尺寸、重量、功率和成本都低的多模式、多任務(wù)、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(shè)計成具有多模式、多任務(wù)、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(shè)計、驗證和部署。
這些雷達由aiRadar公司設(shè)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(biāo)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(dǎo)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(biāo)客戶是商業(yè)、軍事和學(xué)術(shù)研究人員,他們尋求使用符合IP-67和Mil-Std-810標(biāo)準的堅固的可重配置的儀器來開發(fā)雷達最新技術(shù)。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(guān)的風(fēng)險,無論是計算機仿真還是使用雷達目標(biāo)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(fù)雜性,使這三種(或更多的雷達配置)在PRI-to-PRI基礎(chǔ)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(yīng)用的要求和AESA配置得到驗證,商業(yè)、軍事或?qū)W術(shù)雷達開發(fā)商可根據(jù)風(fēng)險評估、經(jīng)濟性或上市時間的緊迫性,進行內(nèi)部雷達設(shè)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(quán)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(yīng)(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(chǔ)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(yīng)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(yīng)用的低概率攔截(LPI)雷達中也有應(yīng)用。CA物理和API接口的一個關(guān)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(quán)。
為了便于發(fā)放實驗和研究許可證,首次供應(yīng)的研究雷達的中心頻率為66GHz。研究雷達的結(jié)構(gòu)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(shù)將硬件重新配置到24GHz,或者利用未來的技術(shù)重新配置到76-81GHz。通用的TRM接口預(yù)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(wù)在很大程度上被轉(zhuǎn)移到人工智能/機器學(xué)習(xí)(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(shè)計和制造帶有復(fù)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(shù)、性能、進度和成本風(fēng)險。低成本和低風(fēng)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(shè)計和制造復(fù)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(biāo)。一個簡單的要求,如綜合旁瓣比(ISLR)影響到兩個目標(biāo)的角度分辨率和單個目標(biāo)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(yīng)用,而目前的雷達在這些應(yīng)用中表現(xiàn)不佳或不適合。這些應(yīng)用包括用于探測和監(jiān)測構(gòu)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(biāo)。
陣列結(jié)構(gòu)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(yīng)用、多種模式和多種任務(wù),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(jié)構(gòu),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(dǎo)體技術(shù)的MMIC、模塊和子系統(tǒng),用于WiGig毫米波網(wǎng)絡(luò)。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(cè)。
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。
圖2RRI-100研究型雷達。
圖3RRI-400研究型雷達。
在這兩張圖中,天線罩凹槽中可以看到Tx/Rx,一對在天線罩的頂部,一對在中間,一對在底部。從頂部到中間的間距與從中間到底部的間距
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:尺寸、重量、功率和成本都低的多模式、多任務(wù)、軟件定義毫米波雷達(原載于《微波雜志》23年1/2月號)
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