一种雷达信号处理集群平台及软件便于扩展的实现方法与流程

本发明涉及雷达信号处理软件领域，尤其涉及一种雷达信号处理集群平台及软件便于扩展的实现方法。

背景技术

近年来，随着宽频带高性能射频前端、数字波束形成、数字化接收机以及高性能实时计算等技术的飞速发展，雷达系统技术进入了一个新的发展时期。具体表现在：雷达系统的自由度、计算能力以及软件化编程能力得到大幅度提高，使得雷达系统的灵活性增强，在功能和性能上有了很大的提升。所以基于高性能硬件平台，研究开放式系统架构工程技术，可以提高雷达系统的开发效率和质量。开放式系统架构主要研究系统开发的规范性和软件可定义性、系统软/硬件平台的通用性和可扩展性、系统任务的灵活性和可升级性，因此利用高性能平台的开放性架构和软件工程的先进理论和方法，提高系统的开发效率和产品质量在当前雷达系统领域显得尤为重要。

雷达信号处理系统是现代雷达系统最重要的一个分系统，它通过信号处理算法从混杂各种杂波、噪声、干扰的回波信号里检测出有用的目标及其速度、距离、高度信息。现代雷达多是相控阵体制的雷达，具有并行通道多、数据量大、实时性要求高、系统功能灵活可配置等特点，因此，不仅需要信号处理系统能够实时处理多通道数据，而且，需要信号处理系统随着雷达功能的改变进行扩展、升级和重构。

中国发明专利《一种软件化雷达库模式信号处理中间件》(cn107153547a)公开了一种软件化雷达库模式信号处理中间件，该方法包括步骤：步骤1、划分库模式信号处理中间件为基础组件层和功能组件层，获得库模式信号处理中间件的处理框架；步骤2、在处理框架内，根据雷达特点，设计出基础组件层内运算组件；步骤3、在处理框架内，根据雷达特点，结合运算组件设计出功能组件层内处理组件；步骤4、对处理组件进行功能验证,当验证结果符合标准时，进行步骤5；步骤5、利用雷达对库模式信号处理中间件进行实验验证，获得在雷达的功能和性能测试结果。

该发明专利仅仅设计了一种软件化雷达库模式信号处理中间件，并没有采用开放式的系统架构工程技术，而且所使用硬件平台的不具有通用性，因为软件的扩展需要硬件支撑，也没有指明雷达功能改变应如何扩展信号处理软件，不具备标准性，不能灵活扩展，造成了扩展性差、容错率低、研制周期长等技术问题。

技术实现要素：

针对背景技术中信号处理软件的扩展性差、容错率低、复用符合度低和研制周期长等技术问题，本发明提出了一种雷达信号处理集群平台及软件便于扩展的实现方法。本发明的方法包括系统层软件开发、中间层软件开发、应用层软件开发、实现雷达信号处理软件以及信号处理软件的扩展，本发明的方法具有通用性、容错率高、开发周期短等优点，可以实现雷达信号处理软件的功能定义、资源配置和模式扩展。

本发明的技术方案是：一种雷达信号处理集群平台，包括vpx机箱、交换模块、计算模块、交换后插模块和数据接口模块，计算模块插入vpx机箱插槽中，其特征在于：交换模块与计算模块星型互联，交换模块与计算模块的互联为网络连接和srio连接，交换模块通过背板与交换后插模块对插，从交换后插模块引出交换模块的网络接口，交换模块通过背板与数据接口模块对插，从数据接口模块引出交换模块的srio接口。

根据如上所述的一种雷达信号处理集群平台，其特征在于：交换模块和交换后插模块为两个。

根据如上所述的一种雷达信号处理集群平台，其特征在于：计算模块为6个，其中3个热备份；计算模块采用intele5系列处理器，内存64gb，操作系统redhat7.2，交换模式支持40g以太网和srio数据交互。

本发明还公开了一种雷达信号处理软件的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、系统层软件实现方法；系统层是在集群平台的硬件资源和基础软件上开发的，系统层实现硬件管理、通讯配置、通讯管理、远程开发；

