近年来，随着宽频带高性能射频前端、数字波形产生、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了大幅度提高，使得雷达系统的灵活性增强，在功能和性能上具有了很大的发展潜力。

在新时期条件下，如何引导现代雷达系统的设计、研制和发展模式向更加科学合理的方向发展，以充分挖掘系统的功能和性能潜力，已经成为雷达系统技术进一步发展需要迫切回答的问题。

基于上述认识，本文提出了“软件化雷达”(Software Radar)这一新技术概念，并对“软件化雷达”的定义内涵、技术定位和技术特点进行系统阐述，希望能够为业内同行进一步开展相关研究工作提供有益的参考。

本文主要观点可以总结为：

随着数字化技术的不断发展和成熟，雷达系统将逐渐从传统“以硬件技术为中心，面向专用功能”的开发模式发展到“以软件技术为中心，面向实际需求”的开发模式。这一发展趋势使得“软件化雷达”技术应运而生，主要思路是通过实现雷达系统中软件和硬件的解耦，使得雷达系统能够基于软件化开发模式，灵活地实现系统功能定义、资源配置、模式扩展和性能提升，以不断满足实际应用的需求。

本文首先对国内外和“软件化雷达”相关的技术内容发展现状进行综述，然后给出“软件化雷达”的定义并阐述其技术定位。在此基础上，进一步结合清华大学近年来开展的“软件化雷达信号处理系统”技术的研究成果和经验，对“软件化雷达”的技术特点进行介绍。最后，结合对空情报雷达的应用需求，对我国“软件化雷达”技术的发展给出了建议。

“软件化雷达”概念的提出和发展是和当前雷达系统的军事应用需求背景以及相关支撑技术的发展背景密不可分。

从雷达系统的军事应用需求背景来看，存在3个特点，第一、探测环境逐渐趋于复杂化，复杂的电磁环境要求雷达系统具备可根据实际背景、通过统计学习和自适应处理等复杂手段来提高目标探测性能的能力。第二、探测模式逐渐趋于多样化，多种探测对象和任务需求要求雷达系统能够灵活地配置资源、扩展功能和工作模式。第三、多种功能逐渐趋于一体化，在地基、舰载、空基、天基等各种平台上，都要求雷达系统能够实现主/被动探测、多源信号/信息融合等多功能的一体化。

从雷达系统支撑技术的发展背景来看，存在以下3个特点：第一、数字化技术高速发展，使得雷达系统的主要组成部分具有了可通过软件化模式定义、开发和配置的能力。第二、标准化和模块化组件技术逐渐成熟，使得雷达各分系统的通用性得到了很大的提升。第三、系统优化集成技术逐渐成熟，大量商用货架产品和第三方开发技术能够融入系统中，使得雷达系统越来越具开放性。

国外对“软件化雷达”相关的技术研究近5年来开始逐步得到较快发展^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]}，其中重要的典型代表包括：2010年，美国俄亥俄州立大学研发了软件可定义MIMO雷达系统^{[3, 4]}，该系统实现了多通道可编程任意脉冲波形产生，系统带宽500 MHz，中心频率可达2～18 GHz,RF前端由两个独立的收发通道构成，可在4个双极化发射天线和4个双极化接收天线间通过开关切换。信号处理系统由DSP和FPGA实现。2011年，该大学进一步研发了基于TI公司的小型化“软件化雷达”软件库，并尝试开发了雷达通信一体化的系统工作模式。该项研究工作初步验证了基于软件化平台实现MIMO、认知和雷达通信一体化的工作模式。

2009年10月，美国国防研究与工程局成立了开放式雷达体系结构国防支援团队(OA DST)，该团队的主要任务是推动通用化开放式雷达体系结构ROSA(Radar Open Systems Architecture)。目前，ROSA已经形成了相关标准和设计原则。同时，美国空军三坐标远程雷达(3DELRR)作为ROSA的示范性推广项目正处在研制阶段，到2013年底，3DELRR已经基本完成了技术演示验证^{[4, 5]}。

2014年，美国海军研究局授予雷神公司一项价值850万美元的分布式阵列雷达合同，该雷达具有多功能、动态多任务的能力，功能包括情报、通信和电子战。该雷达采用软件定义的技术，使得系统具有了可具备未来多种能力的潜力，使雷达具有重新配置的能力并更为灵活，美军认为这是改变雷达系统设计游戏规则的一项重大进步^[6]。

