雷達技術(shù)及應(yīng)用的最新發(fā)展趨勢

　　當(dāng)前面對日益復(fù)雜多變的戰(zhàn)場電磁環(huán)境挑戰(zhàn)，各國都在大力提升電子戰(zhàn)裝備的智能化水平,。隨著信號產(chǎn)生技術(shù),、高功率發(fā)射技術(shù)、天線技術(shù),、信息處理技術(shù)等電子信息技術(shù)的發(fā)展,，雷達技術(shù)的發(fā)展進入新的階段。主要表現(xiàn)為雷達的工作頻率,、帶寬,、分辨率都在提升，集探測,、跟蹤,、通信、分析的多功能雷達架構(gòu),，數(shù)字化技術(shù)向雷達天線端前移,，真空管器件逐漸被固態(tài)器件替代，陣列雷達陣元數(shù)量的不斷增加,，認(rèn)知電子戰(zhàn)及人工智能在雷達領(lǐng)域的深入應(yīng)用等。

　　雷達的工作頻率、帶寬,、分辨率都在提升

　　更大的工作帶寬能夠使雷達獲得更高的分辨率,，多波段、共享頻譜使得雷達能夠在多個波段同時工作,，高的工作頻率使得雷達更加小型化從而能夠在更小的平臺上安裝,。

　　集探測、跟蹤,、通信,、分析的多功能架構(gòu)

　　如今一部機載雷達能夠完成搜索、跟蹤,、火控,、天氣、合成孔徑等多種功能,，而F22,、F35等四代戰(zhàn)機配置的綜合孔徑系統(tǒng)則能實現(xiàn)雷達、通信,、電子戰(zhàn)一體化,。

　　數(shù)字化技術(shù)向雷達天線端前移

　　表現(xiàn)在雷達天線由機械掃描向相控陣電子掃描發(fā)展，無源相控陣（PESA）向有源相控陣（AESA）,、數(shù)字陣列雷達（DAR）發(fā)展,，數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)得到大大的發(fā)展等方面。

　　真空管器件逐漸被固態(tài)器件替代

　　固態(tài)器件具有更好的性能（GaAs,GaN,SiC）,、更低的成本,，可以實現(xiàn)微波單片集成電路、片上系統(tǒng)以及片上雷達等,。

　　陣列雷達陣元數(shù)量不斷增加

　　得益于陣元成本,、尺寸、功率不斷減小,，使得陣列雷達天線具有更高的集成度,，陣元數(shù)量不斷增加。

　　認(rèn)知電子戰(zhàn)及人工智能在雷達領(lǐng)域的深入應(yīng)用

　　隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展和在軍事領(lǐng)域的逐步應(yīng)用,，智能雷達和智能雷達技術(shù)已經(jīng)引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注,。加強智能雷達及其關(guān)鍵技術(shù)研究，既是雷達技術(shù)發(fā)展的需要,，更是提高雷達作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵,。

　　“自適應(yīng)雷達對抗措施”目標(biāo)是研制一種干擾雷達系統(tǒng)的新型機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)

　　除了傳統(tǒng)的國防領(lǐng)域雷達技術(shù)得到快速發(fā)展外，近年來隨著5G,、自動駕駛,、無人機等技術(shù)大熱發(fā)展，毫米波雷達技術(shù)變的炙手可熱。同時物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的不斷擴大,，目前雷達技術(shù)在民用領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)超越一般人對雷達技術(shù)的想象,，從智能路燈到運動檢測，從血壓監(jiān)測到心率監(jiān)測,，雷達技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計中的創(chuàng)新應(yīng)用遍地開花,，雷達傳感器已成為物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計中的重要設(shè)計單元。

　　新的雷達技術(shù)發(fā)展和不斷出現(xiàn)的創(chuàng)新應(yīng)用,，給設(shè)計和測試?yán)走_系統(tǒng)的科學(xué)家和工程師帶來了新的挑戰(zhàn),。但這些挑戰(zhàn)也為創(chuàng)新提供了機會，因為這要求工程師使用更具成本效益和時間效益的方法開發(fā)日益復(fù)雜的系統(tǒng),。為了支持這些新技術(shù)和新應(yīng)用的發(fā)展,，基礎(chǔ)技術(shù)也在不斷發(fā)展來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，筆者認(rèn)為以下四大創(chuàng)新基礎(chǔ)技術(shù)將在未來幾年內(nèi)對雷達技術(shù)產(chǎn)生最大的影響,。

