雷达发展趋势之“全数字雷达” 留言

迄今为止，提高雷达性能方面的重点大多在提高灵敏度和分辨率。灵敏度能提高检测范围，而分辨率则能观察到更多特征细节，例如目标分类。远程探测和高分辨率成像现已成为常规的雷达性能。

雷达探测目标和其他物体之间的区别变得比目标检测问题更重要。与此同时，数字技术持续发展，几乎每一个雷达参数，尤其是雷达波形，特别是脉冲波形，可以逐个脉冲地发生变化。这是基本的波形多样性，并且有许多新的令人兴奋的可能性，不仅可以提高雷达性能，还可以开辟新的应用。

持续影响雷达系统设计的技术趋势中最重要的是数字技术。数字技术的趋势如下：

1. 动态范围增加和数模转换速度更快；

2. 处理能力更高效；

3. 内存容量增加和访问速度更快；

4. 成本降低。

数字技术的改进在发射和接收雷达子系统设计中已经产生了影响。

在发射端，波形可以自由编程，数字波形发生器可以高精度设置频率、调制、振幅、带宽和脉冲重复频率。此外，这些设计参数可以动态更改，以致发射的每个脉冲均不同。

在接收端，模数转换器(A/D转换器)越来越靠近天线，数字化在中频(IF)处理，而不是像以前在基带处理。因此，数字处理更加灵活性，能够克服模拟电路的限制性，从而扩大通用性，提高系统整体性能。

研究发现“软件定义”是指雷达操作模式可以实现软件编程，至少原则上，几乎可以瞬间改变(例如基准脉冲逐个发生改变)。这种数字控制的趋势和参数的可编程性很可能会导致全数字雷达。

然而，许多雷达应用中A/D转换器的动态范围仍然不够，需要带宽高速度快的A/D转换器。A/D转换器的速度高，会导致A/D转换器的动态范围小。高距离分辨率要求A/D转换器速度非常高，很难满足动态范围要求。这种A/D转换器高动态范围和高速度的矛盾性会放缓全数字、高频率、宽带雷达的出现。

电子扫描雷达尽管寿命长，但不通用，一般只出现在复杂昂贵的军事系统中。电子扫描已成功地实现具有非常低的旁瓣波束。电子扫描使自适应波束形成可以观测到高增益目标的同时，抑制干扰源，还可以同时支持多种操作模式，例如搜索和跟踪。

然而，电子扫描系统发展相对缓慢，主要原因在于复杂度、成本以及不易在宽瞬时带宽下操作。如今复杂性和成本的降低使得障碍正在被削弱，许多技术能够实现数字化的宽带全数字阵列。

电子扫描与先进数字技术相结合促进雷达步入一个新时代。电子扫描意味着雷达“波束”可以随时指向任何地方，当波束移动时，所有的雷达设计变量参数几乎都可以改变。它可以支持多个不同的任务，是真正的“多功能雷达系统。”下图说明了多功能雷达任务开展的广阔性。

多功能相控阵雷达可以执行大量的任务。资源管理者必须优先处理不同的任务，以便首先执行最关键的任务，并以最有效的方式使用雷达资源。

然而，这就提出了一个问题，雷达波束何时指向何地，以及如何优化雷达设计参数才能够最好地执行给定任务。这个简单的问题可能会无休止地引发了影响雷达研究方向的意义和基本问题。

电子扫描雷达系统引发了“资源管理”这一新兴课题，其目标是部署雷达资源，以便最有效地完成一项任务或一组任务。这主要是通过波形的设计和波束指向的方向来实现的。雷达自主决策的概念被嵌入到电子扫描和数字处理中，基于接收回波的自适应反馈将为发射波形设计提供信息。

该技术现在适用于所有雷达参数在逐个脉冲的基础上变化。对于给定的雷达功能，应该选择更好的或者最佳的参数。但是，选择的参数并不会在所有情况下最佳，更不用说在多任务情况下了。

例如，雷达PRF的设置，它可能会被设置为低、中或高，具体取决于应用任务。但是，这是一组参数，因此它们对于一个应用任务而言是最佳的，但是对于多个任务情况下就不一定了。然而，其中参数可以根据从前脉冲收集的信息而变化的自适应方法提供了向更优化参数集连续迭代的基础。

因此，这个问题就是关于最佳参数的选择(和重新选择)，这是非常重要的。首先，因为人们无法逐个脉冲地干预PRF，这必须由雷达本身来完成。其次，它意味着雷达系统本身必须具备对场景的感知，以及对任务或功能的清晰理解。只有掌握了这些信息，雷达才能选择最佳参数。雷达参数的持续优化是全自适应雷达的目标。

以单个目标跟踪例子来说，雷达系统的任务是跟踪已经检测到的目标。它通过不断将雷达波束的峰值增益对准目标，以保持最精确的跟踪。可以设置雷达测量与预测目标位置的最大差异值，雷达测量误差很大程度上取决于检测性能，而检测性能又主要取决于信噪比。

因此，自适应雷达可能有一个控制回路，在该回路中调整雷达参数以保持期望的信噪比(即目标检测性能)。所以如果目标回波开始消失，雷达系统会将其解释为信噪比的降低。

然后，它可以通过增加发射机功率(或脉冲长度或PRF或某些参数组合)对其进行自动补偿，可能还有必须遵守的限制。制约因素可能是由于发射机占空比的限制或对明确测距的需求，而这些也必须纳入自适应反馈中。

