雷達(dá)技術(shù)及應(yīng)用的最新發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前面對(duì)日益復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)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(hào)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(dá)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入新的階段。主要表現(xiàn)為雷達(dá)的工作頻率、帶寬、分辨率都在提升，集探測(cè)、跟蹤、通信、分析的多功能雷達(dá)架構(gòu)，數(shù)字化技術(shù)向雷達(dá)天線端前移，真空管器件逐漸被固態(tài)器件替代，陣列雷達(dá)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(dá)領(lǐng)域的深入應(yīng)用等。
雷達(dá)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(dá)獲得更高的分辨率，多波段、共享頻譜使得雷達(dá)能夠在多個(gè)波段同時(shí)工作，高的工作頻率使得雷達(dá)更加小型化從而能夠在更小的平臺(tái)上安裝。
集探測(cè)、跟蹤、通信、分析的多功能架構(gòu)
如今一部機(jī)載雷達(dá)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(jī)配置的綜合孔徑系統(tǒng)則能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)一體化。
數(shù)字化技術(shù)向雷達(dá)天線端前移
表現(xiàn)在雷達(dá)天線由機(jī)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(dá)（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(shí)現(xiàn)微波單片集成電路、片上系統(tǒng)以及片上雷達(dá)等。
陣列雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)和智能雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。加強(qiáng)智能雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)研究，既是雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的需要，更是提高雷達(dá)作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵。
“自適應(yīng)雷達(dá)對(duì)抗措施”目標(biāo)是研制一種干擾雷達(dá)系統(tǒng)的新型機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)
除了傳統(tǒng)的國防領(lǐng)域雷達(dá)技術(shù)得到快速發(fā)展外，近年來隨著5G、自動(dòng)駕駛、無人機(jī)等技術(shù)大熱發(fā)展，毫米波雷達(dá)技術(shù)變的炙手可熱。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，目前雷達(dá)技術(shù)在民用領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)超越一般人對(duì)雷達(dá)技術(shù)的想象，從智能路燈到運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，從血壓監(jiān)測(cè)到心率監(jiān)測(cè)，雷達(dá)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用遍地開花，雷達(dá)傳感器已成為物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計(jì)中的重要設(shè)計(jì)單元。
新的雷達(dá)技術(shù)發(fā)展和不斷出現(xiàn)的創(chuàng)新應(yīng)用，給設(shè)計(jì)和測(cè)試?yán)走_(dá)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(jī)會(huì)，因?yàn)檫@要求工程師使用更具成本效益和時(shí)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(duì)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(duì)雷達(dá)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(dòng)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展
1. GaN前端組件提高雷達(dá)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(chǎng)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(duì)于有源電子掃描陣列（AESA）雷達(dá)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(gè)天線，每個(gè)天線都有其相位和增益控制。這些雷達(dá)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(dòng)天線。與其他傳統(tǒng)雷達(dá)相比，這些類型的雷達(dá)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(gè)元件發(fā)生故障，雷達(dá)仍可以繼續(xù)工作。GaN放大器在AESA雷達(dá)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(shí)現(xiàn)相同的輸出功率。
圖1. AESA雷達(dá)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(jìn)，將組件級(jí)測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)級(jí)測(cè)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(cè)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(lì)并不能準(zhǔn)確反映元件最終使用的實(shí)際信號(hào)環(huán)境。作為替代方案，您可以利用矢量信號(hào)分析儀和矢量信號(hào)發(fā)生器的寬帶靈活性來創(chuàng)建更能代表真實(shí)世界的應(yīng)用及其環(huán)境的脈沖和調(diào)制激勵(lì)信號(hào)。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(jí)測(cè)試方法。
2. 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 為雷達(dá)提供更高的動(dòng)態(tài)范圍和更寬的瞬時(shí)帶寬
轉(zhuǎn)換器技術(shù)每年都在不斷進(jìn)步。現(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(gè)數(shù)量級(jí)。這些高速ADC的分辨率提高也為雷達(dá)提供了更高的動(dòng)態(tài)范圍和更寬的瞬時(shí)帶寬。動(dòng)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(jī)能夠識(shí)別更遠(yuǎn)的目標(biāo)。更高瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)低截獲概率（LPI）雷達(dá)等高級(jí)技術(shù)。更高帶寬帶來的另一個(gè)趨勢(shì)是傳感器融合。使用傳感器融合技術(shù)，您可以對(duì)單個(gè)信號(hào)鏈進(jìn)行多個(gè)功能操作。例如，通過將多個(gè)頻段上不同類型的波形分離開，寬帶傳感器可以同時(shí)用作為通信系統(tǒng)和雷達(dá)。