　　四大創(chuàng)新基礎(chǔ)技術(shù)驅(qū)動雷達技術(shù)的發(fā)展

　　1. GaN前端組件提高雷達的功率和搜索能力

　　氮化鎵（GaN）被認(rèn)為是自硅以來影響最大的半導(dǎo)體創(chuàng)新產(chǎn)品,，該材料能夠在比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料高得多的電壓下工作。更高的電壓意味著更高的效率,，因此基于GaN的RF功率放大器和衰減器具有更低的功耗,，且產(chǎn)生熱量更少。隨著越來越多使用GaN的RF元件供應(yīng)商為市場提供適用于生產(chǎn)的可靠產(chǎn)品,，基于GaN的放大器日益普及,。

　　該技術(shù)對于有源電子掃描陣列（AESA）雷達系統(tǒng)的發(fā)展非常重要。AESA是完全有源的陣列,，包含數(shù)百甚至數(shù)千個天線,，每個天線都有其相位和增益控制。這些雷達系統(tǒng)使用相控陣發(fā)射器和接收器,，以電子方式操縱波束而無需物理移動天線,。與其他傳統(tǒng)雷達相比，這些類型的雷達系統(tǒng)因其更高的目標(biāo)功率,、空間分辨率和魯棒性而日益普及,。例如，如果陣列中的某個元件發(fā)生故障,，雷達仍可以繼續(xù)工作,。GaN放大器在AESA雷達中的應(yīng)用日益增加，提供了更好的性能,，可在更小的外形尺寸和更低的冷卻需求下實現(xiàn)相同的輸出功率,。

　　圖1. AESA雷達架構(gòu)

　　隨著基于GaN技術(shù)的應(yīng)用和解決方案變得更加先進，將組件級測試結(jié)果與系統(tǒng)級測試結(jié)果相關(guān)聯(lián)變得更加重要,。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳統(tǒng)元件測試方法可提供正向和反射增益和相位的精確窄帶視圖,。然而,，這種傳統(tǒng)方法中的連續(xù)波（CW）激勵并不能準(zhǔn)確反映元件最終使用的實際信號環(huán)境。作為替代方案,，您可以利用矢量信號分析儀和矢量信號發(fā)生器的寬帶靈活性來創(chuàng)建更能代表真實世界的應(yīng)用及其環(huán)境的脈沖和調(diào)制激勵信號,。此功能與S參數(shù)分析的組合已經(jīng)成為越來越具有戰(zhàn)略意義的組件級測試方法,。

　　2. 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器  為雷達提供更高的動態(tài)范圍和更寬的瞬時帶寬

　　轉(zhuǎn)換器技術(shù)每年都在不斷進步?，F(xiàn)在在同等分辨率下，來自主要半導(dǎo)體公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的采樣率比五年前的轉(zhuǎn)換器要快好幾個數(shù)量級,。這些高速ADC的分辨率提高也為雷達提供了更高的動態(tài)范圍和更寬的瞬時帶寬,。動態(tài)范圍是決定最大工作范圍的關(guān)鍵要素；例如,，它使第五代戰(zhàn)斗機能夠識別更遠(yuǎn)的目標(biāo),。更高瞬時帶寬提供了諸多好處，包括通過脈沖壓縮增加空間分辨率以及實現(xiàn)低截獲概率（LPI）雷達等高級技術(shù),。更高帶寬帶來的另一個趨勢是傳感器融合,。使用傳感器融合技術(shù)，您可以對單個信號鏈進行多個功能操作,。例如,，通過將多個頻段上不同類型的波形分離開，寬帶傳感器可以同時用作為通信系統(tǒng)和雷達,。

　　此外,，許多半導(dǎo)體公司正在發(fā)布稱為“直接RF采樣轉(zhuǎn)換器”的ADC和DAC，能夠以高達6.4 GS/s的速率采集數(shù)據(jù),。RF采樣轉(zhuǎn)換器此采樣率下具有12位分辨率,，可以直接將RF輸入信號轉(zhuǎn)換為C頻段，而無需上變頻或下變頻,。隨著轉(zhuǎn)換器的不斷發(fā)展,，未來的雷達將受益于C和X頻段的直接RF采樣。

