CN109270532B - 基于通用服务器平台的软件化二次雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通用服务器平台的软件化二次雷达，包括收发处理分机和数据处理服务器；所述收发处理分机包括：发射机、接收机、数字中频处理模块；所述数据处理服务器包括信号处理单元和数据处理单元；所述数据处理服务器为一台X86架构通用服务器，采用开源的Linux操作系统，数据处理服务器至少具有两个CPU，且每个CPU具有多个内核；数据处理服务器内部安装一块PCIE光纤卡，且数字中频处理模块和数据处理服务器均内置一个或多个光纤接口，二者之间采用高速光纤进行数据传输。本发明提高了雷达整机设备集成度，简化了内部信号接口，降低了整个雷达的成本和维护费用，方便了二次雷达的信号处理算法的研制开发和仿真调式。

Description

基于通用服务器平台的软件化二次雷达

技术领域

本发明涉及空管监视雷达的技术领域，尤其是基于通用服务器平台的软件化二次雷达。

背景技术

目前，国内外厂家的二次雷达一般由天线、转台、发射机、接收机、录取器、航迹处理计算机组成。其中，接收机和录取器采用背板的专用差分总线或者并行数据总线进行数据传输；录取器一般采用FPGA、DSP、嵌入式单板机来实现，二次雷达的信号处理算法需要在PFGA和DSP里处理，所述信号处理算法包括幅相校正、取模、反窄、副瓣抑制、脉冲前沿提取；航迹处理计算机对经信号处理算法处理后的数据进行航迹处理，所述航迹处理计算机一般为嵌入式计算机或工控机，且航迹处理计算机的操作系统采用专用的嵌入式操作系统，如VxWorks系统和QNX系统。

基于目前的二次雷达，主要存在以下问题：

一、数据传输的速率受限于背板总线速率；

二、目前的二次雷达由FPGA、DSP、嵌入式单板机、计算机多个设备组件组成，信号接口和信号种类繁多；

三、由于FPGA、DSP芯片编程的复杂度较高，使得二次雷达的信号处理算法的研制开发、仿真调试的难度增大，特别是受限于芯片内部资源，很难在后期对信号处理算法进行改进和功能升级；

四、由于航迹处理计算机采用的是授权费用高昂的嵌入式操作系统，一方面带来了整机成本的增加，另一方面由于嵌入式操作系统的升级不及时，导致雷达的数据处理单元和硬件无法及时跟新。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供基于通用服务器平台的软件化二次雷达，解决了数据传输速率低、信号接口和信号种类繁多、信号处理算法的研制开发和仿真调试的难度大、信号处理算法的改进和功能升级困难、整机成本高、雷达系统更新不及时的问题，提高了雷达整机设备集成度，简化了内部信号接口，降低了整个雷达的成本和维护费用，方便便了二次雷达的信号处理算法的研制开发和仿真调式。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

基于通用服务器平台的软件化二次雷达，包括收发处理分机和数据处理服务器；其中，

所述收发处理分机包括：发射机、接收机、数字中频处理模块；

所述发射机接收来源于接收机的激励信号，并对激励信号进行处理生成发射信号，将发射信号传输给天线进行发射；

所述接收机一方面接收来源于天线的应答信号，并对应答信号进行变频处理，将变频处理后的应答信号发送至数字中频处理模块；所述接收机另一方面接收来源于数字中频处理模块的询问脉冲信号，并对询问脉冲信号进行处理生成激励信号，将激励信号发送至发射机；

所述数字中频处理模块一方面接收来源于接收机的变频处理后的应答信号，并对变频处理后的应答信号进行处理生成IQ信号，将IQ信号发送至信号处理单元；所述数字中频处理模块另一方面接收来源于询问调度模块的询问时序参数，并对询问时序参数进行处理生成询问脉冲信号，将询问脉冲信号发送至接收机；所述IQ信号为一种正交的基带信号；

