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雷达技术进步与新应用

发 布:2017-8-24 16:06:56查 看:80

 雷达技术的最新突破,结合军事和商业应用的小型化、经济型、高精度雷达需求,带来了雷达技术与应用的复兴。许多即将来临的技术增长领域,如无人驾驶汽车、无人机(UAV)和各种商用/民事应用,都取决于固态雷达和一些新的制造工艺与设计方法。这复兴是军用雷达、隐身和干扰技术升级发展淘汰传统雷达解决方案的产物。先进数字信号处理(DSP)、灵活射频收发器和尖端天线技术的广泛应用正在加速这种改变。

新型天线与制造工艺的进步提升了雷达能力,降低了雷达成本。其中,氮化镓(GaN)晶体管、低噪声放大器(LNA) 和有源电扫阵列(AESA) 天线已经成为近期全球军用雷达与雷达干扰机合同签订及系统部署的核心内容。采用这些技术的雷达性能优于传统雷达系统,促进了大批雷达设计与制造方案的创新发展。新型AESA技术支撑工作于更高频率(毫米波)、体积更小的相控阵天线获取更高的分辨率,而模块化设计方案支撑快速应用新的数字处理与计算技术的。

1、有源电扫阵列(AESA)

在过去几十年间,相控阵天线大大提升了传统雷达的波形因子与性能。近期的进步受益于能力更强的DSP和计算方法。有源电子波束控制(或波束形成)利用相控阵天线的性能优势并引入有源控制,在增加雷达扫描速度和精度的同时,大大降低了机械控制雷达天线的维护成本与故障率(见图1)。业界的引领者包括雷声公司、诺思罗普×格鲁曼公司、洛克希德×马丁公司和泰利斯公司等,另外有许多其他公司正在该领域积极地开展研究。目前,传统雷达技术的升级、改造与更新换代对AESA雷达的需求量较大。

图1、许多战斗机都已通过利用新型AESA雷达技术完成升级,淘汰了机械控制。

新型AESA中,T/R模块可通过配置,独立工作或成组工作。这样支撑产生了工作于不同频率多个波束,从而实现了扫描资源的动态化和智能化应用。同无源阵列相比,这种高适应性结构有助于降低截获概率。另外,定向接收与频率捷变增强了抗干扰能力,特别是在宽带工作时。

模块化AESA设计也提高了可靠性,因为T/R模块任何故障都不会导致整个系统的能力丧失,通过模块替换就能快速完成维修/维护。用于AESA雷达的T/R模块实质上是能力很强的软件定义无线电(SDR)部件,也可设定用于高数据率无线电通信。通过将接收机通信限定在波束聚焦路径之内,这种高方向性波束形成能力还可保证通信安全。

AESA雷达天线最大扫描角通常小于120°。实现360°覆盖,常规解决办法就是将其安装在机械旋转平台上。最近,完全360°覆盖也已经利用背靠背天线面板的固定阵列进行了验证。例如,雷声公司自筹资金设计样机,用于升级“爱国者”导弹系统。其他系统利用几个与同一雷达系统链接的面板来提供全向扫描和跟踪能力。特别应当指出的是,AESA系统的成本大体上与阵列的面积与性能,以及T/R模块的数量成正比。

2、多输入多输出(MIMO)

为了降低AESA雷达的尺寸、重量、功耗和成本(SWAP-C)和增加扩展能力,研究人员正在开发先进的稀布阵技术。这些阵列通过组合,利用类似于为5G无线通信开发的多输入多输出(MIMO)技术来形成更大的虚拟阵列。MIMO 雷达利用多个独立发射与接收天线实现空间分集,应用运算算法来计算雷达反射和获取复合分辨率。这些天线系统也可同时工作于不同的频率上,或者在一个款待频段内同时运行,且相互无干扰,以进一步提高雷达杂波下真实目标的辨识能力。

图2、毫米波雷达拥有穿透尘雾的能力,能够精确探测和识别其他车辆与路面危险。

据称,MIMO雷达系统的性能优于类似的传统相控阵系统。尽管目前还未做出最终验证,但是在某些平台上已经开始应用。如在SWAP-C受限的平台上,包括小型UAS、卫星或快速部署机动雷达站等。在这些平台上,相控阵雷达由于太贵、太重、太大且功耗太高而无法部署,而小型稀疏布阵MIMO天线阵列拥有SWAP-C优势,和高精度雷达能力。最近某些研究表明,合成孔径雷达(SAR)MIMO雷达系统在地面动目标显示(GMTI)应用方面拥有潜在的优势,其针对快速和慢速运动目标的定位精度优于相控阵雷达,并且虚警更少、抗干扰能力更强。鉴于环境条件和目标信号特征,为了实现这些性能优势,必须有效应用高精密DSP和数字波形发生技术。

MIMO雷达研究也重点关注全向天线系统,但同相控阵天线相比,损耗更大。这种损耗会导致关注目标区域外的能量浪费。然而,有研究建议采用认知无线电系统来增强MIMO雷达的性能,消除这些不利因素。

