软件化雷达系统的软件质量评估指标体系

曾乐天 赵龙飞 杨春晖

摘  要： 为有效评估软件化雷达（software defined radar， SDR）系统的软件质量，建立了软件质量评估指标体系总体架构，给出了各评价指标的概念定义和评测方法。首先介绍了SDR的概念内涵、体系架构和典型特征。然后，在对系统软件进行分类的基础上，结合现有的软件质量评估指标，增加反映SDR系统典型特征的指标，并从功能性、可靠性、易重构性、合规性等8个方面，对系统软件的各项指标进行探讨，为业内同行进一步开展相关研究工作提供有益的参考。

关键词： 软件化雷达;软件质量;软件分类;评估指标体系;易重构性

中图分类号： TP311.5    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.001

本文著录格式：曾乐天，赵龙飞，杨春晖，等. 软件化雷达系统的软件质量评估指标体系[J]. 软件，2019，40（4）：0106

【Abstract】： To effectively evaluate the software quality of the software defined radar （SDR） system， the evaluation index system of SDR is constructed. Meanwhile， the concepts along with evaluation methods for each index are given. Firstly， the conceptual connotation， features and architecture of SDR are described. Based on the classification of software in the SDR system and available evaluation indexes of software quality， the indexes that reflect the features of SDR are added and the evaluation index system is constructed from eight aspects， such as functionality， reliability， reconfigurability as well as compliance. Moreover， each of the evaluation indexes is discussed in order， providing helpful suggestions for industry peers in further associated research work.

【Key words】： Software defined radar （SDR）; Software quality; Classification of software; Evaluation index system; Reconfigurability

0  引言

“软件化雷达”[1-6]概念最早由美军在2010年提出，即雷达系统功能可软件定义。软件定义技术[7]的本质是硬件资源虚拟化，管理功能可编程，即硬件资源抽象为虚拟资源，然后用系统软件对虚拟资源管理和调度。SDR是采用“平台+”战略思想，尽可能使用软件，最大化发挥软件效能，通过软件灵活实现系统功能定义、资源配置、模式扩展和性能提升，以满足多种实际需求，更好地服务于应用。相对于模拟雷达和数字化雷达，其优势主要体现在雷达设计和功能升级扩展时更新软件的便捷性和低成本。保障系统软件的质量[8-10]，是保障SDR系统的功能、性能等正常发挥的关键。因此，对SDR系统的软件质量做出科学、准确评估，是值得深入研究的课题。

文献[11-13]详细介绍了基于系统与软件质量要求和评价的软件质量评价框架[11-13]，然而，针对SDR系统软件的质量评估指标体系，却鲜见研究。

本文首先介绍SDR技术的体系架构，在此基础上，对SDR技术进行深入分析，并对SDR的系统软件进行分类。然后，从功能性、可靠性、易用性、效率、维护性、可移植性、易重构性、合规性8个方面，进行综合評估，给出了系统软件质量评估指标体系总体架构，并对SDR系统软件质量的评估进行探讨，并为业内同行进一步开展相关研究工作提供有益的参考。

1  SDR

本部分主要介绍SDR的内涵、体系架构与实现方法，以及典型特征。

1.1  概念内涵

SDR是以开放式体系架构为基础，采用面向应用的开发模式，通过软件定义技术实现系统功能扩展的新一代雷达。需要说明的是，在SDR中，由软件实现的功能点较多，这就要求雷达软件化水平必须与软件技术水平相适应。SDR的本质是通过软件实现对硬件和操作流程的精准控制，从而达到系统功能的软件定义这一目标。而SDR技术是一种设计理念，一种平台基础技术而非应用技术，无法直接提高雷达装备作战性能，但可以通过硬件重组和软件重构，快速应用新技术，省时省力地研制出高易用性、易于升级扩展的雷达。SDR技术面向的是雷达装备研制问题，落实到某一款具有不同使命任务的雷达，其目标就有所不同。

国外SDR经历从概念架构、演示验证到应用推广的发展阶段，已成功应用于合成孔径雷达。目前，国内软件化的雷达还处于起步阶段，雷达的信号产生和处理几乎都靠软件来实现，雷达的功能扩展性得到较大提高，但硬件平台的通用化、软件的通用性及可移植性仍然处于初级阶段，尚未形成统一的标准。SDR的硬件呈现出标准化、模块化、系列化的趋势，尽可能使用商用货架产品代替定制的构件产品，以便第三方技术能够广泛应用。

SDR主要包括天线、数字波束形成、信号处理、数据处理、显示终端5个部分，如图1所示。其中，可以软件化实现的有数字波束形成、信号处理、数据处理，而天线、终端等硬件设备则不能通过软件化实现。