总体来看，美国目前在“软件化雷达”系统和开放式体系结构技术等方面发展迅速，已经基本完成了技术演示验证，即将进入型号研制阶段。

在国内，对“软件化雷达”技术的研究也在迅速发展。从“十一五”开始，清华大学电子工程系雷达与阵列信号处理实验室就提出并开展了“软件化雷达信号处理系统”的研究工作，到目前为止，已经独立自主研制出“软件化雷达信号处理系统”RadarLab2.0。该系统采用了可视化和模型化开发技术，具有灵活扩展功能和资源的能力，同时能够支持TS201、PowerPC等多种硬件平台技术，系统体系架构和接口规范的设计也可以支持底层软硬件的持续不断升级，使得系统具有了良好的可扩展性和可移植性。

同时，国内其他科研单位，如中国电科14所、38所、航天科工23所、国防科技大学、西安电子科技大学、北京理工大学以及国内一些公司，开展了大量国产化DSP处理器、CPU处理器、高性能ADC采样技术和OpenVPX雷达信号处理平台等方面的研制工作，这些技术为软件化雷达的发展提供了坚实的数字化技术基础。

近年来，在“十二五”期间，中国电科38所、清华大学、国防科技大学、西安电子科技大学联合开展了数字化软件化雷达试验平台的研制工作，对软件化雷达信号处理系统、射频数字直接采样、数字多波形信号发射等关键技术进行了研究。

但是，总体来看，国内目前大多数科研单位的研究重点更多地还是集中在对数字化技术以及新型雷达工作模式的功能验证方面，从“软件化雷达”的理念出发来开展技术验证的工作还没有得到突出和重视，这使得我国在“软件化雷达”的技术体制演示验证以及型号研制规划方面，目前稍落后于美国。

我们认为，“软件化雷达”的定义可以表述为：

“软件化雷达”是具有标准化、模块化和数字化技术特点的新型雷达系统，具有开放式体系架构，可以适应“面向实际需求，以软件技术为核心”的开发理念，以软件化开发模式灵活地实现系统扩展、更新和升级。

在上述定义中，我们重点强调以下3个方面特点：

(1) 系统具有鲜明的标准化、模块化和数字化技术特点：这里的标准化是指系统的构建过程是在一系列标准和规范的技术框架内进行的，例如，系统的硬件设计标准、输入/输出接口标准以及软件设计规范等。模块化则是指系统的软、硬件是由符合标准和规范的组件构成。数字化技术则是指系统中除必要的射频模拟组件外，其余部分尽可能用数字化技术来实现，以支撑软件化开发模式。

(2) 系统具有开放式体系架构：开放式存在3个层面的含义，第一、支撑技术的开放性，指系统具有层次化体系结构，可以支持系统中的标准、规范以及软硬件模块的升级换代和不断更新，局部的技术升级不会影响到系统的整体架构；第二、功能和性能的开放性，系统可以通过软件化开发的模式，不断改进、扩展功能，以支撑性能的不断提升；第三、系统集成的开放性，在利用软硬件组件进行系统集成的过程中，可以采用集采众长、多家联合的模式进行，针对现时技术水平，最大程度地优化系统的功能和性能。

(3) “以软件技术为核心，面向实际需求”的开发理念：传统的雷达系统采用了“以硬件技术为核心，面向专用功能”的开发模式，即总体单位提出功能要求，制定出相应的技术和性能指标，然后承研方研制出专用系统以满足这些技术和指标要求。而软件化雷达系统则强调应当进一步面向实际应用需求，通过软件重构和升级，不断更新改进系统，扩展系统功能，提高雷达性能，实现对实际军事需求的快速响应。

我们认为，从发展阶段来看，可以大致分为“模拟定制雷达”、“数字化雷达”、“软件化雷达”、“智能化雷达”等不同发展阶段。不同阶段之间的关系可以用图 1来描述。

图 1(Fig.1)

图 1 雷达系统技术的发展阶段 Fig.1 The development stage of radar system technology

“模拟定制雷达”，采用了典型的“以面向功能为核心”、系统功能和硬件平台紧密绑定的开发模式。系统存在开发周期长、功能单一，难以升级换代等诸多问题。20世纪90年代以前的雷达系统主要都处于这一发展阶段。

“数字化雷达”技术内容中则包含了数字波形产生、高速数字采样、数字信号处理等一系列高性能数字化技术，在过去的20年里已经得到了快速发展并逐渐成熟。这些技术使得数字波形发射/接收、射频采样、数字波束形成等已经在越来越多的雷达系统中得到应用，这一阶段以数字阵列雷达为典型代表，从20世纪90年代开始至今仍在不断发展。

