[科普]面世119年的雷达，正在突破物理极限

面对基本限制，雷达行业领导者准备以自己独特的方式应对雷达领域即将到来的挑战。

在最近的2023 年 IEEE 雷达会议 (RadarConf 2023) 中，来自工业界和学术界的众多演讲者分享了他们的研究成果，并就雷达界将面临的迫在眉睫的挑战发表了意见。

应用于大大小小的任务的雷达一

无论是行星级别的趋势还是人体成像，雷达技术的最新进展使设计人员能够远程感知任何规模的趋势。

雷达已经使用了一个多世纪。但在最近的2023 年 IEEE 雷达会议(RadarConf 2023) 上，研究人员仍在寻找使用雷达完成遥感的新的独特方法。会议的主题演讲强调了雷达可用于获取信息的灵活性，讨论了从检测长期行星趋势到新的医疗保健成像技术的应用。

在本文中，我们将研究两个关键应用程序，它们使用相同的基础技术来构建两个截然不同的传感器，并讨论如何利用雷达来访问任何规模的应用程序中的所有新信息源.

在全体会议上，David G. Long 博士讨论了他的研究小组中使用的雷达应用，该应用完全属于“大”类别：冰山、环境和雷达散射测量的气候监测。

雷达散射测量利用地球的动态特性，从空间的相对舒适度中提取风速或水速等信息，但其用途可以大大扩展。Long 博士举的一个重要例子是深水地平线漏油事件，在漏油事件发生后，雷达被用来监测地表油的水平。

在为陆地和海洋环境模拟地球气候时，天基雷达也被用作重要的信息来源。卫星上的雷达已经观察到由于基础设施开发或森林砍伐而导致的亚马逊生态系统的变化，从而可以对植被水平进行长期比较。

在陆地监测之外，雷达还被用于检测来自南极的小冰山的数量和行为变化，这是气候变化的独特副产品。特别是在这个应用中，雷达提供了穿透云层的独特优势，当卫星通过可能很少而且间隔很远时，这是一个重要的特性。

虽然生成的图像分辨率相对较低，但 Long 博士说，“雷达独立地与所有其他传感器一起，证实了北极在几十年尺度上发生的变化，”强调了雷达可以提供的宝贵的长期信息气候科学家。随着越来越多的以地球为中心的任务，例如NASA JPL SWOT 任务，我们似乎只看到了雷达在更好地了解我们星球方面的作用的开始。

在更小的方面（至少比冰山小），雷达也被用作医疗保健应用的诊断工具，由Elise Fear 博士领导的卡尔加里大学的研究人员旨在检测和监测乳房肿瘤. Fear 博士在 RadarConf 2023 上展示了她的团队的工作，并强调了雷达使其成为有效医疗工具的关键特性。

当涉及鲁棒成像时，通常需要多个接收器来提供足够的空间分集以形成图像。这通常会增加系统的尺寸和成本，并降低患者成像过程的舒适度——例如，在 MRI 期间保持静止。

另一方面，雷达牺牲了分辨率以换取报告的患者舒适度的巨大飞跃，这使得基于雷达的成像成为可能不需要超精细分辨率的首次通过诊断的良好候选者。

成功成像的另一个关键指标是一致性。正如 Fear 博士在她的演讲中所说，“这些应用程序依赖于我们收集一致数据的能力。所以，如果我现在、两周后或一个月后对患者进行扫描，我得到的是相同的照片还是完全不同的东西？”

虽然雷达可能没有其他成像方法的分辨率，但雷达成像在诊断中的一致性肯定不缺乏，据报道结果与患者病史和其他成像机制保持一致。

因此，虽然雷达成像在短期内取代基于辐射的成像可能不现实，但为医疗专业人员添加一种新的、舒适的工具肯定对所有人都有好处，并说明了雷达几乎可以用于任何领域传感应用。

一项刚刚度过 119 岁生日的技术仍被行业和学术研究人员如此迅速和热情地开发的情况并不常见。然而，雷达仍然证明自己比想象的更有用，它与卫星、无人机和汽车的结合提供了新的和强大的信息来源。

在更小的范围内，雷达甚至可以用于检测真正远程控制应用程序的手势签名，从而实现更高级别的可访问性。

相信雷达在未来将成为一项使能技术的不仅仅是雷达研究人员，特斯拉等公司利用雷达提高其车辆的自动驾驶能力，美国宇航局喷气推进实验室使用干涉测量法测量海洋表面。尽管无论您是在太空还是在路上，反射的传输和测量的基本原理都是相同的，但提取信息的方法的广泛性使雷达技术作为一个整体成为适用于任何规模传感的广泛应用解决方案。

