浅析雷达技术新应用

雷达技术的最新突破，结合军事和商业应用的小型化、经济型、高精度雷达需求，带来了雷达技术与应用的复兴。许多即将来临的技术增长领域，如无人驾驶汽车、无人机（UAV）和各种商用/民事应用，都取决于固态雷达和一些新的制造工艺与设计方法。这复兴是军用雷达、隐身和干扰技术升级发展淘汰传统雷达解决方案的产物。先进数字信号处理（DSP）、灵活射频收发器和尖端天线技术的广泛应用正在加速这种改变。

新型天线与制造工艺的进步提升了雷达能力，降低了雷达成本。其中，氮化镓（GaN）晶体管、低噪声放大器(LNA) 和有源电扫阵列(AESA) 天线已经成为近期全球军用雷达与雷达干扰机合同签订及系统部署的核心内容。采用这些技术的雷达性能优于传统雷达系统，促进了大批雷达设计与制造方案的创新发展。新型AESA技术支撑工作于更高频率（毫米波）、体积更小的相控阵天线获取更高的分辨率，而模块化设计方案支撑快速应用新的数字处理与计算技术的。

1、有源电扫阵列(AESA)

在过去几十年间，相控阵天线大大提升了传统雷达的波形因子与性能。近期的进步受益于能力更强的DSP和计算方法。有源电子波束控制（或波束形成）利用相控阵天线的性能优势并引入有源控制，在增加雷达扫描速度和精度的同时，大大降低了机械控制雷达天线的维护成本与故障率（见图1）。业界的引领者包括雷声公司、诺思罗普×格鲁曼公司、洛克希德×马丁公司和泰利斯公司等，另外有许多其他公司正在该领域积极地开展研究。目前，传统雷达技术的升级、改造与更新换代对AESA雷达的需求量较大。

图1、许多战斗机都已通过利用新型AESA雷达技术完成升级，淘汰了机械控制。

新型AESA中，T/R模块可通过配置，独立工作或成组工作。这样支撑产生了工作于不同频率多个波束，从而实现了扫描资源的动态化和智能化应用。同无源阵列相比，这种高适应性结构有助于降低截获概率。另外，定向接收与频率捷变增强了抗干扰能力，特别是在宽带工作时。

模块化AESA设计也提高了可靠性，因为T/R模块任何故障都不会导致整个系统的能力丧失，通过模块替换就能快速完成维修/维护。用于AESA雷达的T/R模块实质上是能力很强的软件定义无线电（SDR）部件，也可设定用于高数据率无线电通信。通过将接收机通信限定在波束聚焦路径之内，这种高方向性波束形成能力还可保证通信安全。

AESA雷达天线最大扫描角通常小于120°。实现360°覆盖，常规解决办法就是将其安装在机械旋转平台上。最近，完全360°覆盖也已经利用背靠背天线面板的固定阵列进行了验证。例如，雷声公司自筹资金设计样机，用于升级"爱国者"导弹系统。其他系统利用几个与同一雷达系统链接的面板来提供全向扫描和跟踪能力。特别应当指出的是，AESA系统的成本大体上与阵列的面积与性能，以及T/R模块的数量成正比。

2、多输入多输出（MIMO）

为了降低AESA雷达的尺寸、重量、功耗和成本(SWAP-C)和增加扩展能力，研究人员正在开发先进的稀布阵技术。这些阵列通过组合，利用类似于为5G无线通信开发的多输入多输出（MIMO）技术来形成更大的虚拟阵列。MIMO 雷达利用多个独立发射与接收天线实现空间分集，应用运算算法来计算雷达反射和获取复合分辨率。这些天线系统也可同时工作于不同的频率上，或者在一个款待频段内同时运行，且相互无干扰，以进一步提高雷达杂波下真实目标的辨识能力。

图2、毫米波雷达拥有穿透尘雾的能力，能够精确探测和识别其他车辆与路面危险。

据称，MIMO雷达系统的性能优于类似的传统相控阵系统。尽管目前还未做出最终验证，但是在某些平台上已经开始应用。如在SWAP-C受限的平台上，包括小型UAS、卫星或快速部署机动雷达站等。在这些平台上，相控阵雷达由于太贵、太重、太大且功耗太高而无法部署，而小型稀疏布阵MIMO天线阵列拥有SWAP-C优势，和高精度雷达能力。最近某些研究表明，合成孔径雷达（SAR）MIMO雷达系统在地面动目标显示（GMTI）应用方面拥有潜在的优势，其针对快速和慢速运动目标的定位精度优于相控阵雷达，并且虚警更少、抗干扰能力更强。鉴于环境条件和目标信号特征，为了实现这些性能优势，必须有效应用高精密DSP和数字波形发生技术。

MIMO雷达研究也重点关注全向天线系统，但同相控阵天线相比，损耗更大。这种损耗会导致关注目标区域外的能量浪费。然而，有研究建议采用认知无线电系统来增强MIMO雷达的性能，消除这些不利因素。

3、超宽带宽毫米波雷达

为了规避低频微波频段内的频谱拥