3、超宽带宽毫米波雷达

为了规避低频微波频段内的频谱拥挤,获取高精度和高分辨能力,许多雷达应用已转向20 GHz 以上频率。幸运的是,在毫米波频率上,拥有几个可用带宽为0.5 GHz、1 GHz,甚至4 GHz的指定频段。尽管通常毫米波频率的大气损耗更高,但是同低于6 GHz 以下的微波频率相比,其方向性更强。毫米波雷达将受益于噪声低、分辨率高(超宽带宽)和体积小等优势。

许多最新款汽车雷达利用可有效穿透不利自然条件(如光学传感器无法穿透的尘雾和雨水)的79GHz毫米波频段(见图2)。工作于该频段的雷达还能提高分辨率,获得更优的危险探测特性。毫米波雷达的优势也可转化为其他应用,包括无人机探测监视和医学监控。例如,采用调频连续波(FMCW)原理周界监视多通道雷达(MCRPS) 与扫描监视雷达系统(SSRS),其工作频率94GHz,带宽1GHz,运行功率100mW,已经达到了15cm的距离分辨率,并可基于旋翼的类型对无人机进行分类。另外,工作于24GHz的雷达已经用于远程心率监测,可精确地辨别和表征心跳,其均方根误差低于7.17 ms。

军事应用上的一些优势(如探测距离更远、分辨率更高和基于FMCW的目标识别能力更强)可在科学、医学和安全等众多领域获得新的应用。由于对光环境、天气和杂波更低的敏感性,毫米波雷达也可获取优于可视频谱与红外照相的监视优势。例如,针对隐匿威胁探测开发的安全管理技术能够可靠地探测出100英尺处威胁。当前这一技术采用W波段(75~110GHz) ,并已开发出有效作用距离超过30ft的手持型设备。

4、雷达设计与制造

对于雷达技术中大多数最新进步与应用,虽然利用传统雷达技术也可以实现,但SWAP-C的优势和数字计算的进步在日益增长的雷达业界中得到了更快速地应用,而它们的能力与成本效益也已得到证实。研究人员正在研究一些新的制造工艺与半导体,以推动其进一步增长。

4.1 氮化镓(GaN)技术对雷达的影响

美国国防部许多最新合同与其他一些国家的军事开发活动都要求采用基于GaN的T/R模块来改进和升级其传统雷达。主要原因是AESA雷达T/R模块中的GaN 功率放大器(PA)功率密度、可靠性、频率效力与带宽上远超其他固态技术。它们与行波管放大器呈竞争态势,但是不存在相应的可靠性、体积与维护问题。与元素周期表内的第III至第V类半导体材料一样,如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)一样,GaN半导体比硅和碳化硅(SiC)具有高的多的电子迁移率。

GaN还验证了极端的物理稳固性、辐射电阻、高压生存能力,以及非常高的热稳定性。因此,同其他固态技术相比,GaN功率电子器件在PA应用方面展现了惊人的功率密度和高功率附加效率。用于低噪声放大器(LNA)时,GaN也拥有与GaN PA相类似的稳固特性,所提供的灵敏接收机技术不易被干扰、破坏或受有限动态范围(源于低输入电压门限)的影响。

许多企业都在研究GaN技术在降低电信、卫星和其他功率器件SWAP-C方面的优势,其目标都是增加晶圆的尺寸和提升GaN 加工工艺。改善散热的方法也会带来更高的功率电平和体积更小、更具成本效率的器件。GaN正日益发展为一种主流技术,能够以更低成本实现带宽与性能更高的雷达与通信系统,并兴起一些新的雷达与无线电应用。

4.2 3D 打印雷达器件、模块化雷达设计与磁性材料增强

为了进一步降低雷达器件的SWAP-C,各大研究所、工业部门和美国国防部正在研究3D电子器件打印、模块化射频/微波器件设计技术和磁性材料增强应用方面的进展。体积更小、效率更高的柔性可扩展雷达器件,包括天线与射频/微波无源器件,将实现更先进的单兵携带、无人机载和商用雷达系统。这类技术可在一个低成本基片上打印天线、移相器、滤波器和传输线。雷声公司UMass-Lowell 研究所正在推进这一项目,其应用涉及塑料、3D打印导电油墨、频率选择表面和灵敏可调变容二极管(见图3)。

图3、3D打印天线阵列采用塑料基片和其他轻便、低温制造器件,可降低AESA雷达的成本与重量。

雷声公司也正在与美国陆军研究实验室合作,为陆军的下一代雷达(NGR)研究可扩展、机动、多模式雷达前端技术(SAMFET)项目。美国陆军计划为NGR选用开放式架构,以减少重复开发和升级,同时鼓励模块化器件研发、新型雷达设计与新式制造工艺。射频/微波与数字技术,如OpenVPX 与OpenRFM,也可提升高性能军用电子器件(严格依赖耦合的数字与射频/微波系统)的模块化设计与开发水平。


图4、DARPA启动新项目:磁性、小型、单片集成器件(M3IC),拟实现环形器和隔离器等磁性器件小型化,以及晶体管和电容器等微电子器件的集成,带来能力更强的电磁微系统,实现雷达与其他射频系统领域的芯片级创新。

