颠覆​先进​雷达​应用​领域​的​4​大​技术

概览

电磁​频​谱​是​战争​领域​中​争议​越来越​大​的​话题。 电子​对抗​措施​日益​复杂，​探测​第五​代​战斗​机​变得​更加​困难，​大​多数​世界​主要​大国​正​大力​投资​到​网络​战​技术，​以便​未来​成为​这​一​领域​的​主导​者。 此外，​随着​蜂​窝​电话​供应​商​开始​推出​5G，​汽车​制造​商​推动​V2X​通信，​以及​物​联​网​将​无线​连接​推向​无数​设备，​频​谱​的​商业​用途​呈​指数​级​扩展。

这种​演变​为​设计​和​测试​情报、​监视​和​侦察​（ISR）​系统​的​科学​家​和​工程​师​带来​了​新的​挑战。 但​这些​挑战​也​为​创新​提供​了​机会，​因为​这​要求​工程​师​使用​更​具​成本​效益​和​时间​效益​的​方法​开发​日益​复杂​的​系统。

然而，​支持​这些​复杂​系统​的​基础​技术​也在​不断​发展​来​应对​这些​挑战。 作为​雷达​设计​和​测试​仪器​和​设备​的​厂商，​NI​认为​以下​四大​创新​将​在​未来​几年​内​对​雷达​技术​产生​最大​的​影响。

目录

1、氮化​镓​应用​于​前端​组件
2、高速​数据​转换​器​用于​信号​收发
3、不断​发展​的​FPGA​技术​应用​于​认知​技术
4、高​带​宽​数据​总​线​应用​于​传感器​融合
5、借助​模​块​化​的​COTS​仪器，​将​所有​功能​结合​在一起

氮化​镓​应用​于​前端​组件

氮化​镓​（GaN）​被​认为​是​自​硅​以来​影响​最大​的​半导体​创新​产品，​该​材料​能够​在​比​传统​半导体​材料​高​得​多​的​电压​下​工作。 更高​的​电压​意味​着​更高​的​效率，​因此​基于​GaN​的​RF​功率放大器​和​衰减​器​具有​更低​的​功耗，​且​产生​热量​更少。 随着​越来越​多​使用​GaN​的​RF​元件​供应​商​为​市场​提供​适用​于​生产​的​可靠​产品，​基于​GaN​的​放大器​日益​普及。

该​技术​对于​有源​电子​扫描​阵​列​（AESA）​雷达​系统​的​发展​非常​重要。 AESA​是​完全​有源​的​阵​列，​包含​数百​甚至​数​千​个​天线，​每​个​天线​都有​其​相位​和​增益​控制。 这些​雷达​系统​使用​相​控​阵​发射​器​和​接收​器，​以​电子​方式​操纵​波束​而无​需​物理​移动​天线。 与​其他​传统​雷达​相比，​这些​类型​的​雷达​系统​因​其​更高​的​目标​功率、​空间​分辨​率​和​鲁​棒​性​而​日益​普及。 例如，​如果​阵​列​中的​某​个​元件​发生​故障，​雷达​仍​可以​继续​工作。 GaN​放大器​在​AESA​雷达​中的​应用​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​冷却​需求​下​实现​相同​的​输出功率。

图​1. AESA​雷达​架构

随着​基于​GaN​技术​的​应用​和​解决​方案​变得​更加​先进，​将​组​件​级​测试​结果​与​系统​级​测试​结果​相关​联​变得​更加​重要。 使用​矢量​网络​分析​仪​的​传统​元件​测试​方法​可​提供​正向​和​反射​增益​和​相位​的​精确​窄​带​视图。 然而，​这种​传统​方法​中的​连续​波​（CW）​激励​并​不能​准确​反映​元件​最终​使用​的​实际​信号​环境。 作为​替代​方案，​您​可以​利用​矢量​信号​分析​仪​和​矢量​信号​发生​器​的​宽​带​灵活​性​来​创建​更能​代表​真实​世界​的​应用​及其​环境​的​脉冲​和​调制​激励​信号。 此​功能​与​S​参数​分析​的​组合​已经​成为​越来越​具有​战略​意义​的​组​件​级​测试​方法。

