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人类在掌握电磁波技能的50年当前,开展出了无线电雷达技能,它在第二次天下大战中崭露头角[zhǎn lù tóu jiǎo],发扬了宏大的作用。近二十多年来生界上产生屡次部分高技能和平,使j9数字站明白地了解到雷达察看的目的产生了严重变革,雷达事情的电磁情况严峻好转,并对雷达的开展发生了宏大的影响。随着微波、盘算机、半导体、大范围集成电路等各个范畴迷信前进,也使雷达技能产生了反动性跃进,其内在和研讨内容都在不停地拓展。雷达功效也由单一功效渐渐演化成多义务、多功效雷达体系。

 

 


雷达技能及使用的最新开展趋向

         以后面临日益庞大多变的战场电磁情况应战,列国都在鼎力提拔电子战配备的智能化程度。随着信号发生技能、高功率发射技能、天线技能、信息处置技能等电子信息技能的开展,雷达技能的开展进入新的阶段次要体现为雷达的事情频率、带宽、辨别率都在提拔,集探测、跟踪、通讯、剖析的多功效雷达架构,数字化技能向雷达天线端前移,真空管器件渐渐被固态器件替换,阵列雷达阵元数目的不停增长,认知电子战及人工智能在雷达范畴的深化使用等。

 雷达的事情频率、带宽、辨别率都在提拔

         更大的事情带宽可以使雷达取得更高的辨别率,多波段、共享频谱使得雷达可以在多个波段同时事情,高的事情频率使得雷达愈加小型化从而可以在更小的平台上安置。

 集探测、跟踪、通讯、剖析的多功效架构

          现在一部机载雷达可以完成搜刮、跟踪、火控、气候、分解孔径等多种功效,而F22、F35等四代战机设置装备摆设的综合孔径体系则能完成雷达、通讯、电子战一体化。

 数字化技能向雷达天线端前移

          体现在雷达天线由机器扫描向相控阵电子扫描开展,无源相控阵(PESA)向有源相控阵(AESA)、数字阵列雷达(DAR)开展,数字波束构成(DBF)技能失掉大大的开展等方面。

 真空管器件渐渐被固态器件替换

          固态器件具有更好的功能(GaAs,GaN,SiC)、更低的本钱,可以完成微波单片集成电路、片上体系以及片上雷达等。

阵列雷达阵元数目不停增长

          得益于阵元本钱、尺寸、功率不停减小,使得阵列雷达天线具有更高的集成度,阵元数目不停增长。

认知电子战及人工智能在雷达范畴的深化使用

          随着人工智能技能的敏捷开展和在军事范畴的渐渐使用,智能雷达和智能雷达技能曾经惹起国际外普遍存眷。增强智能雷达及其要害技能研讨,既是雷达技能开展的必要,更是进步雷达作战才能的要害。


        “自顺应雷达反抗步伐”目的是研制一种搅扰雷达体系的新型机载电子战体系

        除了传统的国防范畴雷达技能失掉疾速开展外,比年来随着5G、主动驾驶、无人机等技能大热开展,毫米波雷达技能变的炙手可热。同时物联网使用范畴的不停扩展,现在雷达技能在民用范畴开展曾经逾越一样平常人对雷达技能的想象,从智能路灯到活动检测,从血压监测到心率监测,雷达技能在物联网和嵌入式设计中的创新使用各处着花,雷达传感器已成为物联网和嵌入式设计中的紧张设计单位。

         新的雷达技能开展和不停呈现的创新使用,给设计和测试雷达体系的迷信家和工程师带来了新的应战。但这些应战也为创新提供了时机,由于这要求工程师利用更具本钱效益和工夫效益的办法开辟日益庞大的体系。为了支持这些新技能和新使用的开展,底子技能也在不停开展来应对这些应战,笔者以为以下四大创新底子技能将在将来几年内对雷达技能发生最大的影响。

四大创新底子技能驱动雷达技能的开展

1. GaN前端组件进步雷达的功率和搜才能 

       氮化镓(GaN)被以为是自硅以来影响最大的半导体创新产品,该质料可以在比传统半导体质料高得多的电压下事情。更高的电压意味着更高的服从,因而基于GaN的RF功率缩小器和衰减用具有更低的功耗,且发生热量更少。随着越来越多利用GaN的RF元件供给商为市场提供实用于消费的牢靠产品,基于GaN的缩小器日益遍及。

