Последние достижения в области РЛС, подкреплённые спросом на компактные, недорогие и высокоточные радиолокаторы для использования в некоммерческих и коммерческих областях, привели к «возрождению» ранних технологий. В основе большинства развивающихся направлений, таких как беспилотные автомобили и летательные аппараты (БПЛА), для решения различных коммерческих и гражданских задач лежат твердотельные РЛС и новые технологии производства и программирования. Такой прогресс — следствие стремительного роста достижений в технологиях безопасности (технологии снижения заметности, средства глушения), ведущих к моральному устареванию стандартных решений. Общедоступные средства цифровой обработки сигналов (ЦОС) высокой сложности, радиоприёмники с быстрой перестройкой частоты и передовые антенные средства — всё это ускоряет развитие технологий РЛС.

Разработка новых технологий, используемых в конструкции антенн и РЛС, — движущий фактор расширения возможностей и снижения затрат. К таким технологиям относятся мощные GaN-транзисторы, малошумящие усилители (МШУ) и активные фазированные антенные решётки (АФАР) с управляемой формой диаграммы направленности, лидирующие в государственных заказах по поставке и развёртыванию новейших РЛС и технологий глушения радиолокационного сигнала. Использование данных технологий позволяет РЛС превосходить стандарты и подталкивает к созданию новых методов разработки и производства. Новейшие технологии АФАР позволили перейти на диапазон более высоких частот (миллиметровые волны), обеспечивающих более высокое пространственное разрешение при использовании меньших фазированных антенных решёток, в то время как модульные варианты конструкции делают возможной адаптацию новейших средств вычислений и цифровой обработки.

АФАР с изменяемой диаграммой направленности

За прошлые десятилетия фазированные антенные решётки (ФАР) значительно улучшили форм-фактор и производительность стандартных РЛС. Сегодняшние усовершенствования стали возможны благодаря более продвинутым методам ЦОС и алгоритмам вычислений. Активное управление диаграммой направленности (формирование диаграммы направленности) повышает эффективность ФАР и обеспечивает оперативное управление, значительно снижая эксплуатационные затраты и процент сбоев при механическом управлении, при этом увеличивая скорость и точность. В индустрии РЛС лидируют Raytheon, Northrop, Grumman, Lockheed Martin и Thales, но это лишь малая часть всех производителей. РЛС с АФАР пользуются большим спросом как усовершенствованная альтернатива устаревших технологий.

В поздних версиях модули приёма/передачи могут быть сконфигурированы отдельно или сгруппированы. В таком многолучевом режиме на различных частотах АФАР более оптимизировано используют ресурсы. В сравнении с РЛС с пассивными решётками, адаптивная конфигурация АФАР помогает снизить возможность перехватов. К тому же, направленный приём и автоматическая перестройка по частоте снижают восприимчивость к помехам, особенно — широкополосным.

Модульная конструкция АФАР повышает надёжность, т. к. любые сбои в модулях приёма/передачи не выведут из строя всю систему, а восстановление или техническое обслуживание могут быть легко осуществлены путём замены модулей. Модули приёма/передачи для РЛС с АФАР — это, по сути, высокопроизводительное SDR (Software Defined Radio, программно-определяемое радио), которое можно настроить на передачу данных по радиосвязи с очень высокими скоростными показателями. Направленное формирование луча также обеспечивает безопасность связи, благодаря низкому рассеянию вне целевой области.

Антенны РЛС с АФАР стандартно имеют угол сканирования не более 120о. Для охвата 360о осуществляется механическое вращение платформ. Полное покрытие 360о недавно было продемонстрировано с помощью неподвижной двухзеркальной антенной решётки с фиксированными панелями. Это инвестиционный проект компании Raytheon — прототип, спроектированный для модернизации ракетной системы Patriot. Другие системы используют несколько антенн, подключенных к одной РЛС для кругового обзора и сопровождения. Стоимость систем АФАР пропорциональна размеру и производительности антенной решётки.

MIMO

Чтобы уменьшить размеры, массу, уровень потребляемой мощности и стоимость (характеристики SWAP-C) РЛС с АФАР, для обеспечения масштабируемости системы инженеры разрабатывают антенные решётки с технологией MIMO (Multiple Input, Multiple Output, несколько передающих и несколько приёмных антенн), аналогично разрабатываемым для беспроводной связи 5G. РЛС с MIMO могут использовать широко направленные антенны приёмных и передающих элементов (позиций) при излучении ими взаимно ортогональных сигналов.Такие антенные системы способны работать на нескольких частотах (или на нескольких полосах частот) одновременно, без взаимных наложений, для более точного распознавания объектов.