步骤二、中间层软件实现方法：中间层位于应用层和系统层之间，为应用层提供通用服务，具有通用的协议栈和标准的程序接口，实现对系统层的解耦，中间层软件包括通信中间件，算法中间件，线程调度中间件；

通信中间件具有：脱离地址的数据收发能力；系统内任务迁移能力；提供可靠通信能力；提供通讯持久化及通信特性；通信中间件提供一个函数库，包括一系列api，通过调用此类api；实现集群平台内部计算模块之间的通讯与交换模块之间的通讯；

算法中间件提供矩阵运算、fft、向量运算、ifft、三角函数的函数接口；

线程调度中间件提供规范的线程调度函数接口；

步骤三、应用层软件实现方法：应用层软件调用中间层软件，将雷达信号处理功能封装成标准组件和模块；

步骤四、信号处理软件的实现方法：

4.1信号处理软件数据业务子步骤：将主天线回波数据与辅助天线回波数据通过多路光纤进入交换模块，根据数据分发策略将回波数据传输至相应的计算模块；

4.2计算模块软件子步骤：采用计算模块的多核心并行运算，创建多线程，分别绑定多核心，然后为每个线程分配任务，实现高速并行计算，通过通讯中间件进行协同信号数据处理，同时运行交换模块上的监控软件和通信中间件管理软件；

4.3热备份子步骤：监控软件实时监控交换芯片的接口链路状态，其中某个链路出现故障，交换模块上的监控软件控制交换芯片将原本要分发到故障链路的数据分发到备份的计算模块，同时启动计算模块上的信号处理软件；监控软件收集计算模块上报的状态信息，一旦发现其中某个计算模块出现严重故障，监控软件将原本要分发到故障计算模块的数据分发到备份的计算模块，启动计算模块上的信号处理软件。

根据如上所述的一种雷达信号处理软件的实现方法，其特征在于：还包括步骤五信号处理软件扩展步骤：包括数据业务流程的扩展、信号处理软件的扩展、备份方式的变更。

根据如上所述的一种扩展雷达信号处理软件的实现方法，其特征在于：数据业务流程的扩展过程为：增加光纤路数，通过srio传输；其次，扩展信号处理软件，扩展计算模块，为计算模块重新分配计算任务。

根据如上所述的一种雷达信号处理软件的实现方法，其特征在于：通信中间件为每个计算模块提供一个配置文件，配置文件包括：通信所需的配置信息、通信中间件管理软件所在的ip和所使用的端口、心跳包的参数、通讯类型、通讯管理等。

根据如上所述的一种雷达信号处理软件的实现方法，其特征在于：步骤三中标准组件和模块包括工作模式控制模块、脉压模块、副瓣对消模块、mti模块、mtd模块、杂波图模块、恒虚警检测模块、数据通信模块。

根据如上所述的一种雷达信号处理软件的实现方法，其特征在于：采用如上所述的任一项雷达信号处理集群平台。

本发明的有益效果是：在步骤1、2和3中构建的软件采用开放式架构设计，通过层级之间的接口规范实现了对底层硬件的屏蔽和封装，通过中间层实现了系统层与应用层的功能解耦，实现应用软件的层次化、可重用性和可扩展性，并且使用该软件可快速构建信号处理软件，减少了开发时间和研制成本；在步骤4中，使用层次化软件和模块化的集群平台实现信号处理软件，不仅具有热备份功能，容错率高的特点，当系统出现错误时，可快速反应，切换备用板卡，最大限度保证信号处理软件的正常工作；在步骤5中雷达系统升级时，只需要进行较小的改动，即可实现信号处理软件的扩展。

