雷达组网应用的体系结构研究

王文星，印士波，张 帜，徐 畅

(中国船舶工业系统工程研究院， 北京100094)

0 引言

随着科学技术的发展，综合船桥系统的应用领域越来越广，雷达作为综合船桥系统的核心设备，也发挥着越来越重要的作用。现代雷达面临的航行环境越来越复杂，面对的威胁也越来越多，单部雷达的探测范围和探测能力都不足以应对当今复杂航行环境。同时，由于雷达安装环境的限制，单部雷达往往存在探测盲区，导致盲区内的态势无法观测，盲区内的目标也无法有效地进行跟踪，为船舶航行过程埋下了安全隐患，因而一般船舶往往安装有多部雷达［1］。雷达组网能够很好地克服这些问题，将多部雷达组成互联互通的网络，通过将多个数据源的数据进行无缝融合，构成全方位、全天候、立体化、层次化的探测体系，具有多频段、多精度、多重叠系数的探测性能。通过信息共享和数据融合［2］，大大提高了多部雷达的使用效能，实现了1+1＞2的综合效能的提升。

因此，设计实现一个具有可靠性能优异、扩展性和灵活性良好的雷达体系架构，对雷达组网具有重要意义。本文设计了一套雷达体系架构，可对雷达天线收发机和雷达终端进行选型和配置，实现信息共享和数据融合，实现雷达大系统的构建和综合效能的提升。

1 关键技术及发展现状

本节介绍雷达组网的发展状况和关键技术，世界著名品牌的导航雷达产品的体系架构。

1.1 雷达组网技术

雷达组网大体可分为三种形式:

(1)单基雷达组网，网中各部雷达都是单基工作体制，由于将各自相互独立的雷达通过组网而使其整个系统构成有机整体;

(2)双(多)基雷达组网，其组网的各部雷达是双(多)雷达体制，即对同一个发射机部署了分离的接收机的雷达组网;

(3)混合网，是收发异地和单基混合组网。

雷达组网技术考虑将不同波段、不同体制、不同程式的雷达，按照一定的要求进行合理部署。雷达组网时主要满足以下原则［3］:安全性原则、全频段雷达组网、补盲组网、“四抗”能力组网、雷达网重叠系数、效能费用。

雷达组网的关键技术有时间同步技术、精确标定站位和标校技术、数据融合技术、通信传输技术［4］。

1.2 国内外产品现状

随着雷达技术的发展，雷达在船用导航设备中占有越来越重要的地位。雷达终端的通用计算机逐步取代电子元器件，具有了强大的信号处理能力和数据分析能力，向着通用化、低成本、高效率的方向发展。同时，雷达天线的探测性能也有了很大的提升。通过将多部天线与多部终端进行组网，能够获得更好的使用性能。目前，主流的雷达组网应用的体系架构有三种:模拟视频信号切换+总线控制切换组网，如Sperry雷达与凯文休斯(KH)雷达;专用视频数据总线组网，如雷松SeaTalk总线;基于以太网的雷达数字视频组网。

图1是凯文休斯雷达体系架构，采用天线收发机-终端两单元的结构，整个系统设置有X波段和S波段两部雷达前端，视频信号经过RDU的处理进入IS交换机当中，经过IS交换机的配置转发至相应的雷达终端软件中进行处理和显示。

图1 凯文休斯(KH)导航雷达部署方案

图2是Sperry雷达的体系架构，整体采用天线-收发机-终端三单元的结构，采用模拟视频信号切换外加总线控制切换的方式组网，视频信号直接进入切换开关，经过IS交换机和视频总线转发至相应的雷达终端。

图2 Sperry雷达体系架构

采用视频信号切换+总线控制切换的方式组网，易于使用，具有良好的稳定性和可扩展性，用户能够通过更换IS交换机来扩展天线与终端。

图3是雷声公司SeaTalk总线结构图，所有的设备通过特定的转接设备与主干网电缆进行连接，主干网电缆同时传输数据和给设备供电;若与SeaTalk(1)、NMEA2000设备通信时，通过相应的适配器电缆进行转接。通过SeaTalk总线连接，能够大大降低系统布线的复杂度，提高系统稳定性，能够将满足SeaTalk协议的设备直接接入系统，具有良好的扩展性。

