4大技術(shù)推動雷達的發(fā)展

電磁頻譜是戰(zhàn)爭領(lǐng)域中爭議越來越大的一個話題。電子對抗措施日益復(fù)雜，導致探測第五代戰(zhàn)斗機變得更加困難，因此，大多數(shù)世界主要大國正大力投資到網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)技術(shù)，以便未來成為這一領(lǐng)域的主導者。此外，隨著蜂窩電話供應(yīng)商開始推出5G，汽車制造商推動V2X通信，以及物聯(lián)網(wǎng)將無線連接推向無數(shù)設(shè)備，頻譜的商業(yè)用途呈指數(shù)級擴展。這種演變給科學家和工程師設(shè)計和測試情報、監(jiān)視和偵察(ISR)系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。

但這些挑戰(zhàn)也為創(chuàng)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(fā)日益復(fù)雜的系統(tǒng)。

然而，支持這些復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)也在不斷發(fā)展以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。作為雷達設(shè)計和測試儀器和設(shè)備的廠商，NI認為以下四大創(chuàng)新將在未來幾年內(nèi)對雷達技術(shù)產(chǎn)生最大的影響。

氮化鎵（GaN）被認為是自硅以來影響最大的半導體創(chuàng)新產(chǎn)品，該材料可承受的工作電壓要比傳統(tǒng)半導體材料高得多。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)生的熱量更少。隨著越來越多RF元件供應(yīng)商基于GaN為市場提供適用于生產(chǎn)的可靠產(chǎn)品，GaN放大器的應(yīng)用也日益普及。

該技術(shù)對于有源電子掃描陣列（AESA）雷達系統(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)千個天線，每個天線都有其相位和增益控制。這些雷達系統(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天線。與其他傳統(tǒng)雷達相比，這些類型的雷達系統(tǒng)因其更高的目標功率、空間分辨率和魯棒性而日益普及。例如，如果陣列中的某個元件發(fā)生故障，雷達仍可以繼續(xù)工作。因此GaN放大器在AESA雷達中的應(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提供相同的輸出功率。

圖1.AESA雷達架構(gòu)

隨著基于GaN技術(shù)的應(yīng)用和解決方案日益先進，組件級測試結(jié)果與系統(tǒng)級測試結(jié)果之間的相互關(guān)聯(lián)也變得日益重要?；谑噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀的傳統(tǒng)元件測試方法可以準確顯示正向和反射增益和相位。然而，這種傳統(tǒng)方法中的連續(xù)波（CW）激勵信號并不能準確反映元件最終使用的實際信號環(huán)境。作為替代方案，您可以利用矢量信號分析儀和矢量信號發(fā)生器的寬帶靈活性來創(chuàng)建更能代表真實應(yīng)用及其環(huán)境的脈沖和調(diào)制激勵信號。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)略意義的組件級測試方法。

轉(zhuǎn)換器技術(shù)每年都在不斷進步?，F(xiàn)在在同等分辨率下，來自主要半導體公司的模數(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)換器要快好幾個數(shù)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(tài)范圍和更寬的瞬時帶寬。動態(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（如F-35）能夠識別更遠的目標。更高瞬時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現(xiàn)低截獲概率（LPI）雷達等高級技術(shù)。更高帶寬帶來的另一個趨勢是傳感器融合。使用傳感器融合技術(shù)，您可以對單個信號鏈進行多個功能操作。例如，通過將多個頻段上不同類型的波形分離開，寬帶傳感器可以同時用作為通信系統(tǒng)和雷達。

此外，許多半導體公司正在發(fā)布稱為“直接RF采樣轉(zhuǎn)換器”的ADC和DAC，例如TIADC12DJ3200，能夠以高達6.4GS/s的速率采集數(shù)據(jù)。RF采樣轉(zhuǎn)換器在此采樣率下具有12位分辨率，可以直接將RF輸入信號轉(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。在完全有源陣列中，每個天線元件都需要自己的ADC和DAC。這意味著如果ADC和DAC無法直接以雷達的工作頻率進行采樣，則每個發(fā)送-接收模塊（TRM）需要有一級進行上/下變頻。這會增加設(shè)計成本、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。基于這一大型發(fā)射器和接收器陣列,直接RF采樣架構(gòu)將可以顯著提高通道密度并降低每個通道的成本。