附图说明

图1为本发明流程框图。

图2为cpci集群平台组成框图。

图3为雷达信号处理集群平台装置结构示意图。

图4为实施例集群平台数据业务原理框图。

图5为实施例通信中间件功能框图。

图6为实施例软件组成框图。

图7为实施例数据业务原理框图。

图8为实施例计算模块信号处理原理框图。

图9为实施例热备份原理框图。

图10为实施例扩展后数据业务原理框图。

具体实施方式

名词解释：

api：应用程序编程接口(applicationprogramminginterface)

cfar：恒虚警检测(constantfalsealarmrate)

cpci：紧凑型pci(compactperipheralcomponentinterconnect)

fft：快速傅里叶变换(fastfouriertransformation)

mkl：数学核心库(intelmathkernellibrary)

mtd：动目标检测(movingtargetdetector)

mti：动目标显示(movingtargetindication)

opendds：开源数据分发服务(opendatadistributionservice)

openmp：并行编程应用程序接口(openmulti-processing)

srio：高速rapioio总线(serialrapidio)

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，本发明的一个具体实施例是以某型雷达为例：

如图2所示，以往集群平台的组成框图，如图3所示，本发明的雷达信号处理集群平台组成框图。对比图2和图3，以往的雷达信号处理集群平台基于cpci架构，该集群平台可扩展性差、不具有热备份功能，单个计算模块集成8片ts201dsp，计算能力为9.6gflops，板卡之间数据传输采用dsp内部的link数据传输方式，数据传输带宽最大是600mb/s。如图3所示，本发明的雷达信号处理集群平台装置包括vpx机箱、交换模块、计算模块、交换后插模块和数据接口模块，计算模块插入vpx机箱插槽中。如图4所示，集群平台的数据业务原理框图，交换模块与计算模块星型互联，交换模块与计算模块的互联为网络连接和srio连接，交换模块通过背板与交换后插模块对插，从交换后插模块引出交换模块的网络接口，交换模块通过背板与数据接口模块对插，从数据接口模块引出交换模块的srio接口。如不需要热备份，本发明交换模块、交换后插模块只需要一个即可，图4中设置两个，其中一套为热备份。

如图3中，vpx机箱采用vpx架构，该集群平台支持12插槽+双电源，图3中为计算模块1至计算模块6共六个插槽。6个计算模块采用intele5系列处理器，内存64gb(ddr4)，操作系统redhat7.2，交换模式支持40g以太网和srio数据交互，交换后插模块1和交换后插模块2分别引出交换模块1和交换模块2上的万兆网接口和千兆网管理接口，方便集群平台的扩展和对外交互数据，数据接口模块引出交换模块1和交换模块2上的srio接口，实现高速实时光纤数据交互。实施例中该集群平台采用六块计算模块，单板计算能力是403gflops，对外接口包括四路srio(总带宽是16gbps)，两路40g万兆网，四路千兆网。

如图4数据业务原理框图所示，数据接口模块的srio接口用于数据输入，例如雷达回波数据，雷达回波数据对传输实时性要求高并且采用光纤传输，光纤数据通过srio传输具有低延迟、cpu占用率低、数据可组播的特点，srio连接可以实现数据广播，例如回波数据可以广播至各个计算模块，这样使整个雷达系统数据对于各个计算模块是同步的，可以提高处理处理能力，较少数据不对齐或丢失现象的发生所以使用srio传输雷达回波数据是比较理想的做法。交换模块1或交换模块2的网络接口用于输出数据，例如视频数据、点迹数据、状态信息等用于上报或显示的数据。并且网络连接可以实现计算模块之间数据交换、简单易实现的数据交换，例如计算模块1与计算模块3之间数据交互、信号处理软件的协同处理实现。

如图4所示，计算模块、交换模块和交换后插模块采用热备份设计，其中计算模块支持多种备份模式，交换模块和交换后插模块整体支持1+1备份，多种备份模式的设计可以根据环境需要进行剪裁和灵活配置，具有广泛的使用性；集群平台在设计中将交换单元和机箱管理单元集成在交换模块上，减少了整机板卡数量，大大缩小的结构尺寸；集群平台支持远程媒体重定向和远程管理功能，通过网络可在远端实时操作各计算模块单元，监控服务器板卡电压、温度等情况，根据需要开关机等操作，减少对操作空间的局限。

