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四大创新基础技术驱动雷达技术的发展

发布时间:2019-04-08      点击:

人类在掌握电磁波技术的50年以后,发展出了无线电雷达技术,它在第二次世界大战中崭露锋芒,发挥了巨大的作用。近二十多年来世界上发生多次局部高技术战争,使我们清楚地认识到雷达观察的目标发生了重大变化,雷达工作的电磁环境严重恶化,并对雷达的发展产生了巨大的影响。随着微波、计算机、半导体、大规模集成电路等各个领域科学进步,也使雷达技术发生了革命性跃进,其内涵和研究内容都在不断地拓展。雷达功能也由单一功能慢慢演变成多任务、多功能雷达系统。

当前面对日益复杂多变的战场电磁环境挑战,各国都在大力提升电子战装备的智能化水平。随着信号产生技术、高功率发射技术、天线技术、信息处理技术等电子信息技术的发展,雷达技术的发展进入新的阶段。主要表现为雷达的工作频率、带宽、分辨率都在提升,集探测、跟踪、通信、分析的多功能雷达架构,数字化技术向雷达天线端前移,真空管器件逐渐被固态器件替代,阵列雷达阵元数量的不断增加,认知电子战及人工智能在雷达领域的深入应用等。

雷达的工作频率、带宽、分辨率都在提升,更大的工作带宽能够使雷达获得更高的分辨率,多波段、共享频谱使得雷达能够在多个波段同时工作,高的工作频率使得雷达更加小型化从而能够在更小的平台上安装。

集探测、跟踪、通信、分析的多功能架构,如今一部机载雷达能够完成搜索、跟踪、火控、天气、合成孔径等多种功能,而F22、F35等四代战机配置的综合孔径系统则能实现雷达、通信、电子战一体化。

数字化技术向雷达天线端前移,表现在雷达天线由机械扫描向相控阵电子扫描发展,无源相控阵(PESA)向有源相控阵(AESA)、数字阵列雷达(DAR)发展,数字波束形成(DBF)技术得到大大的发展等方面。

真空管器件逐渐被固态器件替代,固态器件具有更好的性能(GaAs,GaN,SiC)、更低的成本,可以实现微波单片集成电路、片上系统以及片上雷达等。

阵列雷达阵元数量不断增加,得益于阵元成本、尺寸、功率不断减小,使得阵列雷达天线具有更高的集成度,阵元数量不断增加。
     随着人工智能技术的迅速发展和在军事领域的逐步应用,智能雷达和智能雷达技术已经引起国内外广泛关注。加强智能雷达及其关键技术研究,既是雷达技术发展的需要,更是提高雷达作战能力的关键。

除了传统的国防领域雷达技术得到快速发展外,近年来随着5G、自动驾驶、无人机等技术大热发展,毫米波雷达技术变的炙手可热。同时物联网应用范围的不断扩大,目前雷达技术在民用领域发展已经超越一般人对雷达技术的想象,从智能路灯到运动检测,从血压监测到心率监测,雷达技术在物联网和嵌入式设计中的创新应用遍地开花,雷达传感器已成为物联网和嵌入式设计中的重要设计单元。

新的雷达技术发展和不断出现的创新应用,给设计和测试雷达系统的科学家和工程师带来了新的挑战。但这些挑战也为创新提供了机会,因为这要求工程师使用更具成本效益和时间效益的方法开发日益复杂的系统。为了支持这些新技术和新应用的发展,基础技术也在不断发展来应对这些挑战,小编认为以下几个方面将在未来几年内对雷达技术产生最大的影响。

转换器技术每年都在不断进步。现在在同等分辨率下,来自主要半导体公司的模数转换器(ADC)数模转换器(DAC)的采样率比五年前的转换器要快好几个数量级。这些高速ADC的分辨率提高也为雷达提供了更高的动态范围和更宽的瞬时带宽。动态范围是决定最大工作范围的关键要素。

FPGA技术也在不断发展。现代FPGA包含更多逻辑,提供更高的每瓦计算能力,并支持高达150 Gb/s的高速数据流和专用IP模块。当今的高FPGA计算能力为五年前根本无法实现的创新技术打开了大门。

基于新FPGA技术的一个创新领域是机器学习在认知雷达中的应用。这些技术提高了雷达对环境的响应能力,从而提供更具可操作性的信息。机器学习并不是运行预编程的模式(比如搜索模式、跟踪模式等),而是允许雷达自动适应最佳工作参数,包括工作频率和波形类型。机器学习还可实现自动目标识别(ATR)等功能以及基于知识辅助的操作。

另一个关键趋势是在将高带宽传感器数据传输回集中处理器进行计算时,PCI Express Gen 3,40/100 GbE、光纤通道和Xilinx Aurora等高带宽数据总线的重要性日益凸显。例如,F-35的集成核心处理器集合来自多个ISR传感器的数据,以便对这些数据进行集中处理。这有助于提高飞行员的情境感知能力。这一趋势的核心是高速串行收发器技术(也称为多千兆位收发器或MGT)的发展。近年来,该技术发展迅速,目前的线路速率达到每通道32 Gbps; 56 Gbps PAM4即将问世。FPGA通常被认为是处理资源,但它们也包含一些最复杂的MGT,这使它们成为传感器开发的理想终端。

使用模块化仪器的优势在于,随着处理能力和带宽的迅速增加,系统可以更容易地升级。 PXI平台特别适用于需要高带宽数据流和集成定时和同步的系统。

随着这些基础技术的快速发展,雷达技术和架构的复杂性和性能都在不断提高,测试系统必须与时俱进。通常企业内部的技术研发人员对测试系统需求有着最准确的理解,所以在企业内部为测试系统专门开发硬件和软件在某种程度上是最佳的方法。从历史上看,在公司内部为雷达原型和测试系统开发完全定制的硬件和软件是唯一可行的选择。然而,也要看到,这些基于自研产品的解决方案伴随着长期的维护负担,可能会让企业无法享受到最新的行业技术红利。

面对新一轮的技术革命挑战,世界主要国家的国防和航空航天相关单位都在采纳和集成新的射频和无线技术来适应新的应用。面对计划外(或临时)项目以及超期服役的测试设备,还需要积极学习运用一些管理方法和工具来保证能够有效应对这些不断涌现的需求。

 

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