　　圖2. 外差與直接射頻采樣架構(gòu)

　　直接RF采樣架構(gòu)將徹底改變AESA雷達,。在完全有源陣列中,，每個天線元件都需要自己的ADC和DAC。這意味著如果ADC和DAC無法直接以雷達的工作頻率進行采樣,，則每個發(fā)送- 接收模塊（TRM）需要有一級進行上/下變頻,。這會增加設(shè)計成本、尺寸和性能變化,。而使用直接RF采樣架構(gòu),，就無需再使用混頻器和本地振蕩器（LO），從而簡化了RF前端架構(gòu),，降低成本,、尺寸和復(fù)雜性,。基于如此大量的發(fā)射器和接收器,，直接RF采樣架構(gòu)將可以顯著提高通道密度并降低每個通道的成本,。

　　由于采用模塊化儀器方法，NI可以在最新轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于商用儀器之前,，迅速將其推向市場,。例如，NI最新的FlexRIO收發(fā)器采用直接RF采樣轉(zhuǎn)換器,，采樣率最高可達6.4 GS/s,。這有助于研究人員和工程師使用真實的I/O快速進行原型驗證，并開發(fā)出與當(dāng)今雷達的尖端性能相匹配的測試平臺,。這些設(shè)備還能夠利用PXI的高級時序和同步背板,，在單個系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)十個到數(shù)百個通道的相位一致性。

　　3. 不斷發(fā)展的FPGA技術(shù)提升認(rèn)知雷達的感知能力

　　FPGA技術(shù)也在不斷發(fā)展?，F(xiàn)代FPGA包含更多邏輯,，提供更高的每瓦計算能力，并支持高達150 Gb/s的高速數(shù)據(jù)流和專用IP模塊,。當(dāng)今的高FPGA計算能力為五年前根本無法實現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)打開了大門,。

　　基于新FPGA技術(shù)的一個創(chuàng)新領(lǐng)域是機器學(xué)習(xí)在認(rèn)知雷達中的應(yīng)用。這些技術(shù)提高了雷達對環(huán)境的響應(yīng)能力,，從而提供更具可操作性的信息,。機器學(xué)習(xí)并不是運行預(yù)編程的模式（比如搜索模式、跟蹤模式等）,，而是允許雷達自動適應(yīng)最佳工作參數(shù),，包括工作頻率和波形類型。機器學(xué)習(xí)還可實現(xiàn)自動目標(biāo)識別（ATR）等功能以及基于知識輔助的操作,。

　　圖3. 部署在認(rèn)知雷達的FPGA上的機器學(xué)習(xí)技術(shù)

　　雖然國防和航空航天組織多年來一直在使用FPGA技術(shù),，但我們所看到的另一個發(fā)展是更高級FPGA設(shè)計工具的進步。更高級別的工具可以簡化算法從主機到FPGA的遷移,，從而提高開發(fā)效率,，同時在設(shè)計中集成底層HDL。對于LabVIEW FPGA,，您還可以通過板卡基礎(chǔ)設(shè)施（PCI Express,、JESD204B、內(nèi)存控制器和時鐘等）的抽象來實現(xiàn)緊密的NI硬件軟件集成,。這可以將FPGA開發(fā)的重點從板卡支持轉(zhuǎn)向算法設(shè)計,，從而在不犧牲性能的情況下減少開發(fā)工作量。即使是不具備VHDL或Verilog專業(yè)知識的軟件工程師和科學(xué)家,，或者面臨緊迫時間進度的硬件工程師,，更抽象的FPGA工具都可以幫助大幅縮短開發(fā)周期,。

　　4. 高帶寬數(shù)據(jù)總線  加速各傳感器的數(shù)據(jù)融合

　　另一個關(guān)鍵趨勢是在將高帶寬傳感器數(shù)據(jù)傳輸回集中處理器進行計算時，PCI Express Gen 3,40/100 GbE,、光纖通道和Xilinx Aurora等高帶寬數(shù)據(jù)總線的重要性日益凸顯,。例如，F(xiàn)-35的集成核心處理器集合來自多個ISR傳感器的數(shù)據(jù),，以便對這些數(shù)據(jù)進行集中處理,。這有助于提高飛行員的情境感知能力。這一趨勢的核心是高速串行收發(fā)器技術(shù)（也稱為多千兆位收發(fā)器或MGT）的發(fā)展,。近年來,，該技術(shù)發(fā)展迅速,，目前的線路速率達到每通道32 Gbps; 56 Gbps PAM4即將問世,。FPGA通常被認(rèn)為是處理資源，但它們也包含一些最復(fù)雜的MGT,，這使它們成為傳感器開發(fā)的理想終端,。

