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雷达技术进展及新用途
材料来源:《微波杂志》2017年5/6月刊           录入时间:2017/6/13 9:54:32

雷达技术进展及新用途

Radar Technology Advancements and New Applications

Pasternack(www.pasternack.cn)

美国加州Irvine市

 雷达技术的最新突破以及商业和军事领域对小型实惠的高精度雷达的需求,导致雷达使用方式和用途发生新的变化。自动驾驶车辆、无人驾驶飞机(UAV)以及各种商用/民用应用等许多即将增长的市场均依赖于固态雷达以及新的制造和编程方法。这一新变化是国防用雷达、隐身及干扰技术领域中愈演愈烈的各种技术突破的副产物,其使得传统雷达解决方案逐步过时1。此外,精密数字信号处理(DSP)技术、高敏捷度射频收发器以及尖端天线技术的广泛普及成为这一加速变革的催化剂。

新的天线及雷达制造技术是上述性能提高及成本下降的贡献因素。其中,GaN功率晶体管、低噪声放大器(LNA)以及有源相控阵(AESA)天线已成为最近雷达及雷达干扰器军事合同及全球系统部署的核心采购设备。使用上述技术的雷达优于常规雷达系统,并激发了一大批创新性的新型雷达设计和制造方法。新的有源相控阵技术实现了向更高频率(毫米波)的发展,从而可以更小的相控阵天线提供更高的分辨率,而模块化设计方法使得新型数字处理和计算技术被快速采用。

有源相控阵雷达

过去的几十年中,相控阵天线大大改善了传统雷达的方向性和性能。最近,更强的数字信号处理和计算方法又带来一项技术突破。有源相控(或称有源波束赋形)在利用相控阵天线性能优点的同时还引入有源扫描,从而不但大幅降低了机械扫描雷达天线的维护成本和故障率,而且还提高了雷达扫描速度和精度(12。这一行业的领导者有雷神(Raytheon)、诺斯洛普·格鲁门(Northrop Grumman)、洛克希德·马丁(Lockheed Martin)和泰雷兹(Thales)等公司。此外,此领域中还有许多其它公司正在研发新技术。有源相控阵雷达在传统雷达技术的改造、升级和更换方面具有极高的需求。

图1:很多战斗机已将机械扫描雷达淘汰,换装了新式的有源相控阵雷达。

在最新产品中,收发(TR)模块可设置为既能以独立方式运行,也能以集群方式运行,从而可生成多个不同工作频率的波束,以实现扫描资源的动态智能利用。与无源阵列雷达相比,这种适应性极高的配置方式有助于降低被截获的概率。此外,其定向接收和频率敏捷性降低了干扰敏感性,而且此优点在宽带情形中尤其突出。

在上述模块化有源相控阵设计中,由于收发模块的任何故障均不会导致整个系统发生瘫痪,而且还易于通过模块更换实现维修/维护,因此可靠性更高。有源相控阵雷达的收发模块主要为高性能的软件定义无线电(SDR)模块,这些模块还可配置为用于实现极高数据速率的无线电通信。此外,其高定向性的波束赋形能力因可将与接收机的通信限定于波束聚焦路径内而实现通信安全性4

有源相控阵雷达天线的典型最大扫描角度小于120度。为了实现360度覆盖,一种通常做法为将其安装于机械旋转平台上。然而,最近的研究成果已证实,使用背靠背式的天线面板可实现固定阵列的360度全方位覆盖。这方面的一个例子为雷神公司自行设计的爱国者导弹系统升级版本原型。此外,还有一些系统采用连接至同一雷达系统的多个(三个或更多)面板实现全向扫描和跟踪功能。值得注意的是,有源相控阵系统的成本大致与阵列的大小和性能以及收发模块的数量成正比。

多输入多输出雷达

为了降低有源相控阵雷达的大小、重量、功率和成本(SWAP-C)并提高其可扩展性,研究人员正在开发一种精密技术,该技术利用与针对5G无线通信所开发的多输入多输出(MIMO)技术类似的技术,将稀疏布置的阵列整合为更大的虚拟阵列。MIMO雷达利用多个独立收发天线的空间多样性,采用算法计算雷达反射并实现复合分辨率5。这些天线系统还可在多种频率下工作,或者以无干扰方式同时在多种频率组成的宽频带内工作,从而进一步增强雷达在背景杂波中识别正确目标的能力。