Утверждается, что радарные системы MIMO превосходят аналогичные радарные системы с фазированной решёткой, хотя окончательно это не доказано. Существуют системы с явными преимуществами в характеристиках SWAP-C благодаря принципу построения MIMO, в то время как РЛС с ФАР — более дорогое, тяжелое, громоздкое и энергоёмкое решение. Аналогичная ситуация с платформами с ограничениями в характеристиках SWAP-C: БПЛА малого размера, спутники или быстро развертываемые мобильные РЛС. Недавние исследования показали возможные улучшения в методе радиолокационного синтезирования апертуры (РСА) РЛС с MIMO для распознавания наземных быстро и медленно движущихся объектов и их местоположения с точностью, превышающей точность РЛС с АФАР, с меньшим количеством ошибок и более высокой помехоустойчивостью. Чтобы количественно и качественно оценить эти преимущества, необходимы более сложные методы ЦОС и технологии генерации цифровых волн, способные учитывать условия окружающей среды и радиолокационную ЭПР цели (ЭПР — эффективная поверхности рассеяния).

Исследования в области РЛС с MIMO также сфокусированы на всенаправленных антенных системах, имеющих бóльшие затухания, чем антенны фазированных решёток. Такие затухания могут быть связаны с потерями энергии в пространстве вне целевой области. Несмотря на это, предлагается достаточно много методов, использующих когнитивные радиосистемы для усиления РЛС с MIMO и ослабления влияния вышеуказанных недостатков.

Сверхширокополосные РЛС миллимитрового диапазона

РЛС миллиметрового диапазона способны проникать сквозь смог и туман, что позволяет достоверно обнаруживать и распознавать другие средства передвижения и дорожные препятствия.

Чтобы избежать перегрузки спектра на низких микроволновых частотах и добиться высокой точности и разрешающей способности, многие системы переведены в диапазон функционирования от 20 ГГц. К счастью, в диапазоне частот миллиметровых волн есть полосы по 0,5 ГГц, 1 ГГц и даже 4 ГГц. Излучение в диапазоне частот миллиметровых волн подвергается атмосферным затуханиям, но является более направленным в сравнении с излучением в микроволновом диапазоне частот ниже 6 ГГц. Данный тип РЛС выигрывает за счет большей разрешающей способности, возможностей шумоподавления и меньшим габаритным размерам.

Большинство новейших автомобильных РЛС используют полосу частот миллиметровых волн 79 ГГц, демонстрирующих проникающую способность даже при неблагоприятных погодных условиях, будь то туман, смог или дождь, в которых оптические датчики бессильны.

Функционирование в таком диапазоне частот также позволяет повысить разрешение и улучшить возможности обнаружения препятствий. Все эти преимущества РЛС миллиметрового диапазона распространяются и на другие сферы использования, включая обнаружение и наблюдение маршрутов БПЛА/дронов и даже медицинское сканирование. Так, многоканальная РЛС для наблюдения по периметру и сканирующие РЛС кругового обзора, использующие принципы FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave, частотно-модулированная незатухающая гармоническая волна) с диапазоном частот 1 ГГц и 100 мВт на 94 ГГц для достижения разрешения в 15 см и распознавания БПЛА/дронов по типу винта. РЛС с диапазоном 24 ГГц используется в дистанционном пульсометре, способном различать и замерять частоту сердечных сокращений точно и эффективно со среднеквадратичной погрешностью менее 7,17 мс.

Преимущества РЛС миллиметрового диапазона, нашедшие применение в сфере государственной безопасности (лучшая дальность, высокая разрешающая способность и более качественное распознавание объектов на основе FMCW), также могут быть использованы и в сфере науки, медицины и промышленности. Сниженная восприимчивость таких РЛС к погодным условиям, помехам и низкой освещенности позволяет производить сканирование вне пределов видимого и инфракрасного диапазонов. Уже разработаны технологии обнаружения скрытых угроз для обеспечения охраны и защиты, которые могут безошибочно обнаруживать угрозы в радиусе 30,48 м. На сегодняшний момент портативные версии работают в широком диапазоне частот W (75-110 ГГц) с радиусом действия более 30 м.

Разработка и производство РЛС

Большинство последних достижений в области РЛС основано на опыте предыдущих разработок в этой области. Преимущества в характеристиках SWAP-C и новые алгоритмы вычислений позволили оперативно адаптировать новейшие технологии под быстро растущий рынок. Сегодня разрабатываются новые типы полупроводников и совершенствуются технологии проектирования, что стимулирует дальнейшее развитие индустрии.

