一問題，就需要每塊處理模塊在處理時，將計算好的雜波圖背景均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ統(tǒng)一存儲到某一共享內(nèi)存空間中，在雜波更新時再從該共享內(nèi)存中讀取背景均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，從而保證不會因?yàn)椴⑿刑幚矶鴣G失某一時間的雜波圖背景來影響雜波圖的統(tǒng)計和歸一化輸出，繼而影響信息處理分系統(tǒng)的雜波中目標(biāo)探測能力。

4 故障快速定位方法

作為雷達(dá)的核心系統(tǒng)，信息處理機(jī)自身的工作性能及故障診斷能力顯得尤為重要，為了保證雷達(dá)信息處理機(jī)的穩(wěn)定工作，一般在進(jìn)行系統(tǒng)常規(guī)維護(hù)時，要遵守四條準(zhǔn)則：

（1）雷達(dá)系統(tǒng)良好的維護(hù)和保養(yǎng)是使系統(tǒng)充分發(fā)揮性能，降低年維護(hù)費(fèi)用，提高系統(tǒng)可靠性的有效保障。

（2）雷達(dá)的維護(hù)為了將雷達(dá)的故障降低到最低程度，提高雷達(dá)的快速反應(yīng)能力。

（3）雷達(dá)的維護(hù)分為日維護(hù)、周維護(hù)、月維護(hù)、季維護(hù)、年維護(hù)。

（4）雷達(dá)的維護(hù)保養(yǎng)必須嚴(yán)格按說明書規(guī)定的方法和步驟操作進(jìn)行。

在嚴(yán)格的準(zhǔn)則之后，基本的維護(hù)方法主要包含以下四種：

（1）感觸觀察法。

“看”—主要是觀察雷達(dá)各種工作指示燈、故障指示燈及BIT狀態(tài)是否正常。

“聞”—是否發(fā)出特殊的氣味，如焦糊味等。

“聽”— 主要是指雷達(dá)工作期間，是否有“辟叭”的打火聲。

“摸”—主要是察看各連接電纜、緊固件是否松動；插件是否過熱等。

（2）清潔法。利用清潔劑清除分機(jī)內(nèi)部或外部的灰塵及污垢。

（3）緊固法。對雷達(dá)的各種連接電纜、緊固件進(jìn)行檢查加固。

（4）烘干去潮法。采用烘干和通風(fēng)的辦法使雷達(dá)設(shè)備保持干燥，防止潮氣的侵蝕與破壞。

以上各方法中，感觸觀察法是最直觀的方法，對保障人員來說比較容易操作和快速定位排故，從而節(jié)省排故時間以保障雷達(dá)快速恢復(fù)正常工作。所以，我們設(shè)計了一種基于刀片服務(wù)器平臺，利用觀察各處理模塊指示燈狀態(tài)的故障快速定位排除方法，該快速故障定位排除方法基于保障人員熟悉信息處理數(shù)據(jù)流框圖和各個處理模塊正常工作時的面板指示燈狀態(tài)。

為了方便雷達(dá)保障人員對刀片服務(wù)器平臺的故障進(jìn)行快速定位，電源刀片、計算刀片、交換刀片、接口刀片等各個處理模塊的面板指示燈在設(shè)計過程中，都會隨著刀片服務(wù)器平臺的開機(jī)加電和運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流的接收、處理、發(fā)送來不斷閃爍和熄滅，來幫助雷達(dá)保障人員實(shí)時關(guān)注刀片服務(wù)器平臺的運(yùn)行狀態(tài)。典型的刀片服務(wù)器平臺的處理模塊面板指示燈狀態(tài)如圖8所示。

圖8：各個處理模塊面板指示燈狀態(tài)

需要注意的是，當(dāng)信息處理分系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，除了信息處理分系統(tǒng)自身故障外，若前端控制指令不正常、硬件接口或者光纜故障也會導(dǎo)致信息處理分系統(tǒng)死機(jī)或目標(biāo)檢測不正常，故對信息處理分系統(tǒng)進(jìn)行故障分析時，必須首先判斷是上述問題導(dǎo)致的信息處理分系統(tǒng)故障還是信息處理分系統(tǒng)本身發(fā)生故障。

在雷達(dá)工作過程中，當(dāng)確定為信息處理分系統(tǒng)故障時，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行故障檢查、定位和維修：