有人认为,MIMO雷达系统可能优于类似的常规相控阵雷达系统6。虽然这一主张还未得到确凿证明,但在许多应用中,例如在小型UAS、卫星或快速部署移动雷达站等对SWAP-C性能要求较高的平台中,要想获得稀疏部署的小型MIMO天线阵列的SWAP-C优势所赋予的高精度雷达性能,相控阵雷达存在成本太高、重量太大、体积太大或功耗太大的问题。最近的一些研究展示出在合成孔径雷达(SAR)MIMO雷达系统中实现改进的可能性,这些雷达系统的地理定位精度高于相控阵雷达,并用于以更少的错误警报及可能更高的抗干扰能力对快慢速移动目标进行指示7。考虑到目标的环境条件及雷达标记,为了实现上述性能优势,必须采用高精密数字信号处理及数字波形生成技术,而且必须令其得到有效应用。

多输入多输出雷达的另一研究重点为全向天线系统。与相控阵天线相比,此类系统的损耗更高,而且该损耗可能与目标关注区域之外的能量浪费有关。尽管如此,人们仍提出多种方法,以利用认知无线电系统改进MIMO雷达,以及减轻上述缺点。

超宽带毫米波雷达

为了避免在较低微波频率下发生频谱拥塞,以及为了实现高精度和高分辨率,许多应用已将其频率移至20GHz以上。幸运的是,在毫米波频率下,有数个指定波段具有0.5GHz、1GHz,甚至4GHz的可用带宽。虽然辐射能在毫米波频率下易于发生更高的大气损耗,然而与6GHz以下的微波频率相比,其具有更高定向性。毫米波雷达的优点在于,噪声更小,因超宽带而具有更高分辨率,尺寸更小8

许多新式车用雷达采用79GHz的毫米波频带,该频带可在光学传感器无法穿透的雾、灰尘及下雨等不利条件下实现充分穿透(2)。此外,在此波段下工作还可实现更高的分辨率及更佳的危害检测功能。毫米波雷达的优点还可体现于包括UAS/无人机检测和监视以及甚至包括医疗监控在内的其它应用中。举例而言,采用FMCW原理的周边监视(MCRPS)用多通道雷达及扫描监视雷达系统(SSRS)(带宽为1GHz,94GHz下功耗为100mW)已用于实现15厘米范围的分辨率,以及根据转子类型对UAS/无人机进行分类。此外,24GHz波段雷达已应用于以小于7.17ms的RMS误差准确有效地区分和表征心跳的远程心率监测器中。

图2:毫米波雷达具有穿透灰尘和雾的能力,从而可准确检测和识别其它车辆及道路危险状况。

军事用途中所发现的各种优点(如更佳检测范围、更佳分辨率以及更高的基于FMCW的物体识别性能)可广泛用于科学、医疗和安保领域中的各种新用途。此外,由于毫米波雷达对光照条件、天气和背景杂波的敏感性较低,其还在监视方面比可见光谱及红外摄像技术具有更大优势。举例而言,已开发的隐藏威胁检测用安保及安全管理技术可在100英尺的相隔距离实现可靠的威胁监测10。该技术目前使用W波段(75~110GHz)频率,而且已在有效相隔距离为30英尺以上的手持式版本中得以实际实施。

雷达设计与制造

虽然雷达技术的大多数最新进展和用途依靠传统雷达技术便可实现,然而数字计算的SWAP-C优势及进展因其被证实的高成本效益和高性能而在保持增长的雷达行业得以快速应用。此外,处于开发阶段的新型制造技术和半导体还将刺激进一步的增长。

GaN技术对雷达的影响

美国国防部的许多最新合同及其它国家的许多最新军事发展均要求以基于GaN的收发模块对传统雷达进行改造和升级。主要原因在于,有源相控阵雷达收发模块中的GaN功率放大器(PA)在功率密度、可靠性、频率性能和带宽性能上远远优于其它固态技术。此外,其还可与TWT一较长短,同时不存在可靠性、大小和维护方面的问题。与GaAs和磷化铟(InP)等其它III-V族半导体材料类似,GaN半导体的电子迁移率/速度远高于硅和碳化硅(SiC)。

GaN还表现出极高的物理耐久性、耐辐射性、高耐压性以及极高的热稳定性。因此,与其它固态技术相比,GaN功率电子器件具有引人注目的功率密度,而且GaN功率放大器还具有高功率附加效率(PAE)。GaN还可用于低噪声放大器(LNA),以使其具有与GaN功率放大器类似的耐用特性,并且可实现灵敏的接收机,此类接收机由于具有较低的输入电压阈值,因此不易因其有限的动态范围而受到干扰、损坏或其它影响。

为了增加硅片尺寸及改善GaN工艺,许多行业对GaN技术在降低电信、卫星和其它功率电子器件的SWAP-C方面的优势进行了探索。此外,散热改进工艺还催生出功率水平更高、尺寸更小且成本效益更佳的器件。GaN正发展成为一种主流技术,其将催生出具有更高带宽以及更低成本的雷达及通信系统,并且产生新的雷达和无线电用途。

