人類在掌握電磁波技術的50年以后,發展出了無線電雷達技術,它在第二次世界大戰中嶄露鋒芒,發揮了巨大的作用。近二十多年來世界上發生多次局部高技術戰爭,使我們清楚地認識到雷達觀察的目標發生了重大變化,雷達工作的電磁環境嚴重惡化,并對雷達的發展產生了巨大的影響。隨著微波、計算機、半導體、大規模集成電路等各個領域科學進步,也使雷達技術發生了革命性躍進,其內涵和研究內容都在不斷地拓展。雷達功能也由單一功能慢慢演變成多任務、多功能雷達系統。
當前面對日益復雜多變的戰場電磁環境挑戰,各國都在大力提升電子戰裝備的智能化水平。隨著信號產生技術、高功率發射技術、天線技術、信息處理技術等電子信息技術的發展,雷達技術的發展進入新的階段。主要表現為雷達的工作頻率、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,數字化技術向雷達天線端前移,真空管器件逐漸被固態器件替代,陣列雷達陣元數量的不斷增加,認知電子戰及人工智能在雷達領域的深入應用等。
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,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等四代戰機配置的綜合孔徑系統則能實現雷達、通信、電子戰一體化。
數字化技術向雷達天線端前移,表現在雷達天線由機械掃描向相控陣電子掃描發展,無源相控陣(PESA)向有源相控陣(AESA)、數字陣列雷達(DAR)發展,數字波束形成(DBF)技術得到大大的發展等方面。
真空管器件逐漸被固態器件替代,固態器件具有更好的性能(GaAs,GaN,SiC)、更低的成本,可以實現微波單片集成電路、片上系統以及片上雷達等。
陣列雷達陣元數量不斷增加,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,陣元數量不斷增加。
隨著人工智能技術的迅速發展和在軍事領域的逐步應用,智能雷達和智能雷達技術已經引起國內外廣泛關注。加強智能雷達及其關鍵技術研究,既是雷達技術發展的需要,更是提高雷達作戰能力的關鍵。
除了傳統的國防領域雷達技術得到快速發展外,近年來隨著5G、自動駕駛、無人機等技術大熱發展,毫米波雷達技術變的炙手可熱。同時物聯網應用范圍的不斷擴大,目前雷達技術在民用領域發展已經超越一般人對雷達技術的想象,從智能路燈到運動檢測,從血壓監測到心率監測,雷達技術在物聯網和嵌入式設計中的創新應用遍地開花,雷達傳感器已成為物聯網和嵌入式設計中的重要設計單元。
新的雷達技術發展和不斷出現的創新應用,給設計和測試雷達系統的科學家和工程師帶來了新的挑戰。但這些挑戰也為創新提供了機會,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日益復雜的系統。為了支持這些新技術和新應用的發展,基礎技術也在不斷發展來應對這些挑戰,小編認為以下幾個方面將在未來幾年內對雷達技術產生最大的影響。
轉換器技術每年都在不斷進步。現在在同等分辨率下,來自主要半導體公司的模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)的采樣率比五年前的轉換器要快好幾個數量級。這些高速ADC的分辨率提高也為雷達提供了更高的動態范圍和更寬的瞬時帶寬。動態范圍是決定最大工作范圍的關鍵要素。
FPGA技術也在不斷發展。現代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的高速數據流和專用IP模塊。當今的高FPGA計算能力為五年前根本無法實現的創新技術打開了大門。
基于新FPGA技術的一個創新領域是機器學習在認知雷達中的應用。這些技術提高了雷達對環境的響應能力,從而提供更具可操作性的信息。機器學習并不是運行預編程的模式(比如搜索模式、跟蹤模式等),而是允許雷達自動適應最佳工作參數,包括工作頻率和波形類型。機器學習還可實現自動目標識別(ATR)等功能以及基于知識輔助的操作。
另一個關鍵趨勢是在將高帶寬傳感器數據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等高帶寬數據總線的重要性日益凸顯。例如,F-35的集成核心處理器集合來自多個ISR傳感器的數據,以便對這些數據進行集中處理。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器技術(也稱為多千兆位收發器或MGT)的發展。近年來,該技術發展迅速,目前的線路速率達到每通道32 Gbps; 56 Gbps PAM4即將問世。FPGA通常被認為是處理資源,但它們也包含一些最復雜的MGT,這使它們成為傳感器開發的理想終端。
使用模塊化儀器的優勢在于,隨著處理能力和帶寬的迅速增加,系統可以更容易地升級。 PXI平臺特別適用于需要高帶寬數據流和集成定時和同步的系統。
隨著這些基礎技術的快速發展,雷達技術和架構的復雜性和性能都在不斷提高,測試系統必須與時俱進。通常企業內部的技術研發人員對測試系統需求有著最準確的理解,所以在企業內部為測試系統專門開發硬件和軟件在某種程度上是最佳的方法。從歷史上看,在公司內部為雷達原型和測試系統開發完全定制的硬件和軟件是唯一可行的選擇。然而,也要看到,這些基于自研產品的解決方案伴隨著長期的維護負擔,可能會讓企業無法享受到最新的行業技術紅利。
面對新一輪的技術革命挑戰,世界主要國家的國防和航空航天相關單位都在采納和集成新的射頻和無線技術來適應新的應用。面對計劃外(或臨時)項目以及超期服役的測試設備,還需要積極學習運用一些管理方法和工具來保證能夠有效應對這些不斷涌現的需求。