Влияние GaN*-технологий на РЛС
*(GaN – нитрид галлия)

Большинство последних контрактов МО США и разработки по государственным заказам в других странах требуют использования модулей приёма/передачи на основе нитрида галлия (GaN) для доработки и усовершенствования уже имеющихся РЛС. Это обусловлено тем, что усилители мощности на основе GaN в модулях приёма/передачи радаров с АФАР превосходят твердотельные РЛС по плотности, мощности, надёжности и частотным характеристикам. Такие усилители конкурируют и с лампами бегущей волны (ЛБВ), если не брать в расчёт надёжность, габариты и техническое обслуживание. Как и другие полупроводниковые компоненты, группы III-V (например, арсенид галлия (GaAs) или фосфид индия (InP)), GaN-полупроводники имеют высокую подвижность электронов/дрейфовую скорость, присущую кремнию и карбиду кремния (SiC).

Также GaN демонстрирует крайне высокую механическую прочность, стойкость к воздействию излучений, безотказную работу при высоком напряжении и высокую термостойкость. Таким образом, силовая электроника на основе GaN показывает более низкий порог входного напряжения при более высокой эффективности.

Преимущества GaN-технологий по части снижения характеристик SWAP-C для телекоммуникационного оборудования, спутников и другой силовой электроники были исследованы во многих отраслях производства на предмет увеличения диаметра полупроводниковой пластины. Новые методы увеличения рассеяния тепла привели к более высоким уровням мощности, уменьшению размеров и стоимости устройств. GaN становится распространённой технологией, которая приведёт к созданию РЛС и телекоммуникационных систем с более высокой пропускной способностью и производительностью, широкой областью применения, но при том с меньшей стоимостью.

Распечатанные на 3D-принтере компоненты РЛС, разработка модульной РЛС и расширение возможностей магнитных материалов

Для уменьшения характеристик SWAP-C-компонентов радиолокаторов научно-исследовательскими институтами, производителями и МО США рассматриваются достижения в 3D-печати электроники, технологии проектирования модульных РЧ- и СВЧ-компонентов и способы использования расширенных возможностей магнитных материалов. Меньшие в габаритах, более производительные, масштабируемые и легко производимые радиолокационные компоненты, включая антенны, пассивные РЧ- и СВЧ-компоненты приведут к созданию более сложных портативных радиостанций, БПЛА и коммерческих радиолокаторов. Оборудование должно быть способно к печати антенн, фазовращателей, фильтров и линий передач на недорогой подложке.

Raytheon сотрудничает с научно-исследовательской лабораторией армии США в рамках программы развития масштабируемой, гибкой, многорежимной технологии работы с эфиром (SAMFET) для нового поколения РЛС США. США продвигает использование открытой архитектуры для РЛС нового поколения для сокращения этапов разработки и модернизации, одновременно способствуя созданию модульных компонентов, новых конструкций РЛС и технологий производства. РЧ-, СВЧ- и цифровые технологии, такие как OpenVPX и OpenRFM, также оптимизируют разработку модулей и высокопроизводительной электроники на основе сильно связных цифровых, РЧ-и СВЧ-систем.

С другой стороны, стремясь к снижению характеристик SWAP-C, DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов МО США) запустило научно-исследовательский проект с целью внедрения магнитных компонентов в РЛС и цифровые интегральные схемы (ИС). Цель проекта DARPA по внедрению миниатюрных магнитных и твердотельных компонентов — уменьшение размеров средств связи, РЛС и систем ведения радиоэлектронной борьбы, создание новых путей управления и функционирования. Из доступной информации о программе DARPA не ясно, подразумевается ли в рамках проекта использование метаматериалов, поскольку некоторые из них демонстрируют магнитные свойства.

Влияние на компоненты и устройства

Технология SDR (Software Defined Radio, программно-определяемое радио), которой оснащено большинство современных РЛС, встречается также и в конструкциях Wi-Fi-роутеров, смартфонов, автомобилей и базовых станций сотовой связи. Различия между аэрокосмическими, оборонными и коммерческими РЛС заключаются в сложности, пропускной способности и мощности радиочастотных и цифровых электронных средств, а также в размерах и способности работать при заданной мощности.

С ростом потребительского и промышленного использования радиосистем и РЛС, понятия сложности и функциональности размываются. Чтобы сохранить лидерство, США инвестирует значительные средства в развитие нового поколения комплектующих и устройств для РЛС аэрокосмического назначения, что также задает определенные стандарты для оборудования, используемого для их разработки, тестирования и производства.

Аналоговая и цифровая электроника

Улучшенные методы обработки цифрового сигнала и технологии генерации цифровых волн обеспечивают возможность программирования и гибкость РЛС нового поколения с генерацией сигналов определенной формы. Коммерческие ПЛИС стали чрезвычайно мощными: производительность вычислений одинарной точности с плавающей запятой — более 20 TMAC/с (20 триллионов операций умножения с накоплением с плавающей запятой в секунду) и 10 терафлопс (10 триллионов операций с плавающей запятой в секунду); и, к несчастью для CPU и GPU, благодаря низким показателям времени задержки, возможности выполнения параллельных процессов, скорости ввода/вывода и вычислительной интенсивности могут быть перестроены под любые требования, что обеспечивает гибкую адаптацию под прогрессирующие угрозы при использовании по назначению.