本发明还公开了一种雷达信号处理软件的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、系统层软件实现方法；系统层是在集群平台的硬件资源和基础软件上开发的，系统层主要实现硬件管理、通讯配置、远程开发。如图5软件组成框图中所示，系统层实现以下功能：(1)硬件管理包括集群平台状态监控和资源管理；(2)底层硬件驱动包括srio驱动和万兆网驱动；(3)远程媒体重定向和远程管理，远程管理通过web浏览器形式对集群平台系统资源进行监控和管理配置，包括：系统资源监控、计算模块监控、用户应用配置管理、通信中间件管理软件等。

步骤二、中间层软件实现方法：

中间层位于应用层和系统层之间，不仅为应用层提供通用服务，具有通用的协议栈和标准的程序接口，而且实现对系统层的解耦，使得开发信号处理软件时，不用考虑底层硬件的状态。中间层软件包括通信中间件，算法中间件，线程调度中间件。

实施例中，通信中间件基于opendds库开发，是基于分布式系统的网络环境中的复杂需求而设计出来的一个通信方案以及相关的实现，以固定的通信模型与通信规则组成，实现以c语言实现。如图6所示，通信中间件的主要功能包括：(1)脱离地址的数据收发；(2)系统内任务迁移能力；(3)提供可靠通信能力；(4)提供通讯持久化及其他通信特性。

通信中间件为每个计算模块提供一个配置文件，该配置文件包括：通信所需的配置信息、通信中间件管理软件所在的ip和所使用的端口、心跳包的参数、通讯类型、通讯管理等。使用通信中间件之前，需要启动通信中间件管理软件，该管理软件运行在交换模块上。

通信中间件提供一个函数库，包括一系列api，通过调用此类api，实现集群平台内部计算模块之间的通讯与交换模块之间的通讯。使用通信中间件需要遵循的基本逻辑流程如下：(1)生成参与者(参与系统)；(2)参与者属性配置(通信模式与参数配置)；(3)发布/订阅某个主题；(4)发送/读取数据；(5)终止发布/订阅系统，退出系统。

实施例中，算法中间件基于mkl函数库、vsipl函数库等标准库开发，提供矩阵运算、fft、向量运算、ifft、三角函数多种基本运算函数接口。算法中间件封装了雷达信号处理常用的基本运算，为构建应用层软件提供了标准api接口。

实施例中，线程调度中间件基于openmp和pthreads标准开发，提供规范的线程调度函数接口。线程是操作系统执行任务的最小单位，并且线程的创建和调度十分方便、快捷，能够满足信号处理软件灵活、实时性的需求。

步骤三、应用层软件实现方法：

应用层软件调用中间层软件，应用层将雷达信号处理功能封装成标准组件和模块，包括工作模式控制模块、脉压模块、副瓣对消模块、mti模块、mtd模块、杂波图模块、恒虚警检测模块、数据通信模块。

步骤四、雷达信号处理软件的实现方法：

4.1信号处理软件数据业务子步骤

如图7所示雷达信号处理软件数据业务原理框图，雷达有三路光纤数据传输回波数据，包含两路主天线回波数据一路辅助天线回波数据，三路光纤数据经过数据接口模块，通过srio协议进入交换模块1，由交换模块1把数据组播到各个计算模块，实施例中使用了三块计算模块，计算模块1和计算模块2分别处理两路主天线回波光纤数据，计算模块3处理辅助天线回波数据，计算模块1和计算模块2需要分别与计算模块3做数据交互处理，处理完之后把结果由计算模块1和计算模块2通过交换模块输出，再由交换模块后插板1上的万兆网接口送到终端监控分机，终端监控分机的控制信息由交换后插模块1上的万兆网进入集群平台，再由交换模块1把数据路由到各个计算模块。同时，每个计算模块都有一路千兆网传输的状态信息与交换模块相连。

4.2计算模块软件子步骤

如图8所示，计算模块1信号处理软件原理框图，为了充分利用多核心cpu的处理能力，采用多核心并行运算，创建多线程，分别绑定多核心，然后为每个线程分配任务，实现高速并行计算。