SDR的真正难点在于前端，具体来说，在于难以构建适用于多种体制的通用天线。例如，预警雷达与合成孔径雷达工作机理不同，天线形状、尺寸差别较大，难以实现同时适用于上述两种体制的通用天线。当前的解决办法是天线的模块化，将不同体制的天线做成不同的天线模块，当需要使用某种体制的天线模块时，选择相应的天线模块即可。

在信号处理部分，通常将特定的算法程序烧写到相应的处理板卡内，整个过程与硬件耦合紧密，且需要定制板卡，通过采用严格界定功能和接口形式，逐步推进标准化和模块化;对于软件组件，在实施过程中逐步确定各个组件间数据传递信息内容和信息表达格式规范，修正组件封装模板，实现应用层面的软硬件解耦和复用。

在数据处理部分，亦可通过操作系统等中间件实现软硬件解耦。现有的SDR，重点提升SDR的数字后端能力，其软件化水平主要体现在后端的软件重构上，即不同功能软件构件的即插即用。

此外，SDR隐含了一个假设，即硬件有足够的能力100%执行软件发出的指令。这对硬件性能提出了很高的要求，在雷达软件开发时不需过多的关注硬件性能对软件和系统的影响。在实际中，SDR的瓶颈恰恰在于硬件。

1.2  体系架构

SDR体系架构包括3个组成部分：硬件平台、雷达操作环境和应用层组件，SDR系统采用分层解耦的思想，分为硬件层、系统层、抽象层、架构层和应用层5个层次，如图2所示。

硬件平台主要由数字信号处理资源和雷达天线阵面组成。数字信号处理资源，如数字信号处理器、可编程逻辑门阵列、微处理器等，可重构计算资源，并可扩展处理能力。采用模块化设计构建雷达天线阵面，可重构阵面孔径[5]。

雷达操作环境主要由硬件抽象、平台抽象、核心架构3部分组成，涉及系统层、抽象层和架构层。其中，硬件抽象属于系统层，包括操作系统、驱动程序、内部处理器通信模块等，用于实现SDR系统资源的调度与管理，为不同应用提供相应的雷达天线阵面和计算资源;平台抽象属于抽象层，采用统一软硬件描述语言、通讯协议等对接口进行定义和描述，并确定统一的接口规范;核心架构属于架构层，包括实时处理框架、并行计算框架、数据分发与通讯架构等，负责通讯，并为上层应用提供统一的、开放的应用程序接口。系统层、抽象层和架构层之间的独立性很高，抽象层和架构层统称为中间件，雷达操作环境通过管理、通信等中间件来解耦软硬件，并为上层应用组件提供统一的接口和操作环境，是SDR技术的核心部分。

应用组件包括波束形成、信号处理、数据处理、综合显示和配置管理等模块，根据雷达系统的不同需求，选用不同的模块，以实现探测、干扰、侦察、通信等多功能、多任务为目的。应用层组件采用模块化设计，通过建立统一的标准接口、调用方式等规范，与架构层进行通讯，其自身具有可独立升级和修改、即插即用的特点，确保“功能重组”能力。在应用组件的开发过程中，可以吸引大量的高水平企业参与应用层组件的研发，吸收优秀的商用成果，同时，博采众长，促进高新技术企业之间的强强联合，形成应用层组件的第三方技术集成、多样化供应商供货及可替换单元量产的模式。

1.3  典型特征

SDR可看作在开放式体系架构[1]基础上通过软件实现系统功能扩展、重构的，其中，开放式体系架构是实现SDR的基础。SDR的技术特征主要包括如下3个方面：（1）开放式体系架构;（2）软硬件解耦;（3）功能性能软件化。

1）开放式体系架构

开放式体系架构具有如下特点：（1）基于雷达系统功能分解和雷达工作机理、软硬件资源开放的层次化模块化结构;（2）组成雷达系统的各分系统遵循标准的接口规范，以一种可预测的方式进行交互，单个子系统或组件即使被替换也不会影响到系统其它部分;（3）硬件模块化、标准化、系列化，并充分利用商用货架产品;（4）软件的通用化，采用独立于硬件设备的应用软件，提高了软件的通用性和可维护性;（5）引入了智能机制，分系统可以产生自身的控制信息并自行驱动，各个模块的测试和控制就能在整个系统集成之前进行。