高速​数据​转换​器​用于​信号​收发

转换​器​技术​每年​都在​不断​进步。 现在​在​同等​分辨​率​下，​来自​主要​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​数量​级。 这些​高速​ADC​的​分辨​率​提高​也​为​雷达​提供​了​更高​的​动态​范围​和​更宽​的​瞬时​带​宽。 动态​范围​是​决定​最大​工作​范围​的​关键​要素;​例如，​它​使​第五​代​战斗​机​（如​F-35）​能够​识别​更远​的​目标。 更高​瞬时​带​宽​提供​了​诸​多​好处，​包括​通过​脉冲​压缩​增加​空间​分辨​率​以及​实现​低​截获​概率​（LPI）​雷达​等​高级​技术。 更高​带​宽​带来​的​另​一个​趋势​是​传感器​融合。​使用​传感器​融合​技术，​您​可以​对​单​个​信号​链​进行​多个​功能​操作。 例如，​通过​将​多个​频​段上​不同​类型​的​波形​分​离开，​宽​带​传感器​可以​同时​用​作为​通信​系统​和​雷达。

此外，​许多​半导体​公司​正在​发布​称为“直接​RF​采样​转换​器”的​ADC​和​DAC，​例如​TI ADC12DJ3200，​能够​以​高达​6.4 GS/​s​的​速率​采集​数据。 RF​采样​转换​器​此​采样​率​下​具有​12​位​分辨​率，​可以​直接​将​RF​输入​信号​转换​为​C​频​段，​而无​需​上​变频​或​下​变频。 随着​转换​器​的​不断​发展，​未来​的​雷达​将​受益​于​C​和​X​频​段​的​直接​RF​采样。

图​2.​外​差​与​直接​射频​采样​架构

直接​RF​采样​架构​将​彻底​改变​AESA​雷达。 在​完全​有源​阵​列​中，​每​个​天线​元件​都​需要​自己​的​ADC​和​DAC。 这​意味​着​如果​ADC​和​DAC​无法​直接​以​雷达​的​工作​频率​进行​采样，​则​每​个​发送 - 接收​模​块​（TRM）​需要​有一​级​进行​上/​下​变频。 这​会​增加​设计​成本、​尺寸​和​性能​变化。 而​使用​直接​RF​采样​架构，​就​无​需​再​使用​混​频​器​和​本地​振荡​器​（LO），​从而​简化​了​RF​前端​架构，​降低​成本、​尺寸​和​复杂​性。 基于​如此​大量​的​发射​器​和​接收​器，​直接​RF​采样​架构​将​可以​显​着​提高​通道​密度​并​降低​每​个​通道​的​成本。

由于​采用​模​块​化​仪器​方法，​NI​可以​在​最新​转换​器​广泛​应用​于​商用​仪器​之前，​迅速​将​其​推向​市场。 例如，NI​最新​的​FlexRIO​收​发器采用​直接​RF​采样​转换​器，​采样​率​最高​可达​6.4 GS/​s。 这​有助​于​研究​人员​和​工程​师​使用​真实​的​I/​O​快速​进行​原型​验证，​并​开发​出​与​当今​雷达​的​尖端​性能​相​匹配​的​测试​平台。 这些​设备​还能够​利用​PXI​的​高级​时序​和​同步​背​板，​在​单​个​系统​中​实现​数​十​个​到​数百​个​通道​的​相位​一致性。

不断​发展​的​FPGA​技术​应用​于​认知​技术

FPGA​技术​也在​不断​发展。 现代​FPGA​包含​更多​逻辑，​提供​更高​的​每​瓦​计算​能力，​并​支持​高达​150 Gb/​s​的​高速​数据​流​和​专用​IP​模​块。 当今​的​高​FPGA​计算​能力​为​五年​前​根本​无法​实现​的​创新​技术​打开​了​大门。

基于​新​FPGA​技术​的​一个​创新​领域​是​机器​学习​在​认知​雷达​中的​应用。 这些​技术​提高​了​雷达​对​环境​的​响应​能力，​从而​提供​更​具​可​操作性​的​信息。 机器​学习​并不​是​运行​预​编​程​的​模式​（比如​搜索​模式、​跟踪​模式​等），​而是​允许​雷达​自动​适应​最佳​工作​参数，​包括​工作​频率​和​波形​类型。 机器​学习​还​可​实现​自动​目标​识别​（ATR）​等​功能​以及​基于​知识​辅助​的​操作。

