摘 要：传统的雷达信号和数据处理程序在设计和开发过程中，存在复用性及可扩展性差、软硬件耦合的问题。本文提出了一种软件可定义的雷达信号和数据处理程序组件化设计方法，基于软件可定义可视化软硬件解耦底座架构，实现了雷达信号和数据处理程序功能组件的可视化模块化集成。仿真实验和外场试验表明，组件化设计的软件可定义雷达信号和数据处理程序功能正确、运行高效，具备开放式架构和软硬件解耦能力，能够满足多层次雷达后端处理需求，可为各型雷达系统的软件可定义后端处理程序的研发工作提供具有开放性的高效解决方案。

　　关键词：组件化；可视化集成；软件可定义；软硬件解耦

　　在现代雷达技术快速发展、电磁环境日趋复杂的背景下，雷达信号与数据处理系统的灵活性和可扩展性成为提升雷达探测能力的关键之一。传统信号处理系统受限于软硬件一体化设计的框架，在复用性和可扩展性等方面存在显著瓶颈。现有的雷达信号与数据处理系统往往采用传统定制化架构设计开发，导致各功能组成部分耦合性强、软硬件绑定，难以快速适配新型雷达体制的信号与数据处理需求。

　　针对传统雷达信号与数据系统的不足和系统实时运行的需求，本文提出了一种软件可定义[1-4]的雷达信号和数据处理程序组件化设计方法，基于可视化软硬件解耦底座，实现了雷达信号与数据处理等组件的可视化模块化集成。其中，可视化增强了系统的易用性，组件化设计保证了系统的可扩展性，软硬件解耦的架构赋予了组件在不同计算硬件上的复用性。仿真实验和外场试验结果验证了系统功能的正确性，以及在实际应用场景中的实时性。

一、系统组成

　　为满足雷达信号与数据处理系统对灵活性的需求，系统包括软件可定义可视化软硬件解耦底座层、雷达信号与数据处理组件库，以及在该基础上开发的雷达信号与数据处理软件。其中，所有组件库采用C++语言开发，可满足实时性要求。

　　可视化软硬件解耦底座主要分为软件可定义可视化开发平台和中间件。其中，软件可定义可视化开发平台保证了系统的易用性；中间件技术基于分层体系架构，提供了软硬件解耦能力，为构建具备高内聚低耦合特性的系统框架提供了基础。通过对各层次间功能接口进行标准化定义，有效隔离了底层软硬件差异与软件实现细节，为上层应用提了供统一、稳定的服务接口。

　　通过中间件，可对底层硬件资源与基础软件功能实施屏蔽与封装，使得雷达信号与数据处理组件可在x86架构、ARM架构等不同硬件和Ubuntu、银河麒麟等操作系统上具有复用性。

二、可视化软硬件解耦底座

　　可视化软硬件解耦底座由中间件和软件可定义可视化开发平台组成。

　　中间件是组件化设计雷达信号与数据处理系统的核心软件模块，为组件间功能解耦、组件和硬件平台解耦提供了技术基础。

　　软件可定义可视化开发平台是组件开发的基础，并可支持组件可视化集成为雷达信号和数据处理软件。可视化和组件化的开发模式增强了系统的易用性，使得组件能够快速组装，从而可快速响应各种新型雷达体制的信号与数据处理需求。

　　（一）软件可定义可视化开发平台

　　软件可定义可视化开发平台由以下功能模块组成：

　　图形化建模工具：辅助设计，实现雷达信号与数据处理组件的建模与描述；

　　组件开发模块：辅助开发具有通用化、标准化接口的雷达信号与数据处理组件，以提高组件复用性和可移植性；

　　自动代码生成工具：将标准的雷达建模描述语言自动转化为相应硬件平台的源程序，保证了代码生成的高效性和正确性；

　　编译/加载工具：将源程序编译成相应硬件平台上的可执行程序，并支持部署运行。

　　（二）中间件

　　根据雷达信号与数据处理程序的特点，中间件包括任务调度中间件、通信中间件、计算中间件。

　　1.任务调度中间件

　　任务调度中间件从雷达信号与数据处理程序的特点出发，采用数据流驱动运行模式，为各个算法组件以及通信任务分配存储资源、计算资源等。

　　任务调度中间件基于C++语言开发，通过细粒度资源分配引擎与多线程并行调度框架，为算法组件与通信任务提供快速响应的资源调度服务。具体功能包括：提供任务创建/执行/挂起/休眠/唤醒/终止/状态检测/锁定解锁等功能，支持组件级并行运行模式。

　　2.通信中间件

　　在组件化设计的雷达信号与数据处理系统中，硬件处理器之间通过40G以太网、万兆以太网、千兆网、PCIE等多种标准总线进行互联。为了在各个处理设备之间实现高密度数据交互，使用了一种能够屏蔽底层软硬件细节，且同时支持多种不同数据交互协议的通信中间件。

　　通信中间件的软件框架采用层次化结构设计，即在最顶层采用了一种精简的通信瘦层设计，向下可支持DDS、ZeroMQ等不同类型的通信中间件，可支持的通信方式包括TCP/UDP/DPDK/RapidIO等。