所述数据处理服务器包括：信号处理单元、数据处理单元；所述数据处理单元包括：询问调度模块、航迹处理模块；

所述询问调度模块用于产生询问时序参数，将询问时序参数发送至数字中频处理模块；

所述信号处理单元接收来源于数字中频处理模块的IQ信号，对IQ信号进行信号处理生成一个应答报告，将应答报告发送至航迹处理模块；

所述航迹处理模块接收来源于信号处理单元的应答报告，对应答报告中的应答数据进行点迹凝聚处理生成点迹数据，并对点迹数据进行航迹跟踪生成航迹数据。

所述数据处理服务器为一台X86架构通用服务器；所述X86架构通用服务器的硬件为采用X86指令集的CPU，软件平台为Linux或Windows操作系统。

所述数据处理服务器采用开源的Linux操作系统，数据处理服务器中的各个单元及各个模块之间通过Linux共享缓存和编程接口SOCKET进行数据交换。

所述信号处理单元针对多个应答接收时间窗口的IQ信号，创建多个线程以同时对多个应答接收时间窗口的IQ信号进行信号处理；所述信号处理单元还针对同一应答接收时间窗口的多个IQ信号，创建多个线程并行处理同一应答接收时间窗口中的多个IQ信号；所述应答接收时间窗口为接收机接收两个相邻的应答信号之间的时间间隔。

所述信号处理单元对IQ信号进行信号处理，包括：幅相校正、信号特征提取、脉冲处理、应答解码；所述应答解码采用先存储后分析的方式，将一个或多个应答接收时间窗内的IQ信号全部保存下来，根据前后IQ信号的相关性，对IQ信号进行应答解码。

所述数据处理服务器至少具有两个CPU，且每个CPU具有多个内核；其中，信号处理单元运行在一个CPU上，信号处理单元所创建的多个线程分别运行在该CPU的不同的内核上；数据处理单元运行在另一个CPU上，数据处理单元的各个模块分别运行在该另一个CPU的不同内核上。

所述数据处理服务器内部安装一块PCIE光纤卡，且内置一个或多个光纤接口；所述收发处理分机中的数字中频处理模块中内置一个或多个光纤接口；所述数据处理服务器与所述收发处理分机之间采用高速光纤进行数据传输。

所述软件化二次雷达为双通道冗余设计，一个通道失效后可以自动切换到另外一个通道，每个通道中均具有收发处理分机和数据处理服务器，即所述软件化二次雷达的收发处理分机和数据处理服务器均为双套系统，且通过光纤将两个通道的收发处理分机中的数字中频处理模块相连。

所述航迹处理模块通过数据处理服务器的网络接口连接本地显控终端，将点迹数据和航迹数据发送至本地显控终端进行二次雷达的点迹和航迹的显示；所述数据处理单元还包括数据上报模块，所述航迹处理模块按照按照欧标数据格式对点迹数据和航迹数据进行格式转换生成目标数据报文，并通过数据上报模块将目标数据报文上报至民航交通管制系统即自动化系统。

所述软件化二次雷达的工作模式包括A/C模式和S模式；所述数据处理单元还包括S模式数据链处理模块和点名表管理模块；所述S模式数据链处理模块用于在S模式下实现地空通信功能，即实现地面设备和空中设备的数据交换，并用于完成地面数据链处理器接口和本地用户的接口即GDLP/LU接口的实现；用户通过所述点名表管理模块在S模式下将选呼询问的目标加入到一个列表中，若该目标选呼询问失败，则在该列表中删除该目标。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用了批量化生产的X86的架构的通用服务器作为二次雷达的信号处理和航迹处理的平台，提高了雷达整机设备集成度，降低了整个雷达的成本和维护费用。

(2)本发明的数据处理服务器至少具有两个CPU，且每个CPU具有多个内核，方便了二次雷达的信号处理算法的研制开发，降低了仿真调试的难度。

(3)基于数据处理服务器的高并发计算能力和大容量存储器，使本发明的二次雷达在不升级硬件的情况下，通过更新软件即更新单元的方式对雷达的信号处理和数据处理的功能进行升级。

