雷達組網應用的體系結構研究

王文星，印士波，張 幟，徐 暢

(中國船舶工業系統工程研究院， 北京100094)

0 引言

隨著科學技術的發展，綜合船橋系統的應用領域越來越廣，雷達作為綜合船橋系統的核心設備，也發揮著越來越重要的作用。現代雷達面臨的航行環境越來越復雜，面對的威脅也越來越多，單部雷達的探測范圍和探測能力都不足以應對當今復雜航行環境。同時，由于雷達安裝環境的限制，單部雷達往往存在探測盲區，導致盲區內的態勢無法觀測，盲區內的目標也無法有效地進行跟蹤，為船舶航行過程埋下了安全隱患，因而一般船舶往往安裝有多部雷達［1］。雷達組網能夠很好地克服這些問題，將多部雷達組成互聯互通的網絡，通過將多個數據源的數據進行無縫融合，構成全方位、全天候、立體化、層次化的探測體系，具有多頻段、多精度、多重疊系數的探測性能。通過信息共享和數據融合［2］，大大提高了多部雷達的使用效能，實現了1+1＞2的綜合效能的提升。

因此，設計實現一個具有可靠性能優異、擴展性和靈活性良好的雷達體系架構，對雷達組網具有重要意義。本文設計了一套雷達體系架構，可對雷達天線收發機和雷達終端進行選型和配置，實現信息共享和數據融合，實現雷達大系統的構建和綜合效能的提升。

1 關鍵技術及發展現狀

本節介紹雷達組網的發展狀況和關鍵技術，世界著名品牌的導航雷達產品的體系架構。

1.1 雷達組網技術

雷達組網大體可分為三種形式:

(1)單基雷達組網，網中各部雷達都是單基工作體制，由于將各自相互獨立的雷達通過組網而使其整個系統構成有機整體;

(2)雙(多)基雷達組網，其組網的各部雷達是雙(多)雷達體制，即對同一個發射機部署了分離的接收機的雷達組網;

(3)混合網，是收發異地和單基混合組網。

雷達組網技術考慮將不同波段、不同體制、不同程式的雷達，按照一定的要求進行合理部署。雷達組網時主要滿足以下原則［3］:安全性原則、全頻段雷達組網、補盲組網、“四抗”能力組網、雷達網重疊系數、效能費用。

雷達組網的關鍵技術有時間同步技術、精確標定站位和標校技術、數據融合技術、通信傳輸技術［4］。

1.2 國內外產品現狀

隨著雷達技術的發展，雷達在船用導航設備中占有越來越重要的地位。雷達終端的通用計算機逐步取代電子元器件，具有了強大的信號處理能力和數據分析能力，向著通用化、低成本、高效率的方向發展。同時，雷達天線的探測性能也有了很大的提升。通過將多部天線與多部終端進行組網，能夠獲得更好的使用性能。目前，主流的雷達組網應用的體系架構有三種:模擬視頻信號切換+總線控制切換組網，如Sperry雷達與凱文休斯(KH)雷達;專用視頻數據總線組網，如雷松SeaTalk總線;基于以太網的雷達數字視頻組網。

圖1是凱文休斯雷達體系架構，采用天線收發機-終端兩單元的結構，整個系統設置有X波段和S波段兩部雷達前端，視頻信號經過RDU的處理進入IS交換機當中，經過IS交換機的配置轉發至相應的雷達終端軟件中進行處理和顯示。

圖1 凱文休斯(KH)導航雷達部署方案

圖2是Sperry雷達的體系架構，整體采用天線-收發機-終端三單元的結構，采用模擬視頻信號切換外加總線控制切換的方式組網，視頻信號直接進入切換開關，經過IS交換機和視頻總線轉發至相應的雷達終端。

圖2 Sperry雷達體系架構

采用視頻信號切換+總線控制切換的方式組網，易于使用，具有良好的穩定性和可擴展性，用戶能夠通過更換IS交換機來擴展天線與終端。

圖3是雷聲公司SeaTalk總線結構圖，所有的設備通過特定的轉接設備與主干網電纜進行連接，主干網電纜同時傳輸數據和給設備供電;若與SeaTalk(1)、NMEA2000設備通信時，通過相應的適配器電纜進行轉接。通過SeaTalk總線連接，能夠大大降低系統布線的復雜度，提高系統穩定性，能夠將滿足SeaTalk協議的設備直接接入系統，具有良好的擴展性。