从其他途径也可实现SWAP-C降低。美国国防高级研究计划局(DARPA)已经启动了一项研究,其目标是将磁性器件与射频及数字集成电路(IC)工艺相集成。磁性、小型、单片集成器件(M3IC)项目的目标是实现通信、雷达与电子战(EW)系统的小型化,支撑新的控制/功能方法。从DARPA项目信息来看,目前还不清楚该项目是否对超材料技术敞开应用,因为经验证证实,某些超材料拥有磁性特性。

5、对器件和设备的影响

最新的雷达与无线电系统是由先进计算机系统控制和解析的一种复杂的高集成数字、模拟和射频/微波电子器件合体集(见图5)。支撑大多数现代雷达的SDR技术也应用于Wi-Fi 路由器、智能手机、汽车和蜂窝基站。宇航、防御雷达与现代商用无线电之间的差别在于射频与数字电子器件的复杂度、带宽和功率,以及天线的尺寸与功率处理能力。

图5、现代雷达信号链应用了许多射频与微波器件

然而,随着消费与工业无线电与雷达技术的进步,在能力与复杂度方面的这种界线开始变得模糊不清。为了维持其领先地位,美国国防部继续投资开发下一代宇航与防御雷达器件与设备。这将对这些器件与设备本身,以及用于设计、测试和制造它们的设备产生影响。

5.1 模拟/数字电子器件

先进的DSP和数字波形发生技术提升了下一代雷达波形的编程能力与灵活性。商用FPGA能力已经非常强大,拥有20TMAC以上的定点运算性能和每秒10万次次浮点运算(TFLOPS)的单精度浮点性能。并且,与中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)不同的是,FPGA可按需求变化进行配置。在军事场景下,这些优势推动和支撑雷达灵活顺应不断变化的威胁,特别是在考虑等待时间、并行工作、输入/输出(I/O)速度和计算强度等能力的时候。

但是,无论处理能力多快,模拟数据首先必须转换成数字数据,才能利用这些优势。因此,模数转换器(ADC)与数模转换器(DAC)的发展增加了ADC/DAC器件,以支撑在千兆赫频率上直接射频合成与采样的速度。尽管对于大多数已部署系统来说,目前在更高的微波和毫米波频率上进行直接射频合成与采样都是不可行的,但是无线电装置中所使用的几种2.4 GHz(工业、科学与医疗波段,或S波段)波段ADC/DAC就拥有这种能力。更高频率上的数字合成与采样消除了上变频级和下变频级,在增加带宽的同时,消除了高微波与毫米波频段雷达信号链中由混频器导致的性能限制。

随着对FPGA通用处理器(GPP)和ADC/DAC的要求日益增加,还提出了对包括高速RAM、长期存储器,如固态驱动器(SSD)、嵌入式计算机和数据采集控制系统在内相关器件与技术需求。

5.2 射频/微波电子器件

与无线电硬件类似,雷达信号链组合了多种发射与接收能力并能处理高功率电平、大带宽和复杂信号调制,同时还需要一批开关滤波器组和移相器。T/R模块为每个天线阵列单元馈电,向天线传送DSP生成或解析的微波或毫米波信号,然后利用接收机接收回波。T/R模块在几个阶段中进行信号放大、过滤和上/下变频。同轴、带状线或波导连接器以最小的损耗,将高保真信号从一个子系统传送至另一个子系统。

5.3 测试与测量设备与设施

最新雷达技术的带宽远远超过商用测试与测量设备的能力,而价格昂贵的定制测试系统在某种程度上可以弥补这一差距。尽管灵活性与编程能力得到增强,但也不可能测试新型雷达系统的每一种工作模式与工作条件。这样推动了开发更多模块化与可配置测试设备及更先进EM与设计仿真软件。

例如,针对雷达表征,要更多地组合应用实时频谱分析仪(RTSA)与矢量网络分析仪(VNA)。由于雷达波形的自适应与变化,还需要一些敌我识别(IFF)和测试这种能力的新方法。这就要求测量设备本身就是配备高水平诊断与报告能力的先进雷达。

大带宽信号发生器必须供给复杂的雷达波形。此外,用于测试射频、物理和生存特性的现代设施也是必需的,包括电磁兼容/电磁干扰(EMC/EMI)设施、振动台、环境暗室和近/远场测试靶场。

结论

满足现代战场空间最新需求的雷达系统和众多雷达新应用都要求采用先进的技术与工艺,如数字与射频/微波硬件,模拟软件和测试系统。由美国国防部发起,宇航工业与国防机构实施的新材料开发降低了SWAP-C。所有层面的雷达设计与实现正在发生变化,从而加速下一代系统的开发。射频集成电路(RFIC)与单片微波集成电路(MMIC)设计、DSP工艺、材料科学和测试之间的界线正变得模糊不清。

宇航、防御和汽车雷达的交货时间与设计周期正日益压缩,为器件与设备的采购施加了巨大压力。许多射频/微波供应商要求相对较长的交货时间和为期数周或数月的定货处理申请时间。这种状况也发生变化了,最新的雷达项目要求采用准时生产(Just-in-time)解决方案。(陈俊峰 译)


关键字:嘉兆科技、测试测量

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