图​3.​部署​在​认知​雷达​的​FPGA​上​的​机器​学习​技术

虽然​国防​和​航空​航天​组织​多年​来​一直在​使用​FPGA​技术，​但​我们​所​看到​的​另​一个​发展​是​更​高级​FPGA​设计​工具​的​进步。 更高​级别​的​工具​可以​简化​算法​从​主机​到​FPGA​的​迁移，​从而​提高​开发​效率，​同时​在​设计​中​集成​底层​HDL。 对于LabVIEW FPGA，​您​还​可以​通过​板​卡​基础​设施​（PCI Express、​JESD204B、​内存​控制器​和​时钟​等）​的​抽象​来​实现​紧密​的​NI​硬件​软件​集成。 这​可以​将​FPGA​开发​的​重点​从​板​卡​支持​转向​算法​设计，​从而​在​不​牺牲​性能​的​情况​下​减少​开发​工作​量。 即使是​不​具备​VHDL​或​Verilog​专业​知识​的​软件​工程​师​和​科学​家，​或者​面临​紧迫​时间​进度​的​硬件​工程​师，​更​抽象​的​FPGA​工具​都可以​帮助​大幅​缩短​开发​周期。

高​带​宽​数据​总​线​应用​于​传感器​融合

另​一个​关键​趋势​是在​将​高​带​宽​传感器​数据​传输​回​集中​处理​器​进行​计算​时，​PCI Express Gen 3,40/100 GbE、​光纤​通道​和​Xilinx Aurora​等​高​带​宽​数据​总​线​的​重要性​日益​凸显。 例如，​F-35​的​集成​核心​处理​器​集合​来自​多个​ISR​传感器​的​数据，​以便​对​这些​数据​进行​集中​处理。 这​有助​于​提高​飞行​员​的​情境​感知​能力。 这​一​趋势​的​核心​是​高速​串​行​收​发​器​技术​（也​称为​多​千​兆​位​收​发​器​或​MGT）​的​发展。 近年​来，​该​技术​发展​迅速，​目前​的​线路​速率​达到​每​通道​32 Gbps; 56 Gbps PAM4​即将​问世。 FPGA​通常​被​认为​是​处理​资源，​但​它们​也​包含​一些​最​复杂​的​MGT，​这​使​它们​成为​传感器​开发​的​理想​终端。

图​4.​聚合​来自​多个​ISR​传感器​的​数据，​以便​使用​高速​数据​总​线​进行​集中​处理

使用​模​块​化​仪器​的​优势​在于，​随着​处理​能力​和​带​宽的​迅速​增加，​系统​可以​更​容易​地​升级。 PXI​平台特别​适用​于​需要​高​带​宽​数据​流​和​集成​定​时​和​同步​的​系统。

借助​模​块​化​的​COTS​仪器，​将​所有​功能​结合​在一起

随着​这些​基础​技术​的​快速​发展，​雷达​技术​和​架构​的​复杂​性​和​性能​都在​不断​提高。 随着​技术​的​不断​发展，​系统​必须​不断​发展​以​跟上​步伐。 实现​所需​定制​和​性能​的​唯一​可行​选择​似乎是​让​内部​设计​人才​基于​内部​知识，​在​公司​内部​为​雷达​原型​和​测试​系统​开发​完全​定制​的​硬件​和​软件。 但是，​这些​解决​方案​还​伴随​有​长期​维护​责任​和​高​机会​成本。

随着​FPGA​的​出现​以及​模​块​化​新型​转换​器​和​数据​流​技术​的​快速​采用，​COTS​解决​方案​不仅​可以​满足​规范​要求，​还​可以​提供​灵活​性，​确保​系统​具备​长​寿命​周期​所需​的​耐用性。 通过​将​这些​技术​快速​整合​到​模​块​化​的​COTS​设备​中，​NI​可​帮助​工程​师​轻松​满足​先进​雷达​系统​不断​变化​的​要求，​同时​满足​严格​的​时间​表​和​预算。

本文转载自： National Instruments
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