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尺寸、重量、功率和成本都低的多模式、多任務、軟件定義毫米波雷達

Erik Ojefors, Sivers Semiconductors AB；Peter Fox, aiRadar Inc.

一系列有源電子掃描相控陣（AESA）毫米波雷達被設計成具有多模式、多任務、軟件定義雷達（SDR）的能力。這些研究用雷達針對各種市場，包括高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、小型無人機（sUAV）探測和跟蹤系統(tǒng)、sUAV空對空和空對地雷達以及sUAV機載合成孔徑雷達（SAR）。這些雷達旨在促進雷達研究和開發(fā)，從早期階段的操作概念到需求定義和驗證，再到系統(tǒng)設計、驗證和部署。

這些雷達由aiRadar公司設計和制造，收發(fā)模塊（TRM）使用Sivers公司的高度集成、最先進的射頻集成電路。它們可以在扇區(qū)掃描儀和單通干涉SAR（InSAR）之間無縫切換。扇區(qū)掃描儀覆蓋90度方位角，角分辨率0.5度，垂直方向可以三基線干涉定位；InSAR部署在sUAV上，其距離和方位角分辨率優(yōu)于5厘米和0.5度，生成數(shù)字表面模型（DSM），可進行多達16個通道的沿線干涉測量，用于高分辨率明晰移動目標指示（MTI）。

InSAR配置提供了多孔徑SAR的能力，具有位移相位中心天線（DPCA）微導航功能。這些雷達的尺寸從最小的型號，質(zhì)量為3850克，包括三個發(fā)射（Tx）和三個接收（Rx）的64單元陣列，到最大的型號，質(zhì)量不到10公斤，包含1,536個有源元件的相同陣列布局的256單元陣列。

目標客戶是商業(yè)、軍事和學術研究人員，他們尋求使用符合IP-67和Mil-Std-810標準的堅固的可重配置的儀器來開發(fā)雷達最新技術。使用簡單但功能強大的雷達編程語言（aiRPL）部署這些研究雷達，該語言在基于現(xiàn)場可編程門陣列的多模式雷達處理器（aiRPU）上執(zhí)行，消除了與開發(fā)基于分析和仿真的AESA雷達系統(tǒng)相關的風險，無論是計算機仿真還是使用雷達目標仿真器進行空中驗證。

一個ADAS開發(fā)商可能希望對不同陣列尺寸和具有虛擬或真實陣列單元的各種AESA配置進行實際操作比較。例如，這些研究雷達允許將2Tx和4Rx MIMO陣列與12Tx和16Rx MIMO陣列進行直接同地和同時間的比較。同樣，12Tx和16Rx MIMO陣列（有192個虛擬通道）可以與256Tx和512Rx陣列（有512個真實通道）進行比較。aiRPL中的一個簡單腳本可以管理這種復雜性，使這三種（或更多的雷達配置）在PRI-to-PRI基礎上循環(huán)，提供相同操作條件下的雷達性能的客觀比較。

一旦特定應用的要求和AESA配置得到驗證，商業(yè)、軍事或?qū)W術雷達開發(fā)商可根據(jù)風險評估、經(jīng)濟性或上市時間的緊迫性，進行內(nèi)部雷達設計或由aiRadar定制雷達。這可以通過或不通過aiRadar編程語言編譯器和雷達處理器IP核的授權來完成。

aiRPU IP核提供實時雙向接口，最高可達48Gbps，與最低級別的同相和正交原始雷達數(shù)據(jù)通道，以及aiRPU IP核相連。這個接口是為認知自適應（CA）雷達的研究人員和開發(fā)人員提供的，允許外部人工智能（AI）處理器，也許是基于GPU陣列，在PRI-to-PRI基礎上修改從發(fā)射脈沖到波束方向的任何或所有雷達配置。

一個例子是ADAS的自適應脈沖編碼調(diào)制（PCM），在擁擠的雷達環(huán)境中，隨著越來越多的雷達被部署在越來越先進的系統(tǒng)中，ADAS將存在這種情況。CA環(huán)路有助于分析接收到的信號，以確定是否存在干擾源（另一車輛），并選擇PCM編碼來拒絕該干擾。該CA環(huán)路在軍事應用的低概率攔截（LPI）雷達中也有應用。CA物理和API接口的一個關鍵特征是，CA回路中的算法仍然是其開發(fā)者的獨家知識產(chǎn)權。