（1）通過雷達(dá)信息處理BIT和雷達(dá)工作狀態(tài)等判斷信息處理分系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障；

（2）確認(rèn)信息處理分系統(tǒng)的前端工作狀態(tài)是否正常；

（3）刀片服務(wù)器平臺斷電約5秒后加電；

（4）約10秒后觀察各處理模塊的指示燈1和2，亮說明供電正常，一個或者兩個暗，說明供電不正常，需排查供電情況；

（5）約2分鐘后，交換刀片指示燈1、3、5、6、7、8是否常亮，亮，說明交換刀片正常，任何一個不亮，說明交換刀片故障，需更換備件；

（6）觀察所有處理模塊的指示燈3，閃爍說明本處理模塊的操作系統(tǒng)啟動正常，不閃爍，說明本處理模塊運(yùn)行故障，需更換備件；

（7）約3分鐘后，觀察處理模塊1的指示燈5、6、7和8是否同時閃爍，閃爍說明前端輸入正常，不閃爍，說明前端數(shù)據(jù)異常或者處理模塊1的工作不正常，需進(jìn)一步排查前端輸入和處理模塊1的工作狀態(tài)；

（8）觀察處理模塊2到處理模塊6的指示燈5、6、7和8是否同時閃爍，閃爍，說明各處理模塊工作正常，不閃爍，說明相應(yīng)處理模塊工作不正常，需進(jìn)一步排查相應(yīng)處理模塊的工作狀態(tài)；

（9）觀察處理模塊7的指示燈5、6、7和8是否同時閃爍，閃爍，說明處理模塊7工作正常，不閃爍，說明處理模塊7工作不正常，需進(jìn)一步排查處理模塊7的工作狀態(tài)。

刀片服務(wù)器平臺的故障分析流程圖如圖9所示。

圖9：刀片服務(wù)器平臺故障分析流程圖

因?yàn)榈镀?wù)器平臺采用了并行處理架構(gòu)，所以一般情況下，處理模塊2到處理模塊6若出現(xiàn)故障，并不會影響整個信息處理分系統(tǒng)的工作。但是，雷達(dá)保障人員仍要密切關(guān)注雷達(dá)的BIT信息和各處理模塊的指示燈閃爍狀態(tài)，及時更換有問題的故障模塊，避免雷達(dá)“帶病工作”，影響雷達(dá)的使用壽命。

另外，各處理模塊指示燈的閃爍和熄滅，后續(xù)還可以根據(jù)雷達(dá)設(shè)計師和保障人員的實(shí)際需求，不斷優(yōu)化和調(diào)整，從而更好的反應(yīng)刀片服務(wù)器平臺的工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文基于某型采用刀片服務(wù)器平臺的雷達(dá)信息處理機(jī)，首先介紹了其硬件組成和原理框圖，接著相比于傳統(tǒng)的串行處理架構(gòu)，設(shè)計了一種新的并行處理架構(gòu)，并對并行處理架構(gòu)下的雜波圖算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，然后介紹了一種利用處理模塊指示燈狀態(tài)的快速排故方法。

基于刀片服務(wù)器平臺的并行處理架構(gòu)，系統(tǒng)集成度高，系統(tǒng)維護(hù)性、擴(kuò)展性好，支持實(shí)時重構(gòu)，升級方便，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用，并大幅提高信息處理機(jī)和整個雷達(dá)的穩(wěn)定性與可靠性。

在利用處理模塊指示燈狀態(tài)的快速故障排除過程中，維護(hù)維修人員需嚴(yán)格按照說明書規(guī)定的方法和步驟操作，并嚴(yán)格遵守雷達(dá)操作安全規(guī)定。維護(hù)維修人員應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練，熟悉設(shè)備工作原理和技術(shù)參數(shù)，并且不斷深入學(xué)習(xí)相應(yīng)維修方法，保障系統(tǒng)穩(wěn)定高效工作，最后一定能保障雷達(dá)正常工作。

最后，該并行處理架構(gòu)和利用指示燈快速排故的方法也可以推廣到所有采用類似刀片服務(wù)器平臺的產(chǎn)品中去，為類似產(chǎn)品提供了良好的架構(gòu)設(shè)計，故障定位模板和排故經(jīng)驗(yàn)。