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(dá)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(hào)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(dá)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(dá)。在完全有源陣列中，每個(gè)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(dá)的工作頻率進(jìn)行采樣，則每個(gè)發(fā)送- 接收模塊（TRM）需要有一級(jí)進(jìn)行上/下變頻。這會(huì)增加設(shè)計(jì)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(gè)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(chǎng)。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(dá)6.4 GS/s。這有助于研究人員和工程師使用真實(shí)的I/O快速進(jìn)行原型驗(yàn)證，并開發(fā)出與當(dāng)今雷達(dá)的尖端性能相匹配的測(cè)試平臺(tái)。這些設(shè)備還能夠利用PXI的高級(jí)時(shí)序和同步背板，在單個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)到數(shù)百個(gè)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(dá)的感知能力
FPGA技術(shù)也在不斷發(fā)展。現(xiàn)代FPGA包含更多邏輯，提供更高的每瓦計(jì)算能力，并支持高達(dá)150 Gb/s的高速數(shù)據(jù)流和專用IP模塊。當(dāng)今的高FPGA計(jì)算能力為五年前根本無法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)打開了大門。
基于新FPGA技術(shù)的一個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域是機(jī)器學(xué)習(xí)在認(rèn)知雷達(dá)中的應(yīng)用。這些技術(shù)提高了雷達(dá)對(duì)環(huán)境的響應(yīng)能力，從而提供更具可操作性的信息。機(jī)器學(xué)習(xí)并不是運(yùn)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(dá)自動(dòng)適應(yīng)最佳工作參數(shù)，包括工作頻率和波形類型。機(jī)器學(xué)習(xí)還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR）等功能以及基于知識(shí)輔助的操作。
圖3. 部署在認(rèn)知雷達(dá)的FPGA上的機(jī)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(gè)發(fā)展是更高級(jí)FPGA設(shè)計(jì)工具的進(jìn)步。更高級(jí)別的工具可以簡化算法從主機(jī)到FPGA的遷移，從而提高開發(fā)效率，同時(shí)在設(shè)計(jì)中集成底層HDL。對(duì)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(shí)鐘等）的抽象來實(shí)現(xiàn)緊密的NI硬件軟件集成。這可以將FPGA開發(fā)的重點(diǎn)從板卡支持轉(zhuǎn)向算法設(shè)計(jì)，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(shí)的軟件工程師和科學(xué)家，或者面臨緊迫時(shí)間進(jìn)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(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)是在將高帶寬傳感器數(shù)據(jù)傳輸回集中處理器進(jìn)行計(jì)算時(shí)，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(gè)ISR傳感器的數(shù)據(jù)，以便對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(shì)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(dá)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(gè)ISR傳感器的數(shù)據(jù)，以便使用高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行集中處理
使用模塊化儀器的優(yōu)勢(shì)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(jí)。PXI平臺(tái)特別適用于需要高帶寬數(shù)據(jù)流和集成定時(shí)和同步的系統(tǒng)。
COTS整合所有功能 加速新一代雷達(dá)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(dá)技術(shù)和架構(gòu)的復(fù)雜性和性能都在不斷提高，測(cè)試系統(tǒng)必須與時(shí)俱進(jìn)。通常企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)研發(fā)人員對(duì)測(cè)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(cè)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(dá)原型和測(cè)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(hù)負(fù)擔(dān)，可能會(huì)讓企業(yè)無法享受到最新的行業(yè)技術(shù)紅利。
面對(duì)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(duì)計(jì)劃外（或臨時(shí)）項(xiàng)目以及超期服役的測(cè)試設(shè)備，還需要積極學(xué)習(xí)運(yùn)用一些管理方法和工具來保證能夠有效應(yīng)對(duì)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(cè)試系統(tǒng)有助于減輕部件維護(hù)和報(bào)廢管理負(fù)擔(dān)，使工程師可以專注于最先進(jìn)的國防和航空航天技術(shù)，而不是自行開發(fā)測(cè)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(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)不斷變化的要求，同時(shí)滿足嚴(yán)格的時(shí)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(cè)向到頻譜監(jiān)測(cè)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(shì)。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(huì)看見一些自行開發(fā)定制的SDR，但它們的維護(hù)和集成對(duì)專業(yè)性要求很高。除此之外，自定義驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)以及與其他軟件的集成可能是另一個(gè)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(dòng)程序和NI LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序?yàn)檐浖_發(fā)人員提供了極大的靈活性。除了使用針對(duì)USRP SDR的IP之外，您還可以加入多個(gè)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(dòng)程序的一致性，您可以在整個(gè)開發(fā)過程的設(shè)計(jì)、原型驗(yàn)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(bào)。