Какой бы высокой не была скорость обработки данных, аналоговая информация всё равно должна быть преобразована в цифровой вид. Таким образом, разработка АЦП и ЦАП (аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи) заключалась в увеличении скорости компонентов АЦП/ЦАП, чтобы обеспечить прямую выборку/синтез радиочастот гигагерцового диапазона. Хотя для большинства систем прямая выборка и синтез на СВЧ и КВЧ невозможны, существует несколько 2,4 ГГц ISM-диапазонов частот (или S) АЦП/ЦАП, используемых в некоторых SDR. Цифровые синтез и выборка на более высоких частотах исключают стадии преобразования с повышением и понижением частот, избегая ограничений, связанных со смесителями в сигнальной цепи РЛС СВЧ- и КВЧ-диапазонов.

С увеличением спроса на ПЛИС появилась необходимость в GPP, АЦП/ЦАП и в связанных с ними оборудовании и технологиях, в том числе в высокоскоростной RAM, долговременной памяти, как, например, SSD, встроенных компьютерах и системах управления сбором данных.

Электронная РЧ- и СВЧ-аппаратура

Подобно радиотехническому оборудованию, радиолокационные сигнальные цепи совмещают разнообразные возможности передачи и получения сигналов, позволяющие работать на чрезвычайно высоких уровнях мощности, в широком диапазоне частот и производить сложные модуляции сигнала, что, в свою очередь, требует использования целого ряда фазовращателей и блоков фильтров, переключающих частотные диапазоны. Модули приёма/передачи каждого элемента антенной решётки передают сигналы на целевую антенну, получают обратно уже КВЧ- и СВЧ-сигналы, сгенерированные или декодированные ядрами DSP. Такие модули усиливают, фильтруют или преобразуют сигналы с повышением/понижением частоты на различных этапах. Коаксиальные, полосковые или волноводные тракты передают сигналы с высокой точностью с одной подсистемы на другую с минимальными потерями.

Тестовое и измерительное оборудование и его возможности

Диапазоны частот современных радиолокационных технологий уже значительно превышают возможные для тестового и измерительного оборудования, но, несмотря на высокую стоимость и узкую специализацию, существуют тестовые системы, перекрывающие такой разрыв. Улучшенная перестройка и программируемость делают невозможным тщательное тестирование новых РЛС в каждом режиме и любых условиях. Всё это стимулирует развитие модульного и конфигурируемого тестового оборудования и расширенного ПО имитационного моделирования конструкции и электромагнитной обстановки.[15]

Так, анализатор спектра в реальном масштабе времени (RTSA) имеет широкий функционал в паре с векторным анализатором цепей (VNA) для определения характеристик РЛС. В связи с адаптацией и изменением формы радиолокационного сигнала, повышается необходимость разработки новых методов определения «свой-чужой» и их тестирование, для чего и требуются усовершенствованные РЛС с высоким уровнем возможностей диагностики и информирования.

Широкополосные генераторы сигналов должны поддерживать сложные формы радиосигнала. Кроме того, необходимы современные средства тестирования физических и РЧ-характеристик и устойчивости элементов РЛС, в том числе оборудование для испытаний на ЭМС/ЭМП (электромагнитная совместимость/электромагнитные помехи), вибростенд, климатическая камера и полигон для испытаний на ближние/дальние расстояния.

Заключение

Развертывание РЛС, удовлетворяющих последним требованиям современной фоноцелевой обстановки и обширному разнообразию новых сфер применения, требует использования передовых технологий и средств от цифровой, РЧ- и СВЧ- аппаратуры до ПО имитационного моделирования и тестовых систем. Для улучшения показателей SWAP-C необходима разработка нового оборудования, проводимая промышленными аэрокосмическими и оборонными организациями. В целях ускорения развития систем следующего поколения корректируются все уровни проектирования и реализации РЛС, что расширяет границы разработки ИС РЧ-диапазона, монолитных ИС СВЧ-диапазона, средств ЦОС, материаловедения и тестирования.

Сроки и циклы разработки РЛС аэрокосмического и автомобильного назначения сжимаются, что переносит основную нагрузку на закупку оборудования и комплектующих. Большинству поставщиков РЧ- и СВЧ-оборудования требуется длительное время на подготовку, обработку и поставку заказов, что может занимать недели или даже месяцы, что корректируется с помощью концепции «точно в срок», применяющейся для поддержки новейших радиолокационных программ.

https://www.astrosoft.ru/articles/radar/razvitie-tekhnologiy-rls-i-novye-sfery-primeneniya/