“软件化雷达”则是在“数字化雷达”技术的基础上，进一步强调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。近5年以来在雷达技术领域内出现并逐步得到越来越多的重视。“智能化雷达”则是在数字化和软件化雷达的基础上，进一步强调雷达系统整体工作机制的智能化，即面对环境、任务和需求的变化，通过波形/模式变化、机器学习、专家系统、多平台协同等新型模式和结构的引入，以优化雷达系统的信息获取能力。这将成为现代雷达技术发展的重要方向。

我们认为：

当前的雷达系统技术，正处于从“数字化雷达”向“软件化雷达”逐渐过渡的关键时期，近年来出现的“认知雷达”，则属于“智能化雷达”发展初期的概念构想。“软件化雷达”的实现和发展，将为“智能化雷达”的发展提供坚实的技术基础。

“软件化雷达”代表了雷达系统技术发展的最新方向，将在以下3个方面产生重要影响。

传统的雷达系统采用了“以硬件技术为核心，面向专用功能”的研发模式，如图 2所示。

图 2(Fig.2)

图 2 传统雷达系统自上而下的串行研发模式 Fig.2 Top to bottom serial developing model of traditional radar system

即用户方对具体的研制方提出对雷达系统的研制需求以后，研制方分解为相应的技术和战术指标，然后在研制方内部开展研制工作，具体的底层软、硬件开发者针对分解后的指标，采用特定技术进行开发。这是一个自上而下的串行研发模式，从技术上看，存在各环节耦合性强，研制周期长、新技术更新慢等问题。

“软件化雷达”系统采用了分层解耦设计的思想，如图 3所示。即通过一系列标准、规范和协议的制定，使得系统的不同层次的开发具有了较强的独立性，因此可以形成如图所示的并行研发模式。由于不同层次的技术可以在技术标准和规范框架的指导下，不断动态发展更新，系统研发可以形成一种各层次动态更新并行发展的模式，系统的技术更新、功能和性能扩展的速度将得到大幅度提高，第三方技术的集成也成为可能。

图 3(Fig.3)

图 3 “软件化雷达”分层并行研发模式 Fig.3 Parallel developing model of “Software Radar”

从图 2可以看到，传统的研发模式符合定制型系统开发的思想，系统的具体应用和装备的技术状态是绑定在一起的。一旦系统型号确定、装备研制完毕，可修改、扩展和改进的空间很小，因此用户方在具体应用中所出现的一些问题和改进的需求，往往不能得到及时和有效地响应，导致装备更新速度较慢，新技术往往得不到有效的应用。

而“软件化雷达”分层并行的研发模式中，则可以支持系统对用户方动态变化需求的及时响应，也可以支持不同层次新技术的不断升级扩展。

“软件化雷达”技术的发展对雷达装备的管理模式也将产生影响，体现在以下方面：

(1) 装备型号将可能得到缩减

由于“软件化雷达”技术更加注重系统的标准化、模块化和软件可定义性，系统的各组成部分的通用性将会得到有效提高。因此，对改进目前我军雷达装备型号较多、功能相似的情况会起到积极的促进作用。

(2) 装备的研制思想将从“使用寿命长”向“研制周期短”的方向发展

传统的雷达装备研制强调“使用寿命长”，而现代雷达系统工作的探测环境和目标则处在不断动态变化、发展之中，对雷达系统适应新应用需求、以及未来潜在需求的能力的要求不断提高。“软件化雷达”技术得到充分发展以后，将会有效地促进装备从“使用寿命长”向“研制周期短”的方向发展。

(3) 装备研制过程将更具开放性

现有的雷达系统装备研制过程一定程度上是一个较为封闭的过程，主要由承研单位利用单位内部的技术力量来完成。“软件化雷达”开放式体系架构的设计模式将使得未来雷达装备在研制过程中允许更多的技术单位参与，优化集成后的系统总体性能和功能将有可能得到进一步提升。

“软件化雷达”是一个完整的系统概念，其技术框架内包含了软件化雷达体系架构、软件可定义宽带射频前端、数字化接收机、软件化雷达系统信号/信息处理系统以及软件化雷达设计标准和规范等多方面的内容。限于篇幅，其余方面的内容将另文撰述，本文重点介绍清华大学在软件化雷达信号处理机技术方面的研究进展，以帮助读者了解“软件化雷达”的典型技术特征。