　　3.计算中间件

　　计算中间件以算法接口的形式，向组件提供各类算法的函数实现，这些算法接口隐藏了实现细节，接口形式与平台无关。

　　计算中间件在本研究中适配的平台主要指x86架构和ARM架构平台，目前主要采用BLAS接口及FFTW接口，也可支持VSIPL、MKL、ITPP等计算接口。

三、雷达信号与数据组件库构成

　　基于组件接口要求，构建了雷达信号与数据处理组件库，包括：

　　（1）旁瓣对消组件；

　　（2）脉冲压缩组件；

　　（3）运动目标检测组件；

　　（4）运动目标指示组件；

　　（5）恒虚警检测组件；

　　（6）测角组件；

　　（7）点迹凝聚组件；

　　（8）航迹跟踪组件。

　　上述几类组件可集成为雷达信号与数据处理应用程序。通过构建不同类型的处理任务流程和配置不同的参数，可实现不同波段相控阵雷达的信号级回波模拟和完整的信号、信息处理任务。一个典型的工作模式如图1所示，其中连线代表组件间的通信关系，在同一设备内的通信采用高效的内存传递形式实现，在不同设备之间的通信则利用通信中间件来实现。组件内部调用了计算中间件，可支持组件模块在不同硬件平台上的移植。

四、实验验证

　　仿真实验和外场试验验证了软件可定义雷达信号与数据处理程序的功能正确性、软硬件解耦能力，以及系统运行的实时性。

　　（一）仿真实验

　　仿真实验中，雷达回波数据通过仿真程序产生，雷达仿真参数见表1。基于通信中间件，雷达信号与数据处理组件在设备之间通过40G网络和千兆网通信。



　　雷达信号与数据处理程序分别在ARM架构（银河麒麟操作系统）、X86架构（Ubuntu操作系统）平台（见表2）进行了正确性验证，从而证明了系统的软硬件解耦能力。





　　以运动目标检测组件为例，图2为运动目标检测组件在两种架构平台处理的结果波形图。由图2可知，运动目标检测组件等雷达信号与数据处理功能正确。



　　（二）外场试验

　　为了进一步验证系统，结合某海军岸基雷达，开展了外场试验，验证了系统功能的正确性和实时性。

　　在外场试验中，组件化设计和开发的雷达信号与数据处理程序部署在实际雷达信号处理机上，从实际雷达接收控制命令，接收A/D后的实际雷达回波数据进行处理，最终在雷达显控台上对处理结果进行显示和分析。

　　图3展示了雷达信号与数据处理程序处理生成的点迹和航迹信号。

　　其中，实际雷达信号处理机部署的组件化设计和开发的雷达信号与数据处理程序可按照实际雷达的控制命令和时序正常运行，并在显控终端显示结果，证明系统具有较好的实时性。



五、结语

　　在现代雷达技术不断革新与电磁环境日趋复杂的迫切形势下，传统雷达信号与数据处理系统，难以高灵活性地探测需求。本文提出的软件可定义的雷达信号和数据处理程序组件化设计方法，基于软件可定义可视化软硬件解耦底座组件架构，实现了雷达信号与数据处理组件的可视化模块化集成，有效解决了传统系统中组件复用性差、硬件升级困难等问题。

　　本系统通过创新的可视化组件化设计，突破了传统一体化架构的束缚，增强了雷达信号与数据处理程序的功能可扩展性，实现了软硬件解耦。这使得系统能够快速响应新型雷达体制的功能需求，大幅提升了系统的功能可扩展性；并且可快速适配到新的计算硬件，规避了传统雷达系统因软硬件耦合产生的组件复用性差、硬件升级困难等问题。同时，可视化的操作方式增强了系统的易用性。仿真实验和外场试验结果充分验证了该系统功能的正确性，以及在实际应用场景中的实时性。

　　本系统的研发成果，为雷达信号与数据处理程序的构建提供了一种创新型解决方案。未来，随着技术的不断进步，本系统有望在火控雷达、坦克防护雷达等领域得到应用和拓展，进一步推动软件可定义雷达系统的发展与升级，助力提升雷达在复杂探测环境下的实战能力。

参考文献

　　[1] 汤俊，岑宗骏. 软件可定义系统资源集成技术研究[J].现代雷达，2023，45（06）.

　　[2] 汤俊，岑宗骏. 软件可定义技术发展思考与展望[J].信号处理，2022，38（10）：1999-2008.

　　[3] 汤俊，吴洪，魏鲲鹏.“软件可定义”技术研究[J].雷达学报，2015，4（4）：481-489.

　　[4] 沈齐，吴洪. 软件可定义技术体制分析[J].信号处理，2024，40（1）：73-81.

　　（作者简介：张丹丹，北京紫玉伟业电子科技有限公司工程师，博士，研究方向为雷达信息处理；杨振，南京长江电子信息产业集团有限公司高工，在读博士，研究方向为雷达工程；宋朋，清华大学工程师，硕士，研究方向为雷达工程）