2）软硬件解耦

软硬件解耦的含义是包括两个方面：（1）同一套组件可在不同平台下正常工作，不依赖于具体平台，即代码具有可移植性，可在不同操作环境之间进行转换;（2）以功能为导向，在架构层上可插入实现不同功能的应用组件，即可实现功能扩展。对于应用组件来说，只需定义好标准的接口规范，而无需关注接口以下由不同层构成的雷达操作环境。SDR通过操作环境、通用软件设计规则和逻辑设备来解耦软硬件。统一开放的操作环境为上层应用的开发提供统一的、开放的应用程序接口;基于面向对象技术和中间件技术，使用接口定义语言对接口进行定义，使用统一建模语言对接口进行描述;基于商用标准和货架产品，确定统一的通用硬件规范。

3）功能、性能软件化

功能、性能软件化是指雷达可通过该软件定义来扩展功能，提升性能。通常，SDR从应用角度考虑，更关注应用功能、系统功能本身，强调能做出更好的应用，而不关心采用何种算法实现。软件模块可由第三方开发，促进了第三方应用程序的广泛应用。此外，通过引入市场竞争机制，择优选取高性能、易于集成的產品，使得高品质软件能够强强联合使用，发挥出最大的效益，以便快速适应需求，有效扩展能力。

2  SDR系统软件的分类

SDR实现的前提是硬件完全能够满足软件的需求。此时，系统功能基本上取决于运行其上的系统软件，加载雷达软件即为雷达设备。在前端，软件主要起逻辑控制的作用。信号处理和数据处理是SDR系统的核心组成部分，软件主要集中在信号处理、数据处理、显示控制等后端处理模块。因此，可将SDR系统软件主要分为四类：

1）前端控制类软件，包括波束/时序控制软件、系统校准软件以及系统自检软件等;

2）信号处理类软件，对目标回波数据进行检测、预处理等操作，如点迹提取、线内相关;

3）数据处理类软件，实时接收信号处理类软件的结果，并进行航迹维护、融合等工作并将航迹发送至下一处理程序中;

4）后端显控类软件，如人机交互软件，将接收的信息在界面显示出来，并对雷达系统下发控制指令。

3  软件质量评估指标体系

本部分以软件为核心，以软件产品质量指标为基础，增加反映SDR系统典型特征的指标，提出SDR系统软件评价指标的概念定义、评测方法和标准，构建SDR评估指标体系的总体框架，如图3所示。

3.1  功能性

当系统软件在特定的使用条件下，提供满足明确需求和隐含需求功能的能力。

1）适合性

系统软件为特定的任务和用户目标提供一系列合适功能的能力。

2）准确性

系统软件提供满足精度要求的、正确的或者相符的结果/效果的能力。

3）互操作性

系统软件与一个或多个规定系统进行交互的能力。

4）安全保密性

系统软件保护信息和数据的能力，使得未授权的人员或系统不能阅读或修改这些信息和数据，并接收授权人员或系统对它们的访问。此外，当SDR在执行任务时，如遇特殊情况，如战机在敌占区迫降，为了保证高新技术不致被敌方获取，可以启动安全自毁程序，使SDR中的高精尖系统得以迅速自毁，达到先进技术不外泄的目标。

5）功能性的依从性

系统软件遵循与功能性相关的标准、约定或法规以及类似规定的能力。

3.2  可靠性

在特定条件下使用时，系统软件维持规定性能级别的能力。

1）成熟性

系统软件为避免由软件中的故障而导致失效的能力。

2）容错性

在软件出现故障或者违反其特定接口的情况下，系统软件维持规定性能级别的能力。

3）易恢复性

当失效发生的情况时，系统软件重建规定的性能级别并恢复受直接影响的数据的能力。可用软件产品失效时间的长短来评估SDR系统的易恢复性。

4）可靠性的依从性

系统软件遵循与可靠性相关的标准、约定或法规的能力。

3.3  易用性

在特定条件下使用时，系统软件被理解、学习、使用和吸引用户的能力。

1）易理解性

系统软件使用户能理解其是否合适以及如何能将其用于特定的任务和使用条件的能力

2）易学性

系统软件使用户能学习其应用的能力。

3）易操作性

系统软件使用户能操作和控制它的能力。

4）易用性的依从性

系统软件遵循与易用性相关的标准、约定或法规的能力。

此外，SDR系统软件对用户愉悦、美感的需求不如移动APP强烈。

3.4  效率

在规定条件下，相对于所用资源的数量，系统软件可提供适当性能的能力。

1）时间特性

在特定条件下，系统软件执行其功能时，提供适当的响应、处理时间以及吞吐率的能力，如处理单个任务所消耗的时间、处理并行任务的能力。此外，由于许多SDR系统软件为实时控制软件要求较强的实时性，且其执行结果的正确性与程序逻辑计算的输出、程序执行的先后次序等时间因素密切相关。例如，雷达系统信号处理软件必须对回波数据实时解算，以检测出目标，即运算必须在一个有效周期内完成。