(4)本发明的数据处理服务器中的各个单元及各个模块之间通过Linux共享缓存和编程接口SOCKET进行数据交换，简化了内部信号接口。

(5)本发明数据处理服务器与收发处理分机之间采用高速光纤进行数据传输，增加了数据传输速率，简化了内部信号接口。

(6)本发明的数据处理服务器内部安装一块PCIE光纤卡，且内置一个或多个光纤接口，方便数据处理服务器与多台接收机交叉连接，实现冗余备份。

(7)本发明的二次雷达为双通道冗余设计，一个通道失效后自动切换到另外一个通道，且本发明通过光纤可以将两个通道的数字中频处理模块连接，以实现接收机和服务器的交叉相连，保证了双通道可以同时进行信号处理和数据处理，实现冗余备份，减少了通道切换时间。

附图说明

图1为本发明的整体架构图。

图2为本发明的数据处理服务器的架构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的基于通用服务器平台的软件化二次雷达的工作模式包括A/C模式和S模式；其中，A模式的应答信息包括飞机的识别码，C模式的应答信息包括飞机的高度码，S模式的应答信息包括飞机的唯一的24位飞机地址、飞机的识别码、飞机的高度码。

由图1所示，基于通用服务器平台的软件化二次雷达，包括以下组成部分：大垂直口径LVA天线、天线驱动系统、三路铰链、切换分机、收发处理分机、数据处理服务器；本发明的基于通用服务器平台的软件化二次雷达为双通道冗余设计，由A、B两个配置完全相同的通道组成，每个通道中均具有收发处理分机和数据处理服务器，故除大垂直口径LVA天线、天线驱动系统、三路铰链、切换分机为单系统之外，收发处理分机和数据处理服务器均为双套系统，两个通道通过切换分机相连，正常工作情况下，一个通道的收发信号通过切换分机的射频开关再经三路铰链与LVA天线相连，而另外一个通道接入大功率负载，当一个通道失效后可以自动切换到另外一个通道。

所述天线驱动系统包括转台以及转台的驱动控制部分，如变频器、可编程逻辑控制器PLC。

所述收发处理分机包括：发射机、接收机、数字中频处理模块。

其中，发射机接收来源于接收机的激励信号，并对激励信号进行处理生成发射信号，发射信号经过切换分机、三路铰链、天线驱动系统后传输给LVA天线进行发射。

接收机一方面接收来源于天线的应答信号，并对应答信号进行变频处理，将变频处理后的应答信号发送至数字中频处理模块；由于机载应答机的模式主要有A/C模式和S模式，故所述应答信号包括A/C模式的应答信号和S模式的应答信号；接收机另一方面接收来源于数字中频处理模块的询问脉冲信号，并对询问脉冲信号进行处理生成激励信号，将激励信号发送至发射机。

数字中频处理模块一方面接收来源于接收机的变频处理后的应答信号，并对变频处理后的应答信号进行处理生成IQ信号，将IQ信号发送至信号处理单元；所述IQ信号包括A/C模式的IQ信号和S模式的IQ信号；所述数字中频处理模块另一方面接收来源于询问调度模块的询问时序参数，并对询问时序参数进行处理生成询问脉冲信号，将询问脉冲信号发送至接收机。

由图2所示，所述数据处理服务器包括：信号处理单元、数据处理单元；所述数据处理单元包括：询问调度模块、点名表管理模块、航迹处理模块、S模式数据链处理模块、数据上报模块。

其中，信号处理单元接收来源于数字中频处理模块的IQ信号，对IQ信号进行信号处理生成一个应答报告，将应答报告发送至航迹处理模块；

所述信号处理单元针对多个应答接收时间窗口的IQ信号，创建多个线程以同时对多个应答接收时间窗口的IQ信号进行信号处理；所述信号处理单元还针对同一应答接收时间窗口的多个IQ信号，创建多个线程并行处理同一应答接收时间窗口中的多个IQ信号；所述应答接收时间窗口为接收机接收两个相邻的应答信号之间的时间间隔；