圖3 雷聲公司SeaTalkng總線結構

然而，作為傳統的雷達產品，上述兩種體系架構存在共性的問題:(1)無法與上級系統或其他子系統進行充分的信息共享;(2)通信接口往往在系統設計時已經定型，系統改造和升級難度大;(3)同時由于壟斷的存在，系統成本、更換零部件的時間成本和經濟成本很高。

2 基于網絡的雷達體系架構

國內研發了一套基于現代工程設計理念的雷達系統，該系統利用網絡技術以及模塊化設計思想，能夠靈活配置雷達前端和終端軟件，達到擴展功能、降低成本的目標。

2.1 轉換-轉發-交換機(Convert-Distribution-Switch，CDS)架構

該雷達采用CDS機制:通過雷達轉換單元將前端數據轉化為統一的數據格式;雷達處理單元主要完成視頻采集功能，將模擬電路信號轉化為數字網絡信號，轉發至以太網交換機;交換機將數據轉發至各個終端，雷達終端采用標準化控制臺，安裝標準化終端軟件，接收數據并進行處理和分析，如圖4所示。

1)天線可擴展性

采用自主研發的雷達轉換單元，能夠連接不同的雷達天線。該轉換單元可以處理Sperry雷達、凱歌雷達等天線數據。

圖4 CDS雷達體系架構

雷達處理單元進行視頻采集和分發，發送至網絡共享雷達天線數據，弱化了天線和終端的關系，能夠無限擴展雷達天線和終端。

2)終端可擴展性

雷達處理單元與雷達終端之間采用網絡交換機進行連接，大大簡化了安裝過程，降低了硬件成本和安裝難度，提高了擴展性。

雷達終端的數量能夠任意擴展，在以太網中為雷達天線和終端分配IP地址，能夠實現終端-天線的控制權切換與主從控制。

3)系統可擴展性

在當前架構下，交換機轉發的數據可以經過路由，與岸基或者其他艦載雷達系統進行聯接，可以擴大系統時域、頻域、空域的覆蓋能力，發揮各雷達的優越性，實現信息共享，有效提高發現目標的速度，降低虛警、漏警，明顯增強雷達的生存能力。

2.2 雷達轉換單元設計

雷達轉換板用于接收Sperry雷達前端傳送而來的船首、脈沖、觸發、視頻信號，將其信號進行幅值轉換送入雷達處理單元處理之后通過網絡端送入雷達顯控軟件端進行顯示。同時，顯控軟件將用戶的操作指令通過網絡端送回雷達處理單元，由雷達處理單元將指令經過處理之后經過雷達轉換板發送給雷達前端進行調諧、脈沖選擇、發射等待功能的操作，如圖5所示。

2.3 控制權切換與主從控制模塊設計

通過以太網交換機的轉發，CDS架構下取消了控制切換開關，該功能由終端軟件完成，由軟件提供相應模塊來完成控制權切換和主從控制。

與控制切換開關相比，軟件模塊更靈活、更具有擴展性和適應性，通過簡單的配置IP地址等參數來增加或減少天線或終端，建立終端和天線的對應關系。如圖6所示(圖中實線為物理連接，虛線為邏輯關系)。

圖5 雷達轉換板設計

圖6 天線控制權切換與主從控制示意圖

以下是控制權切換與主從模塊的設計原則:

(1)處于發射狀態的天線必須受控，處于待機狀態的天線可以不受控;

(2)先獲取控制權的終端為主機;

(3)系統啟動時，根據配置文件初始化默認的主機和從機關系;

(4)同一部天線的多個終端之間的主從關系通過“申請-確認/拒絕”的方式進行切換;

(5)當一部天線有多個終端對其進行控制時，終端可以隨意切換到別的天線。如果終端切換影響到被切換天線所有終端的主從關系時，根據切換至本天線的時間次序來確定主從關系;

