雷達數字化會帶來激動人心的前景？

隨著正在進行的數字化革命，數字雷達是新體制雷達的前沿。下圖說明了從模擬雷達到數字化雷達的演變過程。從最嚴格的意義上講，全數字化雷達就是其數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，經天線單元的接收處理，即生成數字化信號。原則上，該過程簡化了發(fā)射機和接收機的設計，且僅有極少的模擬信號處理過程，是具備有軟件自適應的面向未來先進的功能。

這些先進性將為敏捷自適應波束成型技術提供最大的自由度—每一個構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。但這種構想在天線架構層面存在較大的工程復雜性挑戰(zhàn)。

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

1）任務和性能需求是否需要全數字雷達？

2）是否有負擔得起的替代辦法？

3）混合架構能否滿足日益嚴峻的需求？

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

GaN技術和器件的普及表現在對GaN相關產業(yè)的持續(xù)投資和在蜂窩中的日益廣泛的應用上。同時，通信、航天電子和物聯網（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定專用頻譜頻帶，可能不再是恰當合適的方式。

同時，作為頻率、時間、方向、極化和編碼的函數，給定點的實際頻譜占用率可能相當低。因此，為了適應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。它要求未來的雷達能夠在動態(tài)電磁環(huán)境中根據先驗知識對發(fā)射和接收信號進行快速調整和優(yōu)化，以避免在含噪電磁環(huán)境中被偵察發(fā)現或保持高性能。這本質上是需要一個認知雷達。

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

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

從性能上講，它是已經交付使用的多功能、多任務雷達的延伸。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計更快的射頻數字電路。

因為對分辨率和精度的要求越來越高，雷達信號帶寬和工作頻帶越來越寬，這些分辨率和精度轉換為大量實時數據。數字雷達的信號和數據處理器也產生了大量的高速數據。因此，目前對數據分析（DA）的興趣也與雷達應用相關。

需要借助機器學習、信息融合和大數據分析等新興領域的新算法從龐大且看似不相關的數據集中提取信息，以提高目標的自動分類和識別、異常檢測，提高設備的可靠性、可用性和可維護性。舉幾個例子：

自動目標分類、識別和威脅評估—高保真多普勒回波有助于確定目標的動態(tài)特性。例如，由于目標的機械振動或旋轉而對其回波進行頻率調制。通過與其他數據集相關處理（如高保真范圍的回波、跟蹤器的運動特征），增強對目標特征的分析，以實現自動目標分類、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，它可以構成決策支持系統(tǒng)的一部分，以幫助雷達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，重復和非重復變化會發(fā)生并相互作用，因此機器學習或其等價物可用于連續(xù)訓練這個系統(tǒng)。

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

雷達天線已經從簡陋的反射器饋電天線發(fā)展到復雜的陣列；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)射機已經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字處理器取代，數字處理器將繼續(xù)為雷達創(chuàng)新帶來令人興奮的前景。

雖然雷達設計仍在權衡各方面因素，但技術和創(chuàng)新應用擴大了權衡空間，AESA天線的引入就是一個例子?；跀底值募夹g開辟了許多以前在基于模擬的技術中不可用的選項。通過利用這些技術，構思并實現了新的雷達使用概念，從而交付了一流的多功能和多任務雷達。

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

審核編輯 ：李倩