3D打印雷达部件、模块化雷达设计以及磁性材料增强技术

为了进一步降低雷达部件的SWAP-C,各种研究机构、行业及国防部门正在对电子器件的3D打印、模块化射频/微波部件设计技术以及磁性材料增强技术的进展展开调查研究。更小型、更高效、可扩展且制造方式更加灵活的天线和射频/微波无源器件等雷达部件势必产生更为先进的单人携带雷达系统、UAS雷达系统及商用雷达系统。此类技术必须能够实现在低成本基板上对天线、移相器、滤波器和传输线的印刷。雷神马萨诸塞大学洛厄尔分校研究所的研究小组正在致力于一项使用塑料、3D打印导电油墨、频率选择性表面材料及主动可调谐变容二极管实现上述目的的项目(311

图3:3D打印天线阵列将利用塑料基板和其它低重量低温制造部件降低有源相控阵雷达的成本和重量。

此外,雷神还与美国陆军研究实验室展开用于下一代陆军雷达(NGR)的可扩展、敏捷、多模、前端技术(SAMFET)计划12。美国陆军除提出为该下一代陆军雷达采用可减少循环开发周期和升级次数的开放性架构之外,还鼓励模块化器件的开发、新型雷达结构以及新式制造技术。此外,OpenVPX和OpenRFM等射频/微波及数字技术将促进依靠紧密结合的数字和射频/微波系统的高性能军事电子器件的模块化设计和开发。

为了从另一角度实现SWAP-C的削减,美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动了一项以将磁性器件整合于射频和数字集成电路(IC)工艺中为目标的研究计划。该计划名为“小型化一体磁性集成电路(M3IC)计划”,其目标在于缩小通信、雷达和电子战(EW)系统的尺寸,以及实现新的控制方法/功能13。虽然某些超材料已被证实具有磁性特性,但从关于该DARPA计划的信息中,尚未可知其是否允许超材料技术的使用。

对部件和器件的影响

最新的雷达和无线电系统为精密计算机系统所控制和演绎的数字、模拟和射频/微波电子器件的高集成度复杂综合体(4)。除了大多数现代雷达,SDR技术还可应用于Wi-Fi路由器、智能手机、汽车以及蜂窝基站。航空航天及国防用雷达与此类现代商业无线电之间的区别在于,射频和数字电子器件的精密程度、带宽和功率,以及天线的尺寸和功率处理能力。

图4:现代雷达信号链采用大量的射频及微波部件。

随着消费和工业用无线电及雷达技术的发展,产品线在功能和精密程度层面逐渐迷失了焦点。为了保持领先地位,美国国防部持续投资开发下一代航空航天和国防用雷达的部件和器件。这不仅将对部件和器件本身,还将对其设计、测试和制造设备产生影响。

模拟/数字电子器件

先进的数字信号处理技术和数字波形生成技术促进了下一代雷达波形的可编程性和灵活性。商用现场可编程门阵列(FPGA)的功能已变得极为强大——其定点运算性能达20TMAC以上,单精度浮点运算性能为每秒10万亿次浮点运算(TFLOPS)。而且,与CPU和GPU不同,FPGA可随需求的变化而重新配置。在军事用途中,尤其鉴于其在延迟、并行性、输入/输出(I/O)速度和计算强度方面的优异性能,上述特性促进并实现了其对不断发展的威胁的灵活适应性14

然而,无论处理能力多快,必须先将模拟数据转换为数字数据才能实现对此优势的利用。因此,模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)一直处于发展状态,从而持续提高ADC/DAC器件的速度,以实现吉赫兹频率下的直接射频采样/合成。虽然大多数目前已部署的系统无法在较高的微波和毫米波频率下进行直接射频合成和采样,但是软件定义无线电技术中所使用的数种2.4GHz ISM(或S)频段ADC/DAC已具有这种能力。较高频率下的数字合成和采样可消除各上变频和下变频级,从而在增加带宽的同时,避免了与高微波和毫米波频率雷达信号链中的混频器相关的性能限制。

FPGA需求的日益增长,使得人们同时产生了对通用处理器(GPP)和ADC/DAC以及包括高速RAM、固态硬盘(SSD)等长期存储器、嵌入式计算机和数据采集控制系统在内的相关器件和技术的需求。

射频/微波电子器件

与无线电硬件相类似,雷达信号链除结合了可对极端功率水平、较宽带宽和复杂信号调制方式进行处理的多方面收发功能之外,还需要使用一系列的滤波器组和移相器。每个天线阵列元件的收发(TR)模块将数字信号处理核心所生成或解码的微波或毫米波信号发送至该天线,并将其返回接收机。收发模块以多个级对所述信号进行放大、滤波和上变频/下变频。此外,同轴、带状线或波导互连器件以尽可能低损耗的方式将高保真信号从一个子系统传输至另一子系统。