(6)處于發射狀態的天線只有切換為待機狀態，才能被切換至不受控狀態。

2.4 雷達數據量測算及視頻壓縮技術

CDS架構使用網絡交換機來共享雷達視頻數據，在網絡傳輸的數據量會受到交換機容量的限制，局域網內部署的雷達天線的數量也會受到相應的限制。

令雷達視頻周期β/s，方位脈沖的頻率α/(°)，視頻線長度γ/Byte，那么單部天線由雷達處理單元發送至交換機的帶寬要求

式中:ε單位為bit/s。當前主流雷達每個周期內視頻線的數量位于2 048～4 096之間，本文使用的視頻采集卡的方位脈沖的頻率為1°，經過采集卡采集處理之后，以0.1°的寬度發送至網絡，標準雷達視頻周期為2.5 s，視頻線長度為1 514 Byte，那么有

對于百兆帶寬的交換機，同一網段內最多部署5部天線，對于千兆網交換機，同一網段內理論上能部署57部雷達。

當雷達運行在本地時，通過配置交換機，能夠比較容易提供足夠的帶寬;當雷達需要與廣域網相連接時，帶寬往往成為組網的瓶頸。考慮到雷達原始視頻序列具有強空間相關性和強時間相關性，充分利用雷達圖像內在相關性，利用圖像數據壓縮編碼的方法減少圖像的冗余度，實現雷達圖像信號的壓縮與存儲，大大降低雷達遠程傳輸和組網的成本。

當前國內使用的VTS系統，雷達站與VTS中心的帶寬只需要2 Mbit/s就能夠達到很好的傳輸效果。

3 基于CDS架構的擴展功能

CDS架構下，多傳感器數據在共用的網絡信道中傳輸，充分地利用多種數據源能夠實現更豐富和強大的功能。

3.1 多雷達視頻顯示技術

隨著LED屏幕技術的發展，主流的雷達產品多數使用1 920×1 200分辨率的顯示器，通過合理的設計，能夠將更多的信息顯示在屏幕當中，提高了信息獲取效率。

在雷達終端軟件中開發多雷達監視視頻模塊，在軟件界面中增加分顯區域，使得每一部雷達能夠同時接收、顯示多部天線視頻數據，如圖7所示。

圖7 多視頻顯示技術

3.2 信息融合

信息融合是雷達組網的重要應用，信息融合包含視頻信息融合(補盲)與目標信息融合。

通過合并多路雷達視頻數據，能夠彌補由于安裝環境限制導致的雷達盲區現象。補盲原理如圖8所示。

圖8 補盲、視頻信息融合示意圖

目標信息融合通過對目標分析，能夠提供更全面的航行態勢和對目標更高的跟蹤精度。

目標融合技術，是指將多部雷達在同一時間探測到的同一目標的點跡合并起來，把多個探測數據壓縮成一個數據。這種方法適合于天線同步掃描雷達，如一、二次雷達數據的綜合;而對于非同步采樣的多雷達系統則可以采用時間校準和目標狀態平移的方法，將異步數據變換成同步數據后再進行點跡合并［5］，如圖9所示。

圖9 點跡融合技術

3.3 信息共享

隨著信息化技術和衛星技術的發展，廣域網從路基逐步向岸基、海洋覆蓋，船載雷達視頻數據和目標信息，能夠通過衛星、基站進行傳輸，使得遠距離雷達數據共享成為現實。船與船的雷達視頻疊加能夠幫助單個船舶大大拓展探測范圍，船與岸的雷達視頻疊加，能夠將視頻提供給VTS系統進行遠程監管，也可以提供給交通、法制部門進行調查取證，大大提高了單部雷達視頻數據的使用價值。

4 結束語

本文提出了基于CDS技術的雷達體系架構，雷達組網和配置變得更加高效，雷達部件選型也更加靈活，用戶可以選擇不同品牌的前端和終端進行適配，以滿足對不同的性能指標的要求。

然而，由于部分品牌的天線收發機的數據協議并未公開，因此在選配天線前端時，需要進一步協調接口協議并對雷達轉換單元進行適應性改進，增加了溝通協調的難度。

選配不同品牌雷達終端，由于終端軟件缺少控制權切換和主從控制模塊，因此終端只能接收前端的視頻數據，無法進行天線切換或主從切換，一定程度上限制了軟件的功能。

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