主動電掃描陣列(AESA)雷達是當今先進武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，特別是機載作戰(zhàn)系統(tǒng)。而其體系結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展將超越最初的軍事應用，延伸到地球物理測繪、汽車輔助駕駛、自動車輛、工業(yè)機器人和增強現(xiàn)實等領(lǐng)域：實際上，這包括任何需要對大量的傳感器數(shù)據(jù)進行調(diào)理，融合到模型中進行判決的應用。
隨著AESA體系結(jié)構(gòu)的擴展，它們將突破雷達信號處理專業(yè)應用，延伸到其他應用中。在外部應用中，這些設(shè)計會遇到典型的嵌入式設(shè)計流程：以CPU和軟件為中心的，基于C的以及與硬件無關(guān)的。本文中，我們將介紹先進的掃描陣列雷達，從經(jīng)驗豐富的雷達信號處理專家的角度以及傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員的角度來研究其體系結(jié)構(gòu)。
典型系統(tǒng)的角色
掃描陣列和傳統(tǒng)移動盤式雷達的不同在于天線。掃描陣列并沒有采用熟悉的連續(xù)旋轉(zhuǎn)拋物線天線，而是在大部分系統(tǒng)中采用了平面靜止天線。陣列并不是有一個單元聚焦在反射器上，而是有數(shù)百上千個單元，每個單元都有自己的收發(fā)器模塊。系統(tǒng)電子電路處理每一單元信號的振幅和相位，形成雷達波束和接收方向圖并聚焦，設(shè)置定義總天線方向圖的干涉方向圖。
這一方法避免了采用大量的移動部件，支持雷達實現(xiàn)傳統(tǒng)天線采用物理方法無法獲得的功能，例如，瞬時改變波束方向，發(fā)送和接收同時有多個天線方向圖，或者把陣列分成多個天線陣，完成多項功能——也就是，根據(jù)地形搜索目標，同時跟蹤目標。這些方法只需要在發(fā)送器增加一些信號，在每一接收器將信號分開。重疊是一種很好的方法。
一個完整的系統(tǒng)從CPU簇傳輸?shù)教炀€，然后再返回(圖1 )。一開始處理時，軟件控制的波形發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)要發(fā)送的啁啾。取決于應用，降噪、多普勒處理和隱身的需求會對信號有所損傷。
圖1 .一個非常簡化的AESA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
波形發(fā)生器將信號送到聚束網(wǎng)絡(luò)中。在這里，信號被連接至每一發(fā)送通道。在這一級，數(shù)字復用器在通道上應用振幅權(quán)重來實現(xiàn)空間濾波，對波形整形。這一步也可以稍后再做。在很多設(shè)計中，每一通道的信號現(xiàn)在會通過一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，然后輸入到模擬IF和RF上變頻器中。RF上變頻后，信號到達獨立的發(fā)送器模塊，附加上相移或者時延，調(diào)整振幅(如果在基帶沒有做)，最終進行濾波和放大。
一開始，接收到的信號實際上通過與反方向相同的通路，在后端要進行更多的處理。在每一個天線單元，限幅器和帶通濾波器保護了低噪聲放大器。放大器驅(qū)動RF下變頻器，可以結(jié)合模擬放大和調(diào)相功能。信號從IF級傳輸?shù)交鶐?，每一天線單元的信號到達其模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。然后，聚束模塊把天線信號重新組合成一路或者多路復數(shù)數(shù)據(jù)采樣流，每一數(shù)據(jù)流代表了來自某一接收波束的信號。這些信號流通過大占空比的數(shù)字信號處理(DSP)電路，進一步調(diào)理數(shù)據(jù)，進行多普勒處理，嘗試從噪聲中提取出實際信號。
什么時候進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
在很多設(shè)計中，大部分信號處理工作是以模擬方式完成的。但是，隨著數(shù)字速度的提高，功耗和成本的降低，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與天線靠的越來越近。Altera應用專家Colman Cheung建議了一個理想的系統(tǒng)，直接從DAC驅(qū)動天線單元。但是，2013年，這類設(shè)計在技術(shù)上還無法實現(xiàn)，特別是，trans-GHz RF.