所述信号处理包括：幅相校正、信号特征提取、脉冲处理、应答解码；所述应答解码采用先存储后分析的方式，对整个波束内的原始IQ信号进行取模、脉冲提取、应答解码、抗异步干扰、副瓣信号抑制、和差比计算处理；所述先存储后分析的方式将一个或多个应答接收时间窗内的IQ信号全部保存下来，根据前后IQ信号的相关性，对IQ信号进行解码，该种方式相对于FPGA较低的存储器容量必须采用流水线式的解码的方式，提高了解码有效性；

所述信号处理包括A/C模式的信号处理和S模式的信号处理；所述应答报告包括A/C模式的应答报告和S模式的应答报告。

询问调度模块根据二次雷达的工作模式产生询问时序参数，将询问时序参数发送至数字中频处理模块；所述询问时序参数的排布为基于当前波束覆盖范围内的飞行目标的时间、距离、角度的因素。

点名表管理模块为在S模式下将选呼询问的目标加入到一个列表中，若目标选呼询问失败，则在该列表中删除该目标。

航迹处理模块接收来源于信号处理单元的应答报告，对应答报告中的应答数据进行点迹凝聚处理生成点迹数据，并对点迹数据进行航迹跟踪处理生成航迹数据；

航迹处理模块通过数据处理服务器的网络接口连接本地显控终端，将点迹数据和航迹数据发送至本地显控终端进行二次雷达的点迹和航迹的显示；航迹处理模块还按照按照欧标数据格式对点迹数据和航迹数据进行格式转换生成目标数据报文，并通过数据上报模块经通讯服务器将目标数据报文上报至民航交通管制系统即自动化系统。

S模式数据链处理模块是ICAO定义用于在S模式下实现地空通信功能，即实现地面设备和空中设备的数据交换；

S模式数据链处理模块完成地面数据链处理器接口和本地用户的接口即GDLP/LU接口的实现，以及完成地面数据子网通讯功能的实现，并通过地面发起的Comm-B通信以实现基本和增强S模式的应答机数据寄存器BDS的录取功能；

S模式数据链处理模块作为一个单独的模块，为航迹处理模块提供增强S模式的飞行器下行参数，并将该参数和目标数据报文一起上报给自动化系统。

数据处理服务器为一台X86架构通用服务器，且采用开源的Linux操作系统，数据处理服务器中的各个单元及各个模块之间通过Linux共享缓存或编程接口SOCKET进行数据交换；所述X86架构通用服务器的硬件为采用X86指令集的CPU，软件平台为Linux或Windows操作系统。

数据处理服务器至少具有两个CPU，且每个CPU具有多个内核；其中，信号处理单元运行在一个CPU上，信号处理单元所创建的多个线程分别运行在该CPU的不同的内核上；数据处理单元运行在另一个CPU上，数据处理单元的各个模块分别运行在该另一个CPU的不同内核上。

数据处理服务器内部安装一块PCIE光纤卡且内置一个或多个光纤接口，收发处理分机中的数字中频处理模块中内置一个或多个光纤接口，所述数据处理服务器与所述收发处理分机之间采用光纤进行数据传输，并且通过光纤将两个通道的收发处理分机中的数字中频处理模块相连，将两个通道的接收机和数据处理服务器交叉相连，以保证双通道可同时进行信号和数据处理，实现冗余备份，减少系统切换时间。

本发明的基于通用服务器平台的软件化二次雷达的询问信号即发射信号的生成方式，包括以下具体步骤：

S11，数据处理服务器的询问调度模块根据二次雷达当前的工作模式及天线指向，对当前波束覆盖范围内的飞行目标进行排序产生询问时序参数，并通过光纤发送至收发处理分机中的数字中频处理模块；

S12，数字中频处理模块根据询问时序参数产生询问脉冲信号，并将询问脉冲信号发送至接收机；

S13，接收机内部的激励模块采用1030MHz对询问脉冲信号进行直接调制产生激励信号，所述激励信号包括Σ信号和Ω信号，并分别对激励信号即Σ信号和Ω信号进行功率放大，在将经功率放大后的Σ信号和Ω信号分别发送至发射机的Σ发射组件和Ω发射组件；其中，Σ表示和，Ω表示控制；