　　圖4. 聚合來自多個ISR傳感器的數(shù)據(jù)，以便使用高速數(shù)據(jù)總線進行集中處理

　　使用模塊化儀器的優(yōu)勢在于,，隨著處理能力和帶寬的迅速增加,，系統(tǒng)可以更容易地升級。PXI平臺特別適用于需要高帶寬數(shù)據(jù)流和集成定時和同步的系統(tǒng),。

　　COTS整合所有功能  加速新一代雷達及射頻系統(tǒng)開發(fā)

　　隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展,，雷達技術(shù)和架構(gòu)的復(fù)雜性和性能都在不斷提高，測試系統(tǒng)必須與時俱進,。通常企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)研發(fā)人員對測試系統(tǒng)需求有著最準(zhǔn)確的理解,，所以在企業(yè)內(nèi)部為測試系統(tǒng)專門開發(fā)硬件和軟件在某種程度上是最佳的方法。從歷史上看,，在公司內(nèi)部為雷達原型和測試系統(tǒng)開發(fā)完全定制的硬件和軟件是唯一可行的選擇,。然而，也要看到,，這些基于自研產(chǎn)品的解決方案伴隨著長期的維護負(fù)擔(dān),，可能會讓企業(yè)無法享受到最新的行業(yè)技術(shù)紅利。

　　面對新一輪的技術(shù)革命挑戰(zhàn),，世界主要國家的國防和航空航天相關(guān)單位都在采納和集成新的射頻和無線技術(shù)來適應(yīng)新的應(yīng)用,。面對計劃外（或臨時）項目以及超期服役的測試設(shè)備，還需要積極學(xué)習(xí)運用一些管理方法和工具來保證能夠有效應(yīng)對這些不斷涌現(xiàn)的需求,。

　　隨著FPGA的出現(xiàn)以及模塊化新型轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)流技術(shù)的快速采用,，基于商用現(xiàn)成（COTS）技術(shù)的測試系統(tǒng)有助于減輕部件維護和報廢管理負(fù)擔(dān)，使工程師可以專注于最先進的國防和航空航天技術(shù),，而不是自行開發(fā)測試組件,。

　　COTS不僅可以滿足規(guī)范要求,，還可以提供靈活性，確保系統(tǒng)具備長壽命周期所需的耐用性,。通過將這些技術(shù)快速整合到模塊化的COTS設(shè)備中,，COTS可幫助工程師輕松滿足先進雷達系統(tǒng)不斷變化的要求，同時滿足嚴(yán)格的時間表和預(yù)算,。

　　在其它射頻領(lǐng)域,，例如軟件無線電（software defined radio，SDR）適用于從測向到頻譜監(jiān)測等各種應(yīng)用,，將SDR結(jié)合COTS技術(shù)就可提供無可比擬的巨大優(yōu)勢,。典型的SDR概念是將FPGA與RF前端匹配組合在一起的簡單架構(gòu)。一般會看見一些自行開發(fā)定制的SDR,，但它們的維護和集成對專業(yè)性要求很高,。除此之外，自定義驅(qū)動程序的開發(fā)以及與其他軟件的集成可能是另一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。然而基于COTS技術(shù)可以規(guī)避這些困難,。基于COTS技術(shù)的USRP SDR通過Ettus Research USRP硬件驅(qū)動程序和NI LabVIEW驅(qū)動程序為軟件開發(fā)人員提供了極大的靈活性,。除了使用針對USRP SDR的IP之外,，您還可以加入多個軟件生態(tài)系統(tǒng)的USRP用戶社區(qū)。此外,，由于USRP硬件驅(qū)動程序的一致性,，您可以在整個開發(fā)過程的設(shè)計、原型驗證和部署階段使用相同的軟件,。這意味著您可以簡化開發(fā)過程并獲得最大的回報,。