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(dá)

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(dá)

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(dá)被設(shè)計(jì)成具有多模式、多任務(wù)、軟件定義雷達(dá)（SDR）的能力。這些研究用雷達(dá)針對(duì)各種市場(chǎng)，包括高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、小型無(wú)人機(jī)（sUAV）探測(cè)和跟蹤系統(tǒng)、sUAV空對(duì)空和空對(duì)地雷達(dá)以及sUAV機(jī)載合成孔徑雷達(dá)（SAR）。這些雷達(dá)旨在促進(jìn)雷達(dá)研究和開(kāi)發(fā)，從早期階段的操作概念到需求定義和驗(yàn)證，再到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和部署。

這些雷達(dá)由aiRadar公司設(shè)計(jì)和制造，收發(fā)模塊（TRM）使用Sivers公司的高度集成、最先進(jìn)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(wú)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(jìn)行多達(dá)16個(gè)通道的沿線干涉測(cè)量，用于高分辨率明晰移動(dòng)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(dá)的尺寸從最小的型號(hào)，質(zhì)量為3850克，包括三個(gè)發(fā)射（Tx）和三個(gè)接收（Rx）的64單元陣列，到最大的型號(hào)，質(zhì)量不到10公斤，包含1,536個(gè)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(zhǔn)的堅(jiān)固的可重配置的儀器來(lái)開(kāi)發(fā)雷達(dá)最新技術(shù)。使用簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的雷達(dá)編程語(yǔ)言（aiRPL）部署這些研究雷達(dá)，該語(yǔ)言在基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的多模式雷達(dá)處理器（aiRPU）上執(zhí)行，消除了與開(kāi)發(fā)基于分析和仿真的AESA雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)論是計(jì)算機(jī)仿真還是使用雷達(dá)目標(biāo)仿真器進(jìn)行空中驗(yàn)證。

一個(gè)ADAS開(kāi)發(fā)商可能希望對(duì)不同陣列尺寸和具有虛擬或真實(shí)陣列單元的各種AESA配置進(jìn)行實(shí)際操作比較。例如，這些研究雷達(dá)允許將2Tx和4Rx MIMO陣列與12Tx和16Rx MIMO陣列進(jìn)行直接同地和同時(shí)間的比較。同樣，12Tx和16Rx MIMO陣列（有192個(gè)虛擬通道）可以與256Tx和512Rx陣列（有512個(gè)真實(shí)通道）進(jìn)行比較。aiRPL中的一個(gè)簡(jiǎn)單腳本可以管理這種復(fù)雜性，使這三種（或更多的雷達(dá)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(dá)性能的客觀比較。

一旦特定應(yīng)用的要求和AESA配置得到驗(yàn)證，商業(yè)、軍事或?qū)W術(shù)雷達(dá)開(kāi)發(fā)商可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、經(jīng)濟(jì)性或上市時(shí)間的緊迫性，進(jìn)行內(nèi)部雷達(dá)設(shè)計(jì)或由aiRadar定制雷達(dá)。這可以通過(guò)或不通過(guò)aiRadar編程語(yǔ)言編譯器和雷達(dá)處理器IP核的授權(quán)來(lái)完成。

aiRPU IP核提供實(shí)時(shí)雙向接口，最高可達(dá)48Gbps，與最低級(jí)別的同相和正交原始雷達(dá)數(shù)據(jù)通道，以及aiRPU IP核相連。這個(gè)接口是為認(rèn)知自適應(yīng)（CA）雷達(dá)的研究人員和開(kāi)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(dá)配置。

一個(gè)例子是ADAS的自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制（PCM），在擁擠的雷達(dá)環(huán)境中，隨著越來(lái)越多的雷達(dá)被部署在越來(lái)越先進(jìn)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(hào)，以確定是否存在干擾源（另一車輛），并選擇PCM編碼來(lái)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(dá)中也有應(yīng)用。CA物理和API接口的一個(gè)關(guān)鍵特征是，CA回路中的算法仍然是其開(kāi)發(fā)者的獨(dú)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

為了便于發(fā)放實(shí)驗(yàn)和研究許可證，首次供應(yīng)的研究雷達(dá)的中心頻率為66GHz。研究雷達(dá)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(lái)的技術(shù)重新配置到76-81GHz。通用的TRM接口預(yù)計(jì)會(huì)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(dá)傳感器能夠在雨、霧和雪等條件下工作，而這些條件會(huì)損害或使激光雷達(dá)傳感器和視覺(jué)攝像機(jī)無(wú)法工作，因此，雷達(dá)一定會(huì)用于ADAS。

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

這種功能的分配可能有幾個(gè)原因，其中一個(gè)可能是需求定義和驗(yàn)證，設(shè)計(jì)和制造帶有復(fù)雜AESA天線的先進(jìn)現(xiàn)代雷達(dá)是很困難的。這種困難轉(zhuǎn)化為技術(shù)、性能、進(jìn)度和成本風(fēng)險(xiǎn)。低成本和低風(fēng)險(xiǎn)的先進(jìn)AESA的出現(xiàn)可能會(huì)使這種分配發(fā)生變化，也許會(huì)使雷達(dá)自主性水平得到提高。

除了設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的先進(jìn)AESA雷達(dá)外，驗(yàn)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(gè)簡(jiǎn)單的要求，如綜合旁瓣比（ISLR）影響到兩個(gè)目標(biāo)的角度分辨率和單個(gè)目標(biāo)的角度測(cè)量精度，并對(duì)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(huì)對(duì)AI/ML對(duì)場(chǎng)景的解釋產(chǎn)生非常消極的影響。

軍事和商業(yè)雷達(dá)系統(tǒng)

最近出現(xiàn)了越來(lái)越多的雷達(dá)應(yīng)用，而目前的雷達(dá)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(cè)和監(jiān)測(cè)構(gòu)成安全和軍事威脅的小型無(wú)人機(jī)的真實(shí)孔徑雷達(dá)（RAR），sUAV上使用的高分辨率成像SAR和/或RAR。

一個(gè)很好的例子是部署在洪水現(xiàn)場(chǎng)的InSAR，所需的產(chǎn)品是疊加在DSM上的高分辨率場(chǎng)景，在河岸和斜坡消退時(shí)實(shí)時(shí)捕獲，用附加在這些物體上的速度矢量（MTI）識(shí)別感興趣的物體。

SAR提供了極高的分辨率，但需要移動(dòng)，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(wú)人機(jī)SAR可能是高分辨率威脅和損害評(píng)估的首選儀器，而部署有AESA的無(wú)人機(jī)RAR可能更適合實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

陣列結(jié)構(gòu)和收發(fā)模塊

在一個(gè)具有通用接口的單一硬件平臺(tái)上用SDR實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用、多種模式和多種任務(wù)，作為一種經(jīng)濟(jì)和實(shí)惠的解決方案是具有挑戰(zhàn)性的。早期決定實(shí)施混合波束賦形結(jié)構(gòu)，在16個(gè)天線單元的級(jí)別上采用模擬波束賦形，在更高級(jí)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(kāi)發(fā)基于先進(jìn)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(gè)模塊中，該模塊是具有16個(gè)Tx和16個(gè)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(píng)估套件支持。

圖1Sivers收發(fā)器的天線側(cè)。

專門(mén)為aiRadar開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(gè)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(guò)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(dá)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(dá)。

圖3RRI-400研究型雷達(dá)。

在這兩張圖中，天線罩凹槽中可以看到Tx/Rx，一對(duì)在天線罩的頂部，一對(duì)在中間，一對(duì)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