图3 雷声公司SeaTalkng总线结构

然而，作为传统的雷达产品，上述两种体系架构存在共性的问题:(1)无法与上级系统或其他子系统进行充分的信息共享;(2)通信接口往往在系统设计时已经定型，系统改造和升级难度大;(3)同时由于垄断的存在，系统成本、更换零部件的时间成本和经济成本很高。

2 基于网络的雷达体系架构

国内研发了一套基于现代工程设计理念的雷达系统，该系统利用网络技术以及模块化设计思想，能够灵活配置雷达前端和终端软件，达到扩展功能、降低成本的目标。

2.1 转换-转发-交换机(Convert-Distribution-Switch，CDS)架构

该雷达采用CDS机制:通过雷达转换单元将前端数据转化为统一的数据格式;雷达处理单元主要完成视频采集功能，将模拟电路信号转化为数字网络信号，转发至以太网交换机;交换机将数据转发至各个终端，雷达终端采用标准化控制台，安装标准化终端软件，接收数据并进行处理和分析，如图4所示。

1)天线可扩展性

采用自主研发的雷达转换单元，能够连接不同的雷达天线。该转换单元可以处理Sperry雷达、凯歌雷达等天线数据。

图4 CDS雷达体系架构

雷达处理单元进行视频采集和分发，发送至网络共享雷达天线数据，弱化了天线和终端的关系，能够无限扩展雷达天线和终端。

2)终端可扩展性

雷达处理单元与雷达终端之间采用网络交换机进行连接，大大简化了安装过程，降低了硬件成本和安装难度，提高了扩展性。

雷达终端的数量能够任意扩展，在以太网中为雷达天线和终端分配IP地址，能够实现终端-天线的控制权切换与主从控制。

3)系统可扩展性

在当前架构下，交换机转发的数据可以经过路由，与岸基或者其他舰载雷达系统进行联接，可以扩大系统时域、频域、空域的覆盖能力，发挥各雷达的优越性，实现信息共享，有效提高发现目标的速度，降低虚警、漏警，明显增强雷达的生存能力。

2.2 雷达转换单元设计

雷达转换板用于接收Sperry雷达前端传送而来的船首、脉冲、触发、视频信号，将其信号进行幅值转换送入雷达处理单元处理之后通过网络端送入雷达显控软件端进行显示。同时，显控软件将用户的操作指令通过网络端送回雷达处理单元，由雷达处理单元将指令经过处理之后经过雷达转换板发送给雷达前端进行调谐、脉冲选择、发射等待功能的操作，如图5所示。

2.3 控制权切换与主从控制模块设计

通过以太网交换机的转发，CDS架构下取消了控制切换开关，该功能由终端软件完成，由软件提供相应模块来完成控制权切换和主从控制。

与控制切换开关相比，软件模块更灵活、更具有扩展性和适应性，通过简单的配置IP地址等参数来增加或减少天线或终端，建立终端和天线的对应关系。如图6所示(图中实线为物理连接，虚线为逻辑关系)。

图5 雷达转换板设计

图6 天线控制权切换与主从控制示意图

以下是控制权切换与主从模块的设计原则:

(1)处于发射状态的天线必须受控，处于待机状态的天线可以不受控;

(2)先获取控制权的终端为主机;

(3)系统启动时，根据配置文件初始化默认的主机和从机关系;

(4)同一部天线的多个终端之间的主从关系通过“申请-确认/拒绝”的方式进行切换;

(5)当一部天线有多个终端对其进行控制时，终端可以随意切换到别的天线。如果终端切换影响到被切换天线所有终端的主从关系时，根据切换至本天线的时间次序来确定主从关系;

(6)处于发射状态的天线只有切换为待机状态，才能被切换至不受控状态。

2.4 雷达数据量测算及视频压缩技术

CDS架构使用网络交换机来共享雷达视频数据，在网络传输的数据量会受到交换机容量的限制，局域网内部署的雷达天线的数量也会受到相应的限制。

令雷达视频周期β/s，方位脉冲的频率α/(°)，视频线长度γ/Byte，那么单部天线由雷达处理单元发送至交换机的带宽要求

式中:ε单位为bit/s。当前主流雷达每个周期内视频线的数量位于2 048～4 096之间，本文使用的视频采集卡的方位脉冲的频率为1°，经过采集卡采集处理之后，以0.1°的宽度发送至网络，标准雷达视频周期为2.5 s，视频线长度为1 514 Byte，那么有