上图显示了自适应雷达跟踪系统的处理的原理，其中雷达参数是动态的，并不断调整以优化雷达性能，同时也利用了传感器和目标场景的先验知识。

完全自适应的方法也可以降低PRF等参数，例如，当目标正在直线稳定走向时，跟踪更新频率可能会降低，而性能损失很少或没有损失。通过这种方式可以更灵活地部署雷达资源。

换句话说，全自适应雷达处理也可以在雷达资源管理中发挥不可或缺的作用。事实上，雷达软件控制参数使得雷达性能和功能之间的相互作用越来越大。

自适应雷达波形设计和优化也开始进入目标分类阶段。这些原理与跟踪雷达示例中所述的原理类似，不同之处在于，成功的标准现在是分类性能而不是检测。在检测中，良好的波形设计具有适当的范围和低旁瓣的多普勒分辨率。波形设计的目标是实现信噪比，从而保证其检测性能。这在设计被优化直到达到期望的检测性能的情况下受到反馈。

在自适应分类中，反馈旨在选择优化分类性能的波形设计，而这并不一定是最佳检测结果。在某些方面，这貌似是不可能的，因为具有高分辨率和低旁瓣的波形应该具有最佳参数的HRRP或图像。

然而，假设在射频频谱中使用电磁辐射的相干传感器作为雷达系统将会观察到这个我们习惯于使用非相干成像在光谱的视觉部分中观察和解释的世界。我们目前对这些问题的了解很少，但传统的雷达思维正在受到挑战，并且已经报道了简单的演示显示出改进的性能。

当然，雷达扫描目标的方式与提取表征目标信息的能力之间的关系需要加深理解。同样，接收回波可以被处理以提取特征信息到目标类型的方式，这也有很大的改进空间。再次可以得出结论，从适应性方法中可以获得显著的益处。

总体而言，全自适应雷达只是刚成为一个研究课题，但它是一个令人兴奋的研究方向，它在许多方面都有提高雷达性能的潜力，并改善单个雷达可以执行的任务范围。再加上电子扫描，增强雷达能力似乎是无限的，但在实现这种潜力之前，仍有许多具有挑战性的研究。

认知传感是一种新兴的雷达研究，旨在应对解释和利用回波的挑战。它建立在全自适应雷达的概念上，通过借鉴人类和其他动物认知的形式来扩展它们。

事实上，认知计算和更普通的传感和信号处理正在其他相关学科中取得快速进展。雷达只是一个例子，其中认知方法有可能提高性能，也可能会打开新的应用领域，特别是那些需要自主的领域。

认知感知已经嵌入到认知过程的核心概念中，即“感知-行动”循环。通过感知，我们指的是由雷达处理器所创建的雷达所观察到的世界图景。这类似于我们在大脑中创造的对世界的认知。因此，雷达感知可能是天空中飞机的映射。

一旦创造出足够准确的认知，它就可以作为决策的基础。在空中交通管制中，这可能会使飞机重新定位，以便它们保持适当的安全隔离。操作部分是通过一个指令提供的，该指令将飞机重新定位到所需的位置。这种感知行为活动是目前由空中交通管制员执行的任务，是他们提供必要的认知。

然而，原则上可以通过雷达处理器自动向飞行员发出命令来执行这项任务。这种类型的认知成分是否成为空中交通管理系统的一部分取决于许多因素，但它确实表明雷达系统离能够在更自主的基础上运行并不是那么遥远。

认知雷达感应与自适应反馈结合在一起，它包括收到的回波，为未来波形的设计提供指导。它还包括雷达平台的重新定位和扫描方向。此外，它意味着一些更微妙的要求，例如明确产生和利用记忆。

记忆是认知的基本组成部分，但在雷达信号处理中一般不使用记忆。记忆的产生可以发生在许多不同的层面。例如，以前的脉冲和后续的探测可以在监视雷达中确定检测结果。基于以往经验或任务的长期记忆可用于创建目标签名数据库以帮助分类。

事实上，这样的数据库可能会不断更新。也许未来的雷达系统将接受“终身学习”！包括网络资源在内的第三方数据库也可以提供来源。例如，地理信息系统(GIS)中的地图可用于绘制机载雷达的最佳轨迹，从而最大限度地提高某些方面的性能。

还可以看出，雷达本身需要了解和响应其对环境的感知。有可能，它必须在脉冲传输低至毫秒级的时间尺度上完成。

认知雷达传感也从自然系统中的认知观察中得到了启发。认知处理体系结构如图所示。这个体系结构有许多特性，如多重反馈循环、多个并行的处理过程、动态创建和对内存的开发、感知与行动之间的联系(感知行动周期)以及对永久培训和学习的要求。

认知为提高雷达性能提供了巨大的潜力，但同时也带来了重大挑战。处理回波将它们转换成好的可理解的图像，并将其用于可靠的决策中。如果雷达系统对周围的环境有准确的图像和理解，那么它可能导致更大的自主性。这个话题将取得多大进展仍有待观察，但潜力令人兴奋。

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）