雷達(dá)數(shù)字化會帶來激動人心的前景？

隨著正在進(jìn)行的數(shù)字化革命，數(shù)字雷達(dá)是新體制雷達(dá)的前沿。下圖說明了從模擬雷達(dá)到數(shù)字化雷達(dá)的演變過程。從最嚴(yán)格的意義上講，全數(shù)字化雷達(dá)就是其數(shù)字化的過程是從天線元件級別開始的。

下圖圖展示了這個過程，信號在生成和傳輸后，經(jīng)天線單元的接收處理，即生成數(shù)字化信號。原則上，該過程簡化了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計，且僅有極少的模擬信號處理過程，是具備有軟件自適應(yīng)的面向未來先進(jìn)的功能。

這些先進(jìn)性將為敏捷自適應(yīng)波束成型技術(shù)提供最大的自由度—每一個構(gòu)成元素都可能是一個潛在的波束—并在動態(tài)范圍上線性的增長。但這種構(gòu)想在天線架構(gòu)層面存在較大的工程復(fù)雜性挑戰(zhàn)。

一個配備了有源電路的天線需要相當(dāng)大的電力，同時也會相應(yīng)的產(chǎn)生大量的熱量需要迅速有效的排除。對于機(jī)械掃描天線由于需要供應(yīng)大量電力、冷卻液且每一個天線單元產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，使得集流環(huán)的設(shè)計變得復(fù)雜。作為雷達(dá)開發(fā)人員和用戶，應(yīng)考慮以下幾點：

1）任務(wù)和性能需求是否需要全數(shù)字雷達(dá)？

2）是否有負(fù)擔(dān)得起的替代辦法？

3）混合架構(gòu)能否滿足日益嚴(yán)峻的需求？

在未來新的雷達(dá)應(yīng)用需求中，設(shè)計構(gòu)型和天線架構(gòu)將需要越來越小的體積。在可預(yù)見的未來，GaN將繼續(xù)是固體TRMS和AESA的首選半導(dǎo)體材料。下圖將GaN與其它Si基和GaAs材料進(jìn)行了比較，說明了GaN具有更好、更可靠的射頻性能的優(yōu)越的本質(zhì)特性。

GaN技術(shù)和器件的普及表現(xiàn)在對GaN相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)投資和在蜂窩中的日益廣泛的應(yīng)用上。同時，通信、航天電子和物聯(lián)網(wǎng)（大量）傳感器，使它越來越便宜，并推動不斷的創(chuàng)新。

電磁（EM）頻譜環(huán)境日益擁擠和沖突。隨著頻譜需求超過可用性，目前的頻譜分配策略和做法，例如為保證接入而設(shè)定專用頻譜頻帶，可能不再是恰當(dāng)合適的方式。

同時，作為頻率、時間、方向、極化和編碼的函數(shù)，給定點的實際頻譜占用率可能相當(dāng)?shù)汀Ｒ虼?，為了適應(yīng)日益增長的頻譜需求，電磁譜共存可能成為未來的研究范式。

這就要求對頻譜占用率的實時感知和對發(fā)射信號的控制，使多個信號共存并使信號互擾概率最小化。它要求未來的雷達(dá)能夠在動態(tài)電磁環(huán)境中根據(jù)先驗知識對發(fā)射和接收信號進(jìn)行快速調(diào)整和優(yōu)化，以避免在含噪電磁環(huán)境中被偵察發(fā)現(xiàn)或保持高性能。這本質(zhì)上是需要一個認(rèn)知雷達(dá)。

下圖顯示了在具有挑戰(zhàn)性的電磁環(huán)境中工作的認(rèn)知雷達(dá)的概念。這就要求該雷達(dá)具備實時可編程波形合成能力，因為它不能再依賴預(yù)先編程的波形。

在當(dāng)前雷達(dá)運行環(huán)境中，幾乎沒有有利位置來應(yīng)對日益令人擔(dān)憂的射頻互操作性挑戰(zhàn)，而多波段雷達(dá)是一個有趣的概念。多波段雷達(dá)利用不同頻帶的物理和固有優(yōu)勢，允許一個系統(tǒng)完成多個任務(wù)和任務(wù)，而不需要進(jìn)行性能權(quán)衡。