对于百兆带宽的交换机，同一网段内最多部署5部天线，对于千兆网交换机，同一网段内理论上能部署57部雷达。

当雷达运行在本地时，通过配置交换机，能够比较容易提供足够的带宽;当雷达需要与广域网相连接时，带宽往往成为组网的瓶颈。考虑到雷达原始视频序列具有强空间相关性和强时间相关性，充分利用雷达图像内在相关性，利用图像数据压缩编码的方法减少图像的冗余度，实现雷达图像信号的压缩与存储，大大降低雷达远程传输和组网的成本。

当前国内使用的VTS系统，雷达站与VTS中心的带宽只需要2 Mbit/s就能够达到很好的传输效果。

3 基于CDS架构的扩展功能

CDS架构下，多传感器数据在共用的网络信道中传输，充分地利用多种数据源能够实现更丰富和强大的功能。

3.1 多雷达视频显示技术

随着LED屏幕技术的发展，主流的雷达产品多数使用1 920×1 200分辨率的显示器，通过合理的设计，能够将更多的信息显示在屏幕当中，提高了信息获取效率。

在雷达终端软件中开发多雷达监视视频模块，在软件界面中增加分显区域，使得每一部雷达能够同时接收、显示多部天线视频数据，如图7所示。

图7 多视频显示技术

3.2 信息融合

信息融合是雷达组网的重要应用，信息融合包含视频信息融合(补盲)与目标信息融合。

通过合并多路雷达视频数据，能够弥补由于安装环境限制导致的雷达盲区现象。补盲原理如图8所示。

图8 补盲、视频信息融合示意图

目标信息融合通过对目标分析，能够提供更全面的航行态势和对目标更高的跟踪精度。

目标融合技术，是指将多部雷达在同一时间探测到的同一目标的点迹合并起来，把多个探测数据压缩成一个数据。这种方法适合于天线同步扫描雷达，如一、二次雷达数据的综合;而对于非同步采样的多雷达系统则可以采用时间校准和目标状态平移的方法，将异步数据变换成同步数据后再进行点迹合并［5］，如图9所示。

图9 点迹融合技术

3.3 信息共享

随着信息化技术和卫星技术的发展，广域网从路基逐步向岸基、海洋覆盖，船载雷达视频数据和目标信息，能够通过卫星、基站进行传输，使得远距离雷达数据共享成为现实。船与船的雷达视频叠加能够帮助单个船舶大大拓展探测范围，船与岸的雷达视频叠加，能够将视频提供给VTS系统进行远程监管，也可以提供给交通、法制部门进行调查取证，大大提高了单部雷达视频数据的使用价值。

4 结束语

本文提出了基于CDS技术的雷达体系架构，雷达组网和配置变得更加高效，雷达部件选型也更加灵活，用户可以选择不同品牌的前端和终端进行适配，以满足对不同的性能指标的要求。

然而，由于部分品牌的天线收发机的数据协议并未公开，因此在选配天线前端时，需要进一步协调接口协议并对雷达转换单元进行适应性改进，增加了沟通协调的难度。

选配不同品牌雷达终端，由于终端软件缺少控制权切换和主从控制模块，因此终端只能接收前端的视频数据，无法进行天线切换或主从切换，一定程度上限制了软件的功能。

［1］ 黄大丰，王志坚，高晓军，等.基于组件技术的雷达组网系统软件设计［J］.信息化研究，2009，35(6):40-43.Huang Dafeng，Wang Zhijian，Gao Xiaojun，et al.Design of radar netting software based on component technology［J］.Information Research，2009，35(6):40-43.

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［4］ 花汉兵.雷达组网的特点及其关键技术研究［J］.通信与信息技术，2007，30(23):33-35.Hua Hanbing.Study on characteristics and critical technologics of radar networking［J］.Communication ＆ Information Technology.2007，30(23):33-35.

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