         该技能关于有源电子扫描阵列(AESA)雷达体系的开展十分紧张。AESA是完全有源的阵列,包括数百乃至数千个天线,每个天线都有其相位和增益控制。这些雷达体系利用相控阵发射器和吸收器,以电子方法利用波束而无需物理挪动天线。与其他传统雷达相比,这些范例的雷达体系因其更高的目的功率、空间辨别率和鲁棒性而日益遍及。比方,假如阵列中的某个元件产生妨碍,雷达仍可以持续事情。GaN缩小器在AESA雷达中的使用日益增长,提供了更好的功能,可在更小的形状尺寸和更低的冷却需求下完成相反的输入功率。

 

 

图1. AESA雷达架构

       随着基于GaN技能的使用息争决方案变得愈加先辈,将组件级测试后果与体系级测试后果相干联变得愈加紧张。利用矢量网络剖析仪的传统元件测试办法可提供正向和反射增益和相位的准确窄带视图。但是,这种传统办法中的一连波(CW)鼓励并不克不及正确反应元件终极利用的实践信号情况。作为替换方案,您可以使用矢量信号剖析仪和矢量信号产生器的宽带机动性来创立更能代表真实天下的使用及其情况的脉冲和调制鼓励信号。此功效与S参数剖析的组合曾经成为越来越具有战略意义的组件级测试办法。

2. 高速数据转换器  为雷达提供更高的静态范畴和更宽的瞬时带宽

        转换器技能每年都在不停前进。如今在划一辨别率下,来自次要半导体公司的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的采样率比五年前的转换器要快好几个数目级。这些高速ADC的辨别率进步也为雷达提供了更高的静态范畴和更宽的瞬时带宽。静态范畴是决议最大事情范畴的要害要素;比方,它使第五代战役性能够辨认更远的目的。更高瞬时带宽提供了诸多利益,包罗经过脉冲紧缩增长空间辨别率以及完成低截获概率(LPI)雷达等初级技能。更高带宽带来的另一个趋向是传感器交融。利用传感器交融技能,您可以对单个信号链举行多个功效操纵。比方,经过将多个频段上差别范例的波形分散开,宽带传感器可以同时用作为通讯体系和雷达。

         别的,很多半导体公司正在公布称为“间接RF采样转换器”的ADC和DAC,可以以高达6.4 GS/s的速率收罗数据。RF采样转换器此采样率下具有12位辨别率,可以间接将RF输出信号转换为C频段,而无需上变频或下变频。随着转换器的不停开展,将来的雷达将受害于C和X频段的间接RF采样。                                               

 

图2. 外差与间接射频采样架构

        间接RF采样架构将彻底改动AESA雷达。在完全有源阵列中,每个天线元件都必要本人的ADC和DAC。这意味着假如ADC和DAC无法间接以雷达的事情频率举行采样,则每个发送- 吸收模块(TRM)必要有一级举行上/下变频。这会增长设计本钱、尺寸和功能变革。而利用间接RF采样架构,就无需再利用混频器和当地振荡器(LO),从而简化了RF前端架构,低落本钱、尺寸和庞大性。基于云云少量的发射器和吸收器,间接RF采样架构将可以明显进步通道密度并低落每个通道的本钱。

         由于接纳模块化仪器办法,NI可以在最新转换器普遍使用于商用仪器之前,敏捷将其推向市场。比方,NI最新的FlexRIO收发器接纳间接RF采样转换器,采样率最高可达6.4 GS/s。这有助于研讨职员和工程师利用真实的I/O疾速举行原型验证,并开辟出与当今雷达的尖端功能相婚配的测试平台。这些设置装备摆设还可以使用PXI的初级时序和同步背板,在单个体系中完成数十个到数百个通道的相位分歧性。

3. 不停开展的FPGA技能提拔认知雷达的感知才能

        FPGA技能也在不停开展。古代FPGA包括更多逻辑,提供更高的每瓦盘算才能,并支持高达150 Gb/s的高速数据流和公用IP模块。当今的高FPGA盘算才能为五年前基本无法完成的创新技能翻开了大门。

         基于新FPGA技能的一个创新范畴是呆板学习在认知雷达中的使用。这些技能进步了雷达对情况的呼应才能,从而提供更具可操纵性的信息。呆板学习并不是运转预编程的形式(好比搜刮形式、跟踪形式等),而是容许雷达主动顺应最佳事情参数,包罗事情频率和波形范例。呆板学习还可完成主动目的辨认(ATR)等功效以及基于知识帮助的操纵。

 