S14，Σ信号在Σ发射组件内部通过1∶6功分器分别发送给6组功放进行信号放大，将放大后的信号进行6∶1功率合成，将合成后的Σ发射信号发送到发射监控模块；Ω信号在Ω发射组件内部通过1∶6功分器分别发送给6组功放进行信号放大，将放大后的信号进行6∶1功率合成，将合成后的Ω发射信号送到发射监控模块；两路发射信号即Σ发射信号和Ω发射信号经过发射监控模块内部的滤波耦合器耦合后发送至切换分机；

S15，在切换分机内，Σ发射信号和Ω发射信号经过四段环形器和射频开关后，通过低损耗射频馈线，并经由三路铰链到大垂直口径LVA天线。

本发明的基于通用服务器平台的软件化二次雷达的应答信号的处理方式，包括以下具体步骤：

S21，机载应答机接收到询问信号即发射信号后，发出符合国际民用航空组织ICAO标准的应答信号；应答信号包括A/C模式下的应答信号和S模式下的应答信号；

S22，大垂直口径LVA天线接收机载应答机的应答信号后，将应答信号分为Σ、Ω、Δ三路信号，并将三路信号分别经过三路铰链和低损耗射频电缆进入切换分机；其中，Σ表示和，Ω表示控制，Δ表示差；

S23，在切换分机内，Σ信号和Ω信号为先经过射频开关进入环行器，再经过滤波后送入收发处理分机中的接收机，Δ信号为直接经过滤波后送入收发处理分机中的接收机；

S24，三路射频信号在接收机内经过前级放大后进行下变频，产生Σ、Ω、Δ三路60M的中频信号，且接收机内部的频率源同时产生80MHz的采样时钟，将采样时钟和Σ、Ω、Δ三路中频信号一起发送至数字中频处理模块；

S25，数字中频处理模块将Σ、Ω、Δ三路中频信号分别进行数字下变频和基带滤波抽取后生成Σ、Ω、Δ三路IQ信号，并将生成的Σ、Ω、Δ三路IQ信号，以及实时方位信号、时间戳信息经光纤打包发送至数据处理服务器；

S26，数据处理服务器的信号处理单元对Σ、Ω、Δ三路IQ信号分别进行信号处理生成一个完整的应答报告，并将应答报告发送至航迹处理模块；

S27，航迹处理模块根据应答报告进行点迹凝聚处理，得到目标的点迹数据，所述目标的点迹数据包括目标的代码、高度、距离、方位，并将点迹数据进行航迹跟踪处理产生航迹数据；

S28，航迹处理模块通过数据处理服务器的网络接口连接本地显控终端，将点迹数据和航迹数据发送至本地显控终端进行二次雷达的点迹和航迹的显示；航迹处理模块还按照欧标数据格式对点迹数据和航迹数据进行格式转换，并通过数据上报模块经通讯服务器将目标数据报文上报至民航交通管制系统即自动化系统。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于通用服务器平台的软件化二次雷达，其特征在于，包括收发处理分机和数据处理服务器；其中，

所述收发处理分机包括：发射机、接收机、数字中频处理模块；

所述发射机接收来源于接收机的激励信号，并对激励信号进行处理生成发射信号，将发射信号传输给天线进行发射；

所述接收机一方面接收来源于天线的应答信号，并对应答信号进行变频处理，将变频处理后的应答信号发送至数字中频处理模块；所述接收机另一方面接收来源于数字中频处理模块的询问脉冲信号，并对询问脉冲信号进行处理生成激励信号，将激励信号发送至发射机；

所述数字中频处理模块一方面接收来源于接收机的变频处理后的应答信号，并对变频处理后的应答信号进行处理生成IQ信号，将IQ信号发送至信号处理单元；所述数字中频处理模块另一方面接收来源于询问调度模块的询问时序参数，并对询问时序参数进行处理生成询问脉冲信号，将询问脉冲信号发送至接收机；所述IQ信号为一种正交的基带信号；