為了便于發(fā)放實驗和研究許可證，首次供應的研究雷達的中心頻率為66GHz。研究雷達的結構是這樣的：TRM的數(shù)字控制和射頻接口能夠利用Sivers現(xiàn)有的技術將硬件重新配置到24GHz，或者利用未來的技術重新配置到76-81GHz。通用的TRM接口預計會出現(xiàn)新分配的毫米波頻段，如果它們出現(xiàn)的話。

ADAS

鑒于雷達傳感器能夠在雨、霧和雪等條件下工作，而這些條件會損害或使激光雷達傳感器和視覺攝像機無法工作，因此，雷達一定會用于ADAS。

目前部署在汽車中的大多數(shù)雷達的分辨率非常低。雖然低分辨率的雷達能檢測到一個物體、一輛摩托車、一個人或一輛卡車，但該物體顯示的只是一個“圓球”而已。物體識別的任務在很大程度上被轉(zhuǎn)移到人工智能/機器學習（ML）算法上。

這種功能的分配可能有幾個原因，其中一個可能是需求定義和驗證，設計和制造帶有復雜AESA天線的先進現(xiàn)代雷達是很困難的。這種困難轉(zhuǎn)化為技術、性能、進度和成本風險。低成本和低風險的先進AESA的出現(xiàn)可能會使這種分配發(fā)生變化，也許會使雷達自主性水平得到提高。

除了設計和制造復雜的先進AESA雷達外，驗證和持續(xù)的產(chǎn)品保證也不是小事，需要有明確的指標。一個簡單的要求，如綜合旁瓣比（ISLR）影響到兩個目標的角度分辨率和單個目標的角度測量精度，并對圖像質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。這種分辨率和圖像質(zhì)量的缺乏可能會對AI/ML對場景的解釋產(chǎn)生非常消極的影響。

軍事和商業(yè)雷達系統(tǒng)

最近出現(xiàn)了越來越多的雷達應用，而目前的雷達在這些應用中表現(xiàn)不佳或不適合。這些應用包括用于探測和監(jiān)測構成安全和軍事威脅的小型無人機的真實孔徑雷達（RAR），sUAV上使用的高分辨率成像SAR和/或RAR。

一個很好的例子是部署在洪水現(xiàn)場的InSAR，所需的產(chǎn)品是疊加在DSM上的高分辨率場景，在河岸和斜坡消退時實時捕獲，用附加在這些物體上的速度矢量（MTI）識別感興趣的物體。

SAR提供了極高的分辨率，但需要移動，而RAR從靜止的位置提供了優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。部署有三維InSAR DSM的無人機SAR可能是高分辨率威脅和損害評估的首選儀器，而部署有AESA的無人機RAR可能更適合實時發(fā)現(xiàn)目標。

陣列結構和收發(fā)模塊

在一個具有通用接口的單一硬件平臺上用SDR實現(xiàn)多種應用、多種模式和多種任務，作為一種經(jīng)濟和實惠的解決方案是具有挑戰(zhàn)性的。早期決定實施混合波束賦形結構，在16個天線單元的級別上采用模擬波束賦形，在更高級別上采用數(shù)字波束賦形，減少了ADC的數(shù)量和數(shù)據(jù)速率。

Sivers主要開發(fā)基于先進半導體技術的MMIC、模塊和子系統(tǒng)，用于WiGig毫米波網(wǎng)絡。其TRXBF01 RFIC被集成到一個模塊中，該模塊是具有16個Tx和16個Rx單元的陣列，覆蓋了從57到71GHz的14GHz帶寬。在90度水平掃描的AESA中，Sivers模塊的每通道發(fā)射功率為+11dBm，接收噪聲系數(shù)為7dB。圖1顯示了BFM01模塊的正面。這些RFIC模塊由評估套件支持。

圖1Sivers收發(fā)器的天線側。

專門為aiRadar開發(fā)了一個定制的版本，帶有用于相干多模塊AESA的寬帶寬調(diào)制的接口。BFM06012-RFM這個裝置具有4GHz發(fā)射帶寬的調(diào)制輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)5厘米的距離分辨率。垂直波束寬度經(jīng)過漸變修正，產(chǎn)生30度的波束寬度，旁瓣水平低于-20dB。aiRadar已經(jīng)將這些模塊集成到研究雷達中，較小的RRI-100顯示在圖2中，較大的RRI-400顯示在圖3中。