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。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6.4GS/s。這有助于研究人員和工程師使用真實的I/O快速進行原型驗證，并開發(fā)出與當今雷達的尖端性能相匹配的測試平臺。這些設(shè)備還能夠利用PXI的高級時序和同步背板，在單個系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)十個到數(shù)百個通道的相位一致性。

FPGA技術(shù)也在不斷發(fā)展?，F(xiàn)代FPGA包含更多邏輯，提供更高的每瓦計算能力，并支持高達150Gb/s的高速數(shù)據(jù)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(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)打開了大門。

基于新FPGA技術(shù)的一個創(chuàng)新領(lǐng)域是機器學習在認知雷達中的應(yīng)用。這些技術(shù)提高了雷達對環(huán)境的響應(yīng)能力，從而提供更具操作性的信息。機器學習并不是運行預(yù)編程的模式（比如搜索模式、跟蹤模式等），而是允許雷達自動適應(yīng)最佳工作參數(shù)，包括工作頻率和波形類型。機器學習還可實現(xiàn)自動目標識別（ATR）等功能以及基于知識輔助的操作。

圖3.部署在認知雷達的FPGA上的機器學習技術(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發(fā)展是更高級FPGA設(shè)計工具的進步。更高級別的工具可以簡化算法從主機到FPGA的遷移，從而提高開發(fā)效率，同時在設(shè)計中集成底層HDL。對于LabVIEWFPGA，您還可以通過板卡基礎(chǔ)設(shè)施（PCIExpress、JESD204B、內(nèi)存控制器和時鐘等）的抽象來實現(xiàn)緊密的NI軟硬件集成。這可以將FPGA開發(fā)的重點從板卡支持轉(zhuǎn)向算法設(shè)計，從而在保證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)知識的軟件工程師和科學家，或者面臨緊迫時間進度的硬件工程師，抽象程度更高的FPGA工具也可幫助他們大幅縮短開發(fā)周期。

另一個關(guān)鍵趨勢是在將高帶寬傳感器數(shù)據(jù)傳輸回集中處理器進行計算時，PCIExpressGen3,40/100GbE、光纖通道和XilinxAurora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ISR傳感器的數(shù)據(jù)，以便對這些數(shù)據(jù)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(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，目前的線路速率達到每通道32Gbps;56GbpsPAM4技術(shù)也正在開始普及。FPGA通常被認為是處理資源，但它們也包含一些最先進的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ISR傳感器的數(shù)據(jù)，以便使用高速數(shù)據(jù)總線進行集中處理

使用模塊化儀器的優(yōu)勢在于，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。PXI平臺特別適用于需要高帶寬數(shù)據(jù)流和集成定時和同步的系統(tǒng)。

借助模塊化的COTS儀器，將所有功能結(jié)合在一起隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，雷達技術(shù)和架構(gòu)的復(fù)雜性和性能都在不斷提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)必須不斷發(fā)展以跟上步伐。如果要實現(xiàn)所需的定制化程度和性能，唯一可行選擇似乎是讓內(nèi)部設(shè)計人才基于內(nèi)部知識，在公司內(nèi)部為雷達原型和測試系統(tǒng)開發(fā)完全定制的硬件和軟件。但是，這些解決方案還伴隨有長期維護責任和高機會成本。

隨著FPGA的出現(xiàn)以及新型模塊化轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)流技術(shù)的快速應(yīng)用，COTS解決方案不僅可以滿足規(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，NI可幫助工程師輕松滿足先進雷達系統(tǒng)不斷變化的要求，同時滿足嚴格的時間表和預(yù)算。