2）资源利用性

在规定条件下，系统软件执行其功能时，使用合适数量和类别的资源的能力。

3）效率依从性

系统软件遵循与效率相关的标准或约定的能力。

3.5  维护性

系统软件可被修改的能力，其中，修改的内容包括改进软件，软件对环境、需求和功能规格说明变化的适应。

1）易分析性

系统软件诊断其缺陷、失效原因或者识别待修改部分的能力。

2）易改变性

系统软件使指定的修改可以被实现的能力。

3）稳定性

系统软件避免因修改而造成意外结果的能力。

4）易测试性

系统软件使已修改软件能被确认的能力。在SDR中，测试模块将成为SDR系统本身的一部分，能够支持测试用例的自动批量执行，并对SDR统应用软件进行功能、性能、实时性、可靠性等测试，覆盖雷达典型故障场景。

5）易升级性

系统软件为满足用户需要而发生变化、但保持继续工作的能力。通常，系统软件不仅可在升级后的条件下正常工作，还具有实际的优势，如性能的改善。SDR系统的升级，在很大程度上是软件的升级。由于软件的比重很高，其易升级性将变得极为重要。

6）维护性的依从性

系统软件遵循与维护性相关的标准或约定的能力。

3.6  可移植性

系統软件从一种环境迁移到另外一种环境的能力。SDR系统通过中间件技术，完成底层硬件和应用层软件的解耦，支持应用层软件直接迁移到不同的硬件平台和操作系统。

1）适应性

系统软件毋需采用额外的活动或手段即可适应不同指定环境的能力，如应用软件的跨平台可移植性。

2）易安装性

系统软件在指定环境中被安装的能力。

3）共存性

在公共环境中，系统软件同其他与其分享公共资源的独立软件之间共存的能力。

4）易替换性

系统软件在同样环境下，替代另一个相同用途的特定软件产品的能力，即能够支持第三方商业软件的快速应用。

5）可剪裁性

各种应用系统在具有开放结构特性的各种系统间进行移植，且在高性能机上运行的应用系统经过裁剪后可在低性能机上运行。

6）可移植性的依从性

系统软件遵循与可移植性相关的标准或约定的能力。

3.7  易重构性

在统一的运行环境下，SDR系统软件可以根据任务需求动态配置和执行不同的雷达应用软件，实现不同的功能，完成不同的任务。

1）可扩展性

软件支持第三方按照设计标准进行二次开发和改造升级，且允许处于相同层次或者不同层次的所有软件模块代码修改能够平稳地发生，而不会影响或者波及到其它软件模块。

2）易集成性

SDR系统软件的易集成性包括探干侦通一体化的多功能、多任务集成，基于组件库的增量式集成，实现不同供应商软件产品优势的强强联合。

SDR装备在研制过程中应允许更多的技术单位参与，使得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。此外，可以通过强强联合，集中优势力量，生产出优质产品。因此，以集成为核心，吸引大量高水平企业参与的模式，可最大程度优化系统的功能和性能。SDR集成能力可从集成开发环境技术、各分系统软件的横向集成能力，各分系统软件的纵向集成能力，性能性价比的高低、集成总体单位在管理和配置资源方面的能力、供应商的数量及技术水平等6个方面来综合考量。

3）可复用性

可复用性是指系统软件具有可以多次使用的特性，以便获得较高的生产效率和软件质量，同时降低软件成本降低，改善系统的可维护性。

4）兼容性

在开放式体系架构下，SDR的系统软件能稳定地工作在若干个操作系统之中，而不会出现意外的退出等问题。

3.8  合规性

SDR的系统软件具有满足国际标准要求的特性，如雷达应用软件、软件环境等设计标准与规范，要求接口标准开放，支持第三方按照设计标准进行二次开发和改造升级等，以达到在雷达整体功能重构、组件化开发与集成、接口标准开放、统一通信体制、技术成果复用等方面的目标。

4  结束语

本文在介绍SDR的概念内涵、体系架构和典型特征的基础上，从功能性、可靠性、易用性、效率、维护性、可移植性、易重构性、合规性8个方面，构建SDR系统软件的质量评估指标体系，并对SDR的各项评估指标进行了详细探讨，为业内同行进一步开展相关研究工作提供有益的参考。鉴于软件在系统中的比重较高且SDR系统的功能由软件来实现，如何对SDR系统的软件进行高效、充分的测试与验证，将是下一步研究工作的重点。

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