清华大学电子工程系雷达与阵列信号处理实验室(RASPLAB)是国内最早开展“软件化雷达信号处理系统”技术研究的单位，在“十一五”和“十二五”期间，系统地开展了软件化雷达信号处理系统的体系架构、数据流驱动模型化开发技术、中间件技术和集成开发环境的研究工作，目前已经开发了具有独立自主知识产权的软件化雷达信号处理试验系统RadarLab2.0。

RadarLab2.0采用了软件和硬件解耦的体系架构，信号处理流程可在多种硬件平台架构上实现快速移植，包括多TS201处理器、多PowerPC处理器和多CPU系统。用户可以构建并扩展雷达信号处理模块库，并利用可视化开发模式，利用多种模块，通过通信流程和工作参数的定义和配置，快速开发雷达信号处理系统。

利用RadarLab2.0开发雷达信号处理系统的过程可以参见图 4。第1步，用户利用可视化开发集成界面开发雷达信号处理流程，主要过程是基于雷达信号处理模块库，完成各种模块的参数设置和通信关系配置的工作，建立系统处理流图。第2步，完成系统处理流图到实际多处理器硬件平台的映射工作，即建立各处理模块和实际处理器之间的逻辑关系映射表。第3步，根据实际多处理器系统的配置和结构，完成实时处理代码的自动生成过程，即产生各个处理器上实际运行的底层代码。第4步，完成处理器代码的编译和链接工作，并加载运行。第5步，利用RadarLab2.0提供的调试工具，对系统实时运行的状态和重要变量进行监控和调试，相应的信息可以反馈回用户用于进一步优化设计处理流图和映射方案。

图 4(Fig.4)

图 4 RadarLab2.0的开发模式和流程 Fig.4 Developing procedure by using RadarLab2.0

总体来看，RadarLab2.0具有如下技术特点：

(1) 系统设计采用了层次化体系结构，通过层级之间的接口规范定义实现了对底层硬件的屏蔽和封装，在上层可视化应用任务开发和底层硬件之间实现了解耦。即顶层雷达系统设计人员可针对信号处理任务的需求，直接利用可视化模块来构造信号处理流程，无需考虑具体的底层硬件结构、数据通信和处理过程。因此，可以支持上层应用任务对底层软/硬件的升级和跨平台移植。

(2) 系统提供了灵活的雷达信号处理和数字信号处理模块库的构建机制。一方面，系统提供了基本模块库，另一方面，用户和第三方可以根据应用需求，灵活地开发模块，构建方便使用的模块工具包，实现对模块库的扩展。

(3) 系统提供了代码自动生成功能。用户利用图形化模块完成流程开发任务并选定映射方案以后，系统可以直接自动生成支持底层高效实时运行的程序代码。

(4) 系统提供了丰富的调试和测试工具。系统提供了内存读写、图形显示和文件存取等功能，便于用户对处理流程和处理结果进行调试和功能测试。

图 5给出了利用RadarLab2.0开发软件化雷达信号处理系统的一个具体应用实例。该系统利用基于CPCI机箱的TS201处理板构建，包含了4块CPCI多TS201处理器板(共32片TS201处理器)、48通道高速光纤通道接口板和主控板。基于RadarLab2.0提供的雷达信号处理模块库，快速构建了2种处理流程，即常规窄带搜索处理模式(含脉冲压缩、MTD、CFAR、点迹凝聚、数据处理等功能)和宽带ISAR成像处理模式(高分辨1维距离像和2维像)。这2种流图可以通过自动代码生成功能，转化到对应的底层实时处理代码，然后加载到多个DSP处理器上实现。流图开发时实现了模块的灵活复用和扩展。图中同时给出了在外场试验时的系统处理结果。

图 5(Fig.5)

图 5 软件化雷达信号处理系统RadarLab2.0 (TS201处理器系统) Fig.5 Software radar signal processing system RadarLab2.0 (TS201 processor)

图 6则给出了RadarLab2.0在PowerPC处理器上实现的实例。系统由多片PowerPC8640处理器组成，实际系统中的存储管理、数据通信等底层实现技术和上述TS201系统截然不同。但是，通过实现层次化技术架构和中间件技术，RadarLab2.0在两种平台上可以按照同样的图形化开发模式供用户使用，实现了开发模式的跨硬件平台移植。

图 6(Fig.6)

图 6 软件化雷达信号处理系统RadarLab2.0 (PowerPC处理器系统) Fig.6 Software radar signal processing system RadarLab2.0 (PowerPC processor)

RadarLab2.0是我们在“软件化雷达”技术发展思想的指导下，在软件化雷达信号处理系统技术领域开展的研究工作。目前的研究成果表明，“软件化雷达”的3个核心技术理念在信号处理系统领域是可以实现的，具体表现在：