目前可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器放在IF中，進行IF頻率轉(zhuǎn)換，所有基帶處理工作都是數(shù)字化的(圖2)?？梢栽诨鶐Ь凼W(wǎng)絡(luò)中，以數(shù)字方式在天線單元之間產(chǎn)生干涉方向圖的時延，每一個天線單元并不需要模擬相移器或者延時線。這種劃分方法支持DSP設(shè)計人員把發(fā)送和接收通路分解成分立的功能——乘法器、濾波器、用于延時的FIFO，以及加法器，在MATLAB中對其進行建模，從庫中實現(xiàn)它們?？梢园岩笞羁量痰墓δ芊诺綄ｉT開發(fā)的ASIC、FPGA或者GPU芯片中，而把要求不太高的運算分組成DSP芯片或者加速器中的代碼。
圖2 .把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器放到IF級的最后。[!--empirenews.page--]
需要特別注意信號從聚束網(wǎng)絡(luò)出來后的接收鏈信號處理，這是因為其存儲器和處理需求會非常大，涉及到的動態(tài)范圍非常寬——從干擾發(fā)射器輸入到搜索探測范圍的每一邊沿。會需要高精度浮點硬件，還需要更強的處理能力。
在其最后級，有目的的對接收鏈進行修改并實現(xiàn)。通過其濾波、聚束和脈沖壓縮級，鏈的任務(wù)是從噪聲中提取出信號，特別是那些可能承載了環(huán)境中實際目標信息的信號。然后，重點從信號轉(zhuǎn)向它們所代表的目標，任務(wù)的本質(zhì)發(fā)生了改變。
從信號到目標
脈沖壓縮是這一抽象過程的開始。在時間域或者頻域，脈沖壓縮器一般通過自相關(guān)找到有可能含有發(fā)送啁啾的波形。然后，它采用脈沖目標來表示這些波形——含有到達時間、頻率和相位以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。從這里開始，接收鏈會處理這一數(shù)據(jù)包而不是接收到的信號。
下一步一般是多普勒處理。首先，脈沖被送入方格陣列中(圖3 )。在陣列中，每一列含有從某一發(fā)射器啁啾返回的脈沖。陣列中會有很多列，這取決于系統(tǒng)能夠承受多大的延時。陣列中的行表示返回切換時間：距離陣列的x軸越遠，發(fā)射器啁啾和接收脈沖到達時間之間的延時就越大。這樣，延時方格也代表了與某一脈沖反射的目標的距離。
圖3 .多普勒處理方格。
把一系列啁啾脈沖置入到正確的方格中后，多普勒處理程序水平移動數(shù)據(jù)——觀察從一個目標返回的脈沖隨時間的變化，提取出相對速度和目標頭部信息。這一處理方法需要很大的環(huán)形緩沖，無論某一多普勒算法一次能夠處理多少方格，緩沖都能夠容納所有的方格。
先進系統(tǒng)在陣列中增加了另一個維度。通過把天線劃分成子陣列，系統(tǒng)可以同時發(fā)送多個波束，然后，使用相同的多旁瓣天線方向圖設(shè)置接收器進行監(jiān)聽?；蛘?，系統(tǒng)通過聚束或者使用合成孔徑方法來掃描波束?，F(xiàn)在，當裝入壓縮后的脈沖時，系統(tǒng)建立一個三維方格陣列：一個軸上是發(fā)送脈沖，第二個是返回延時，第三個是波束方位(圖4 )?，F(xiàn)在，對于每一路脈沖，我們有兩維或者三維方格陣列，同時表示距離和方向——表示物理空間。這種存儲器的排列是空時自適應處理(STAP)的起點。
圖4 .多維方格為STAP建立矩陣。[!--empirenews.page--]
這一術(shù)語可以解釋為：“空時”，數(shù)據(jù)組在3D空間統(tǒng)一了目標的位置，含有與目標相關(guān)的啁啾時間。之所以是“自適應”，是因為算法從數(shù)據(jù)中獲得自適應濾波。
概念上，實際情況也是如此，構(gòu)成自適應濾波器是一個矩陣求逆過程：這一數(shù)據(jù)要與哪一矩陣相乘，得到噪聲中隱藏的結(jié)果?據(jù)Altera資深技術(shù)營銷經(jīng)理Michael Parker，推測的隱藏方向圖信息可能來自多普勒處理過程發(fā)現(xiàn)的種子，從其他傳感器采集的數(shù)據(jù)，或者來自智能數(shù)據(jù)。運行在CPU下游的算法把假設(shè)的方向圖插入到矩陣方程中，解出能夠產(chǎn)生預期數(shù)據(jù)的濾波函數(shù)。
很顯然，在這一點，計算負載非常大。反變換算法需要的動態(tài)范圍要求進行浮點計算。對于戰(zhàn)斗環(huán)境中一個實際的中等規(guī)模系統(tǒng)，必須實時進行處理，Parker估算了STAP負載會達到幾個TFLOPS.在采用了低分辨率、窄動態(tài)范圍的系統(tǒng)中，實時性要求并不高，例如，簡單的汽車輔助駕駛系統(tǒng)或者合成孔徑映射系統(tǒng)等，這一負載會顯著減小。
從STAP，信息進入到通用CPU中，復雜但是數(shù)字計算量小，軟件嘗試對目標進行分類，構(gòu)建環(huán)境模型，估算威脅所在，或者告訴操作員，或者直接采取緊急措施。在這一點，我們不但在信號處理域處理信號，而且還進入了人工智能領(lǐng)域。