图3. 摆设在认知雷达的FPGA上的呆板学习技

         固然国防和航空航天构造多年来不停在利用FPGA技能,但j9数字站所看到的另一个开展是更初级FPGA设计东西的前进。更初级另外东西可以简化算法从主机到FPGA的迁徙,从而进步开辟服从,同时在设计中集成底层HDL。关于LabVIEW FPGA,您还可以经过板卡底子办法(PCI Express、JESD204B、内存控制器和时钟等)的笼统来完成严密的NI硬件软件集成。这可以将FPGA开辟的重点从板卡支持转向算法设计,从而在不捐躯功能的状况下增加开辟事情量。即便是不具有VHDL或Verilog专业知识的软件工程师和迷信家,大概面对紧急工夫进度的硬件工程师,更笼统的FPGA东西都可以协助大幅延长开辟周期。

4. 高带宽数据总线  减速各传感器的数据交融

        另一个要害趋向是在将高带宽传感器数据传输回会合处置器举行盘算时,PCI Express Gen 3,40/100 GbE、光纤通道和Xilinx Aurora等高带宽数据总线的紧张性日益凸显。比方,F-35的集成中心处置器聚集来自多个ISR传感器的数据,以便对这些数据举行会合处置。这有助于进步航行员的情境感知才能。这一趋向的中心是高速串行收发器技能(也称为多千兆位收发器或MGT)的开展。比年来,该技能开展敏捷,现在的线路速率到达每通道32 Gbps; 56 Gbps PAM4行将问世。FPGA通常被以为是处置资源,但它们也包括一些最庞大的MGT,这使它们成为传感器开辟的抱负终端。

 

图4. 聚合来自多个ISR传感器的数据,以便利用高速数据总线举行会合处置

         利用模块化仪器的上风在于,随着处置才能和带宽的敏捷增长,体系可以更容易地晋级。PXI平台分外实用于必要高带宽数据流和集成定时和同步的体系。

COTS整合一切功效  减速新一代雷达及射频体系开辟

      随着这些底子技能的疾速开展,雷达技能和架构的庞大性和功能都在不停进步,测试体系必需与时俱进。通常企业外部的技能研发职员对测试体系需求有着最正确的了解,以是在企业外部为测试体系专门开辟硬件和软件在某种水平上是最佳的办法。从汗青上看,在公司外部为雷达原型和测试体系开辟完全定制的硬件和软件是独一可行的选择。但是,也要看到,这些基于自研产品的办理方案陪同着临时的维护包袱,大概会让企业无法享用到最新的行业技能盈余。

        面临新一轮的技能反动应战,天下次要国度的国防和航空航天相干单元都在采取和集成新的射频和无线技能来顺应新的使用。面临方案外(或暂时)项目以及超期退役的测试设置装备摆设,还必要正学习运用一些办理办法和东西来包管可以无效应对这些不停涌现的需求。

       随着FPGA的呈现以及模块化新型转换器和数据流技能的疾速接纳,基于商用现成(COTS)技能的测试体系有助于加重部件维护和报废办理包袱,使工程师可以专注于开始进的国防和航空航天技能,而不是自行开辟测试组件。

         COTS不但可以满意标准要求,还可以提供机动性,确保体系具有短命命周期所需的耐用性。经过将这些技能疾速整合到模块化的COTS设置装备摆设中,COTS可协助工程师轻松满意先辈雷达体系不停变革的要求,同时满意严厉的工夫表和预算。

        在别的射频范畴,比方软件无线电(software defined radio,SDR)实用于从测向到频谱监测等种种使用,将SDR联合COTS技能就可提供无与伦比[wú yǔ lún bǐ]的宏大上风。典范的SDR观点是将FPGA与RF前端婚配组合在一同的复杂架构。一样平常会瞥见一些自行开辟定制的SDR,但它们的维护和集成对专业性要求很高。除此之外,自界说驱动步伐的开辟以及与其他软件的集成大概是另一个严厉的应战。但是基于COTS技能可以躲避这些难。基于COTS技能的USRP SDR经过Ettus Research USRP硬件驱动步伐和NI LabVIEW驱动步伐为软件开辟职员提供了极大的机动性。除了利用针对USRP SDR的IP之外,您还可以参加多个软件生态体系的USRP用户社区。别的,由于USRP硬件驱动步伐的分歧性,您可以在整个开辟历程的设计、原型验证和摆设阶段利用相反的软件。这意味着您可以简化开辟历程并取得最大的报答。

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