第一，标准化、模块化和数字化的技术特点：在RadarLab2.0系统中，我们在体系架构上提出了一系列不同层次的软硬件接口和中间件开发规范，整个系统的研制都遵循了这些规范，使得系统很好地实现了软硬件之间的解耦，即顶层用户在设计雷达信号处理流程时，底层硬件是完全透明的。同时，在构建不同处理模式流程图时，基本模块可以重复使用。用户也可以灵活地扩展模块库，体现了模块化的特点。整个系统的输入/输出、实时计算处理都基于高性能数字化处理技术实现。

第二，开放式的体系架构，系统的处理模式可以灵活地增加、升级和扩展，即用户可以通过更换流程图中的模块来改进性能，也可以搭建新的处理流程来扩展系统工作模式。同时系统还支持同样的处理流程在不同硬件平台上运行，支持系统的升级和换代。而且，雷达信号处理模块也可以由第三方来开发实现。这些特点都表明RadarLab2.0具备了良好的开放性架构。

第三，体现了“以软件技术为核心，面向应用需求”的设计理念。RadarLab2.0开发实现的雷达信号处理系统，可以灵活地根据应用需求，实现动态的调整。开发者可以方便地更新、替换流程中的模块，或者重建新的流程图来改进系统性能，这一过程无需对底层硬件做大的改动，只需要相应地增加或减少处理板卡即可。因此，可以实现对实际应用需求的快速和动态响应，使得雷达信号处理系统具有了很大的灵活性。

“软件化雷达信号处理系统”的实现，对于进一步推进我国“软件化雷达”技术的发展具有重要的意义。以对空情报雷达系统为例，目前的系统大都采用传统的“以硬件技术为核心，面向专用功能”的开发模式实现，在多年的实际应用中，我们发现存在以下的问题。

(1) 雷达系统更新换代困难。由于以硬件技术为核心，所以系统的信号/数据处理系统往往是针对当时的硬件技术水平、采用专用的设计方案来实现。这导致系统研制周期很长，而且技术更新非常困难。

(2) 雷达系统功能扩展困难。由于都是采用针对专用功能的设计思想，因此系统的功能往往是固定的，不能够适应快速动态变化的战场任务需求。例如，从传统探测飞机目标的任务如果想进一步扩展到兼顾导弹目标的探测，系统的整体软硬件都需要做很大的变动。

(3) 雷达系统对用户需求的响应速度很慢。在实际应用条件下，同一型号雷达往往需要针对特定的阵地条件进行调整才能够达到最佳的匹配性能，而在传统开发模式下，很难对系统进行这样动态的调整。同样，用户使用过程中出现的一些问题，研制方往往很难在较短的时间内进行响应和改进。

(4) 雷达系统的开发不具有开放性。现有的系统往往由特定研制方研制，因此系统所有组成部分的性能均由该研制方当时的开发水平决定，不能够形成开放性的体制、用最优集成的方式来开发系统，导致系统的性能不能得到进一步优化。

“软件化雷达”技术的发展，将有利于上述问题的解决，为新一代对空情报雷达系统在功能和性能上的提升奠定重要的技术基础。值得指出的是，上述问题其实在很多种体制雷达系统中都是普遍存在的，因此，尽早把我国雷达系统开发技术推进到“软件化雷达”的发展阶段，具有重要的价值和应用前景。

“软件化雷达”是雷达系统技术发展的一个重要阶段，该技术改进了传统雷达的研制模式，是不断变化的军事需求与当今快速发展的IT产业相互结合的产物，具有解决雷达研制周期长、型号庞杂、维护保障和升级换代困难等问题的潜力，可以形成快速响应新军事需求的能力，应当引起我国雷达领域工作者的广泛重视。

本文最后，我们有以下两点建议供领导机关和业内同行参考：

(1) “软件化雷达”技术是雷达系统平台技术发展的最新前沿，我国自主研发的水平和美国差距不大，应该尽早结合相关体制雷达系统，有针对性地开展“软件化雷达”方面的课题研究和技术演示验证工作，以推进该领域迅速发展。

(2) “软件化雷达”技术的发展，预示着当代雷达系统技术已经逐步进入了以“软实力”为核心的发展阶段。开放式体系架构、软件、行业标准和规范等都是雷达系统技术“软实力”的重要内容，因此，应当及早加强在这一方面的投入和扶持，以尽快丰富成果、培养人才，使得我国的“软件化雷达”技术能够走在国际前沿，并为后续“智能化雷达”的发展奠定坚实的技术基础。