首先，根据雷达的计算量和数据交互所需带宽和实时性，构建信号处理软件架构，使用线程调度中间件创建线程并绑定cpu核心，每个线程绑定一个cpu核心，其次为每个线程分配具体功能和应用，在实施例中，计算模块1的cpu有14核心，1号核心调用通信中间件接收srio组播数据，并且该核心调用应用层软件负责工作模式控制；2号和3号核心调用应用层的脉压模块做脉压；4号核心调用通信中间件，接收计算模块3送来的辅助通道数据；5号和6号核心调用应用层的副瓣对消模块做副瓣对消；7号和8号核心调用mti和mtd模块，做mti和mtd；9号和10号核心调用杂波图和cfar模块，做杂波图和cfar；11号核心负责和终端监控分机通信，把信号处理软件处理结果发送给终端，并且负责接收终端监控发送过来的控制信号；最后，开启状态监控软件，状态监控软件运行在12号核心上，实时监控本地状态，本地状态包括：信号处理软件的cpu使用率、内存使用率、srio带宽使用率、万兆网带宽使用率等状态信息，定时上报本地状态到交换模块1上，交换模块1根据状态信息，监测本板状态，同时状态监控软件还接收交换模块1发送来的控制信息，此控制信息主要实现以下几个功能：启动应用，结束应用，开机，关机，重启，远程拷贝等。

计算模块2和计算模块1在功能上是一样的，把计算模块1的信号处理软件直接扩展到计算模块2上。如图8所示，计算模块3的信号处理软件原理框图，1号核心调用通信中间件接收srio组播数据，并且该核心调用应用层软件负责工作模式控制；2和3号核心调用应用层的脉压模块做脉压；4号核心调用通信中间件，发送辅助通道数据给计算模块1和计算模块2；5号核心负责和终端监控分机通信，主要负责接收终端监控发送过来的控制信号。计算模块2和计算模块3的状态监控软件跟计算模块1是一样的。而且，作为热备份的计算模块也启动了状态监控软件。

4.3热备份子步骤

如图9所示，在实施例中计算模块采用3+3备份方式，即有三块计算模块正常工作，备份三块计算模块，交换模块采用1+1备份方式。在系统运行过程中，交换模块上的监控软件会实时监控交换芯片(网络交换芯片或者srio交换芯片)的接口链路状态，一旦其中某个链路出现故障，监控软件会控制交换芯片就会将原本要分发到故障链路的数据分发到备份的计算模块，同时启动计算模块上的信号处理软件；同时监控软件也会收集计算模块上报的状态信息，一旦发现其中某个计算模块出现严重故障，比如系统死机，温度异常等，监控软件自动将原本要分发到故障计算模块的数据分发到备份的计算模块，同时启动计算模块上的信号处理软件，最大限度保障数据业务不间断，从而保证集群平台稳定的工作。同时，两块交换模块也热备份设计，即两块交换模块上也运行了状态监控软件，如果一块交换模块工作异常，则告诉另外一块交换模块，启动该备份交换模块上的应用。计算模块采用5+1冗余备份方式，同时如果使用更少的计算模块时，计算模块也可以支持1+1，2+1，2+2等多种冗余备份方式，可以根据需要灵活配置。

本发明的软件完成编辑后，可以非常容易实现软件扩展，当扩展时，可以增加以下步骤：

步骤五信号处理软件扩展步骤：包括数据业务流程的扩展、信号处理软件的扩展、备份方式变更。

在实施例中，由于雷达升级改造，前端ad采样字长增加，由之前的14bit变为24bit，主通道数据扩展为三路光纤，辅助通道数据仍然是一路光纤，如图10所示，此时需要扩展信号处理软件以适应雷达状态改变。首先，扩展数据业务流程，把之前三路光纤扩展为四路光纤，依然通过srio传输；其次，扩展信号处理软件，之前由三块计算模块扩展为四块计算模块，其中三块计算模块处理主通道回波数据，一块计算模块处理辅助通道回波数据；然后，更改备份方式，计算模块采用4+2备份方式，交换模块采用1+1备份方式；最后，整机测试，信号处理软件工作正常，出现异常情况，备份板卡能够迅速启动，保证集群平台正常工作。

本发明的方法特别适用于相控阵体制雷达，因为该体制的雷达数据传输量大，实时性要求高，功能灵活，需求多变，信号处理算法复杂。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出相应的改变和变形。