表1列出了各种现代雷达类型所需的主要射频/微波部件。取决于所使用雷达的规模。所示部件当中的每一种在单个航空航天或国防有源相控阵中的配置数量从数个到数千个不等。

 

测试测量设备和工具

虽然确实有一些高度定制化的高价测试系统可一定程度上填补性能空缺,但最新雷达技术的带宽远远超出了商用测试测量设备的性能。此外,敏捷性和可编程性的提高使得无法对新型雷达系统的每种操作模式和条件进行彻底测试。这一困境驱使人们开发模块化程度和可配置程度更高的测试设备,以及更为先进的EM和设计仿真软件15

这方面的一个例子为实时频谱分析仪(RTSA)与矢量网络分析仪(VNA)在雷达表征方面的配对使用的实用性的提升。此外,随着雷达波形的调整和变化,还需要新的敌友识别(IFF)方法及对此进行测试的能力。这不但要求所使用的仪器本身为先进的雷达,而且还需要具有高水平的诊断和报告功能。

具有更大带宽的信号发生器必须具备提供复杂雷达波形的能力。此外,还需要可对雷达部件的射频、物理和生存特性进行测试的现代工具——包括EMC/EMI工具、振动台、环境室以及近/远场测试范围。

结论

对可满足现代战场空间及一系列雷达新用途的最新需求的雷达系统的现场部署需要下至数字和射频/微波硬件,上至仿真软件和测试系统的各种先进工艺和技术。此外,为了实现SWAP-C方面的改进,还需要由美国国防部资助并且由航空航天和防务工业组织实施的新材料开发。各层级的雷达设计和实施均在发生着变化,从而加速下一代系统的开发,并推动RFIC和单片微波集成电路(MMIC)设计、数字信号处理技术、以及材料科学和测试的发展。

航空航天、国防和车用雷达的交付时间和设计周期正在逐渐缩短,从而给部件和设备的采购带来更大负担。许多射频/微波供应商需要相对较长的交货时间,并需要长达数周或数月时间以使采购订单的处理获得批准。然而,这一情况也正在发生改变——为了支持最新的雷达计划,准时生产解决方案正在该领域获得应用。

 

参考文献

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2.    E. Brookner, “Radar and Phased Array Breakthroughs,” Microwave Journal, Vol. 58, No. 11, November 2015.

3.    Eurofighter AESA Antenna, ILA Berlin Air Show, April 24, 2014, Wikimedia Commons, commons.wikimedia.org/wiki/File:ILA_Berlin_2012_PD_193-Detail-2.jpg.

4.    “US Navy All Set for AN/SPY-6(V) Radar Array Tests,” www.navaltoday.com/2016/07/07/us-navy-all-set-for-anspy-6v-radar-array-tests/, July 2016, Retrieved September 28, 2016.

5.    A. Hassanien, M. G. Amin, Y. D. Zhang and F. Ahmad, “High-Resolution Single-Snapshot DOA Estimation in MIMO Radar with Co-Located Antennas,” IEEE Radar Conference, May 2015.

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7.    “Robust Wideband Waveforms for Synthetic Aperture Radar (SAR) and Ground Moving Target Indication (GMTI) Applications,” www.sbir.gov/sbirsearch/detail/115394, Retrieved September 28, 2016.

8.    “Ground Moving Target Detection in MIMO-SAR System,” 2016 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), July 10-15, 2016.

9.    “Detecting Heartbeats Remotely with Millimeter-Wave Radar,” Kurzweil, Accelerating Intelligence, January 2016, www.kurzweilai.net/detecting-heartbeats-remotely-with-millimeter-wave-radar, Retrieved September 28, 2016.

10. “Millimeter Radar Threat Level Evaluation,” Aventura Technologies Inc.www.securityinfowatch.com/product/12172969/aventura-technologies-inc-millimeter-radar-threat-level-evaluation-mirtle, Retrieved September 28, 2016.

11. M. Orcutt, “New Ink Opens the Door to3-D-Printed Radar,” MIT Technology Review, December 2015, www.technologyreview.com/s/544526/new-ink-opens-the-door-to-3-d-printed-radar/, Retrieved September 28, 2016.

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14. J. McHale, “FPGAs, Expensive and Difficult to Program, but Essential to Radar and Electronic Warfare Systems,” Military Embedded Systems, November 2015, www.mil-embedded.com/articles/fpgas-expensive-and-difficult-to-program-but-essential-to-radar-electronic-warfare-systems/, Retrieved September 28, 2016.

15. “Test Equipment Modernization (TEMOD),” U.S. Army Acquisition and Support Centerwww.asc.army.mil/web/portfolio-item/cs-css-test-equipment-modernization-temod/, Retrieved September 28, 2016.


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