兩種體系結(jié)構(gòu)
從一名經(jīng)驗豐富的雷達系統(tǒng)設(shè)計師的角度看，我們還只是膚淺的了解了AESA戰(zhàn)斗雷達。這一參考方法把網(wǎng)絡(luò)看成是相對靜態(tài)的DSP鏈，都連接至STA模塊，其本身是軟件受控的矩陣算術(shù)單元。除此之外，從DSP專家的角度看，是一組CPU內(nèi)核。
作為對比，汽車或者機器人系統(tǒng)設(shè)計人員會從完全不同的角度看系統(tǒng)。從嵌入式設(shè)計人員的角度看，系統(tǒng)只是一大段軟件，有一些非常專用的I/O器件，以及需要進行加速的某些任務(wù)。有經(jīng)驗的雷達信號工程師考慮到信號處理和通用硬件的相對規(guī)模，可能會對這一方法不屑一顧。很顯然，機載多功能雷達的數(shù)據(jù)速率、靈活性和動態(tài)范圍要求采用專用DSP流水線以及大量的本地緩沖才能完成實時處理。但是對于有幾個天線單元的不同應用，簡單的環(huán)境、更短的距離和較低的分辨率，以CPU為中心的觀點帶來了一些有意思的問題。
萊斯大學的Gene Frantz教授提出的第一個問題是，定義真實環(huán)境的I/O.第二個問題是選擇CPU.Frantz注意到，“很少只有一個CPU.更常見的是異構(gòu)多處理系統(tǒng)。”Frantz建議這一方法不從MATLAB中的DSP函數(shù)開始，而是從C語言中描述的完整系統(tǒng)開始。然后，以CPU為中心的設(shè)計人員不是定義設(shè)計中DSP和CPU域之間的硬件邊界，而是“不斷優(yōu)化并加速C代碼。”
實際結(jié)果可能與以DSP為中心的方法完全不同。例如，以CPU為中心的方法一開始假設(shè)在一片通用CPU上執(zhí)行所有工作。如果速度不夠快，這一方法轉(zhuǎn)向多片CPU，共享一個分層的連續(xù)存儲器。只有當多核不足以完成任務(wù)時，這一方法才轉(zhuǎn)向優(yōu)化的硬件加速器。
相似的，以CPU為中心的設(shè)計從假設(shè)一個統(tǒng)一的存儲器開始。它為每一個處理器分配連續(xù)高速緩存，為加速器分配本地工作存儲器。它開始時并不假設(shè)任何硬件流水線，也不把任務(wù)混合映射到硬件資源上。
在要求最嚴格的應用中，同一個系統(tǒng)設(shè)計可能會同時采用兩種體系結(jié)構(gòu)方法。幾乎每一任務(wù)嚴格的帶寬和計算需求都導致采用專用硬件流水線和存儲器例化。要求大幅度降低功耗可能會迫使做出采用高精度數(shù)字方法的決定，這使得在任務(wù)之間共享硬件變得越來越復雜。
精度是Frantz強調(diào)的一點。他指出，“把有效位數(shù)減少一半使您能夠?qū)⑿阅芴岣咭粋€量級。”為降低功耗，您可以對以上這些做出犧牲或者部分犧牲。
Frantz指出了關(guān)于模擬/數(shù)字邊界的問題。他說：“我們需要重新考慮模擬信號處理。三十年以前，我們開始告訴系統(tǒng)設(shè)計人員只要做好數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就行，我們采用數(shù)字方法完成其他所有工作。但是實際上，在8位分辨率，模擬和數(shù)字方法大概是相同的。模擬是不是更好一些?這取決于在您的系統(tǒng)中，‘更好'的含義是什么。”
地球物理測繪或者自動陸地車輛系統(tǒng)使用的合成孔徑雷達等窄帶系統(tǒng)會采用與戰(zhàn)斗雷達完全不同的體系結(jié)構(gòu)。它可以使用模擬濾波器、上變頻器/下變頻器以及聚束功能來完成一個寬帶存儲器系統(tǒng)的所有后續(xù)處理工作，還使用具有浮點加速器和動態(tài)負載均衡功能的多個異構(gòu)處理器(圖5 )。
圖5.一個理想的低性能AESA系統(tǒng)。
對信號處理任務(wù)進行可視化處理，使其在軟件中完成，系統(tǒng)設(shè)計人員獲得了新的運行時選擇，例如在任務(wù)之間移動處理資源，關(guān)斷不需要的處理器，盡早修改算法，以便響應數(shù)據(jù)碼型，或者運行多種算法，查看哪一種能夠得出最佳結(jié)果。
AESA雷達系統(tǒng)不但為研究實現(xiàn)策略提供了豐富的環(huán)境，而且還提供了方法來研究有大量信號的系統(tǒng)。這些有源陣列分布在軍事等多種設(shè)計應用中，所以，不應該局限在傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計思路中。因此，對于完全不同的需要大量信號的領(lǐng)域要有新思路，這包括信號智能和網(wǎng)絡(luò)安全等應用。這是值得注意的領(lǐng)域。
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