所述数据处理服务器包括：信号处理单元、数据处理单元；所述数据处理单元包括：询问调度模块、航迹处理模块；

所述询问调度模块用于产生询问时序参数，将询问时序参数发送至数字中频处理模块；

所述信号处理单元接收来源于数字中频处理模块的IQ信号，对IQ信号进行信号处理生成一个应答报告，将应答报告发送至航迹处理模块；

所述航迹处理模块接收来源于信号处理单元的应答报告，对应答报告中的应答数据进行点迹凝聚处理生成点迹数据，并对点迹数据进行航迹跟踪生成航迹数据；

所述数据处理服务器为一台X86架构通用服务器；所述X86架构通用服务器的硬件为采用X86指令集的CPU，软件平台为Linux或Windows操作系统；

所述信号处理单元针对多个应答接收时间窗口的IQ信号，创建多个线程以同时对多个应答接收时间窗口的IQ信号进行信号处理；所述信号处理单元还针对同一应答接收时间窗口的多个IQ信号，创建多个线程并行处理同一应答接收时间窗口中的多个IQ信号；所述应答接收时间窗口为接收机接收两个相邻的应答信号之间的时间间隔；

所述信号处理单元对IQ信号进行信号处理，包括：幅相校正、信号特征提取、脉冲处理、应答解码；所述应答解码采用先存储后分析的方式，将一个或多个应答接收时间窗内的IQ信号全部保存下来，根据前后IQ信号的相关性，对IQ信号进行应答解码；

所述数据处理服务器至少具有两个CPU，且每个CPU具有多个内核；其中，信号处理单元运行在一个CPU上，信号处理单元所创建的多个线程分别运行在该CPU的不同的内核上；数据处理单元运行在另一个CPU上，数据处理单元的各个模块分别运行在该另一个CPU的不同内核上。

2.根据权利要求1所述的基于通用服务器平台的软件化二次雷达，其特征在于，所述数据处理服务器采用开源的Linux操作系统，数据处理服务器中的各个单元及各个模块之间通过Linux共享缓存和编程接口SOCKET进行数据交换。

3.根据权利要求1所述的基于通用服务器平台的软件化二次雷达，其特征在于，所述数据处理服务器内部安装一块PCIE光纤卡，且内置一个或多个光纤接口；所述收发处理分机中的数字中频处理模块中内置一个或多个光纤接口；所述数据处理服务器与所述收发处理分机之间采用高速光纤进行数据传输。

4.根据权利要求3所述的基于通用服务器平台的软件化二次雷达，其特征在于，所述软件化二次雷达为双通道冗余设计，一个通道失效后可以自动切换到另外一个通道，每个通道中均具有收发处理分机和数据处理服务器，即所述软件化二次雷达的收发处理分机和数据处理服务器均为双套系统，且通过光纤将两个通道的收发处理分机中的数字中频处理模块相连。

5.根据权利要求1所述的基于通用服务器平台的软件化二次雷达，其特征在于，所述航迹处理模块通过数据处理服务器的网络接口连接本地显控终端，将点迹数据和航迹数据发送至本地显控终端进行二次雷达的点迹和航迹的显示；所述数据处理单元还包括数据上报模块，所述航迹处理模块按照按照欧标数据格式对点迹数据和航迹数据进行格式转换生成目标数据报文，并通过数据上报模块将目标数据报文上报至民航交通管制系统即自动化系统。

6.根据权利要求1所述的基于通用服务器平台的软件化二次雷达，其特征在于，所述软件化二次雷达的工作模式包括A/C模式和S模式；所述数据处理单元还包括S模式数据链处理模块和点名表管理模块；所述S模式数据链处理模块用于在S模式下实现地空通信功能，即实现地面设备和空中设备的数据交换，并用于完成地面数据链处理器接口和本地用户的接口即GDLP/LU接口的实现；用户通过所述点名表管理模块在S模式下将选呼询问的目标加入到一个列表中，若该目标选呼询问失败，则在该列表中删除该目标。

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