從性能上講，它是已經(jīng)交付使用的多功能、多任務(wù)雷達(dá)的延伸。然而，要將這一概念提升到可靠的能力還面臨著技術(shù)和工程方面的挑戰(zhàn)。目前正在研究和開發(fā)多波段天線陣列和功率放大器，為敏捷前端和空間分集設(shè)計更快的射頻數(shù)字電路。

因為對分辨率和精度的要求越來越高，雷達(dá)信號帶寬和工作頻帶越來越寬，這些分辨率和精度轉(zhuǎn)換為大量實時數(shù)據(jù)。數(shù)字雷達(dá)的信號和數(shù)據(jù)處理器也產(chǎn)生了大量的高速數(shù)據(jù)。因此，目前對數(shù)據(jù)分析（DA）的興趣也與雷達(dá)應(yīng)用相關(guān)。

需要借助機(jī)器學(xué)習(xí)、信息融合和大數(shù)據(jù)分析等新興領(lǐng)域的新算法從龐大且看似不相關(guān)的數(shù)據(jù)集中提取信息，以提高目標(biāo)的自動分類和識別、異常檢測，提高設(shè)備的可靠性、可用性和可維護(hù)性。舉幾個例子：

自動目標(biāo)分類、識別和威脅評估—高保真多普勒回波有助于確定目標(biāo)的動態(tài)特性。例如，由于目標(biāo)的機(jī)械振動或旋轉(zhuǎn)而對其回波進(jìn)行頻率調(diào)制。通過與其他數(shù)據(jù)集相關(guān)處理（如高保真范圍的回波、跟蹤器的運動特征），增強(qiáng)對目標(biāo)特征的分析，以實現(xiàn)自動目標(biāo)分類、識別和威脅評估。它也有助于理解，以縮短OODA循環(huán)。

自動異常檢測—在新加坡繁忙的空域和沿海水域，尋找偏離計劃路線或預(yù)期行為的不對稱威脅，對人工操作人員來說是極其繁重的工作。自動異常檢測在新加坡尤其引人注目，它可以構(gòu)成決策支持系統(tǒng)的一部分，以幫助雷達(dá)操作員及時決定行動方案。由于空中監(jiān)視圖像系統(tǒng)是一個隨著時間推移而變化的動態(tài)實體，重復(fù)和非重復(fù)變化會發(fā)生并相互作用，因此機(jī)器學(xué)習(xí)或其等價物可用于連續(xù)訓(xùn)練這個系統(tǒng)。

實時健康狀態(tài)監(jiān)測—傳統(tǒng)的內(nèi)置測試（或BIT）是被動性的，其性能往往被發(fā)現(xiàn)是存在欠缺的。這對于一個全天候工作的雷達(dá)來說尤其令人失望的，因為它的可用性需要很高，而停機(jī)時間需要很短。LoT傳感器和DA可以用于實時健康監(jiān)測、基于狀態(tài)的維護(hù)和在任何破壞性故障之前進(jìn)行“及時”干預(yù)。它們還集體地協(xié)助作出關(guān)于人員配備、備件儲存和補(bǔ)充的決定。

雷達(dá)天線已經(jīng)從簡陋的反射器饋電天線發(fā)展到復(fù)雜的陣列；需要兩個操作員來保證安全操作的體積龐大而笨拙的高功率微波管發(fā)射機(jī)已經(jīng)被一本書大小的小型化固態(tài)模塊所取代，而模擬處理器則由數(shù)字處理器取代，數(shù)字處理器將繼續(xù)為雷達(dá)創(chuàng)新帶來令人興奮的前景。

雖然雷達(dá)設(shè)計仍在權(quán)衡各方面因素，但技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用擴(kuò)大了權(quán)衡空間，AESA天線的引入就是一個例子?；跀?shù)字的技術(shù)開辟了許多以前在基于模擬的技術(shù)中不可用的選項。通過利用這些技術(shù)，構(gòu)思并實現(xiàn)了新的雷達(dá)使用概念，從而交付了一流的多功能和多任務(wù)雷達(dá)。

展望未來，各種威脅、地形和電磁環(huán)境將日益復(fù)雜。同時，射頻數(shù)字化和DA的革命性進(jìn)展將為雷達(dá)界帶來激動人心的前景。

審核編輯 ：李倩