应用于大大小小的任务的雷达二

研究人员在2023 年 IEEE 雷达大会 (RadarConf 2023)上展示了一点，无论是在太空还是在家中，雷达技术已成为适用于任何环境的普遍传感硬件。在日常生活中，雷达的应用范围从车辆传感到生物医学监测，而且新用途正在加速被发现。

这并不是说雷达是所有传感应用的万能和最终目的，而是说雷达具有的基本特性使其有利于各种传感器，尤其是那些需要在低光、遮挡环境下工作的传感器，或私人环境。

在本文中，我们将介绍在 RadarConf 2023 上展示的另外两个应用，它们进一步突出了雷达的多功能性和灵活性，让读者了解雷达传感的最新技术水平，并深入了解下一代雷达的发展方向可能会被发现。

为了扩展 NASA 与雷达卫星的有益关系，Paul A. Rosen 博士发表了关于即将与印度空间研究组织 (ISRO)合作的 NASA JPL 任务的演讲。这项名为NASA-ISRO 合成孔径雷达 (NISAR) 任务的任务预计将于 2024 年发射，将为所有学科的科学家提供获取全球信息新来源的途径。

合成孔径雷达 (SAR) 由于能够使用相对低分辨率的雷达生成高分辨率图像，因此在地球卫星成像中得到了相当大的应用。然而，NISAR 任务是同类任务中的第一个，它利用两个波段来提供更多信息（NASA 每天 35 Tb）。

该飞行器使用可伸缩反射器将光束聚焦到足够小的点，类似于DART 任务中使用的复合吊杆。罗森博士声称，使用先进的信号处理技术，最终分辨率将远小于波长。

“我们谈论的是毫米到厘米的精度。测量结果真的非常惊人。”

由于有效载荷的轨道，这种精度水平创建了准确的数据，这些数据随时可用并快速更新。在讨论NISAR 任务的测量和轨道周期时，Rosen 博士说，“我们在任务期间每 12 天重复一次 [上升和下降测量]，每年会产生大约 1.6 PB 的原始数据，”帮助由于雷达传感技术的进步，量化气候和生物量信息的深度和广度，这些信息将在未来几年提供给科学家。

除了行星传感之外，雷达还可以用于使家庭的可达性达到新的水平。Sevgi Gurbuz 博士在 RadarConf 2023 上展示了她的工作，重点介绍了雷达如何检测微小运动以执行智能传感。

使用不同的技术，雷达可用于检测小至微米级的运动，可用于生命体征检测、手势识别和一系列其他应用。与 AI/ML 配合使用时，雷达还可以成为一种强大的工具，用于在不损害隐私的情况下进行非侵入式家庭监控。

在谈到雷达的隐私问题时，Gurbuz 博士指出，外行很难解读雷达数据。

“雷达可能是人们了解最少的传感器之一。如果你使用雷达数据或查看雷达数据，我认为，在这个房间之外，很少有人会理解和解释它。”

雷达传感提供的改进的隐私使其处于独特的位置，可以启用以前因隐私问题而被忽视的新应用程序，包括在家中自动扫描跌倒或受伤的活动监控。此外，Gurbuz 博士报告称，使用雷达改进了 美国手语的词级识别，为无需图像处理的自主翻译打开了大门。

Gurbuz 博士认为雷达在家庭中的作用才刚刚开始。“雷达在物联网中的独特地位，因为它是唯一可以让你主动询问环境的传感器，”她说。随着物联网技术的同步发展，雷达有望成为普通家用电器。

尽管对 RadarConf 的与会者进行投票可能会得出关于雷达在未来将扮演的角色的有偏见的结果，但工业界和学术界报告的创新无疑使该技术的未来看起来一片光明。由于雷达的多功能性，越来越多的应用得以实现，对一个传感器的开发最终将使所有雷达设计人员受益。

因此，虽然雷达本身可能永远无法达到顶级图像或基于光学的传感器的尺寸和分辨率水平，但其独特的优势确保它始终在各种大小的应用中成为最佳解决方案。

面对物理限制的创新雷达

在本节中，来自工业界和学术界的众多演讲者讨论了雷达的一些最新趋势和挑战，以及他们各自的组织准备如何解决这些问题。

该小组由来自雷达和微波工程各个领域的六名成员组成，他们不仅分享了他们对最新技术和障碍的看法，还分享了工业界和学术界的同事应该如何期待该领域在未来几年的发展。

我们将总结专题讨论会的要点，让读者了解雷达工程面临的关键任务，以及基本限制如何最终改变传感器和通信系统的开发方式。

小组讨论的关键点之一是，雷达技术不能在其发展的这一点上放慢或停滞不前。随着汽车或飞机系统的持续集成，新的故障点可能会被坏人欺骗或操纵。

洛克希德·马丁公司研究员 Fotis Koubiadis说：“环境中的威胁比技术本身变化得更快、更迅速、发展得更快。所以创新必须发生，而不是在技术的组件层面，我们发现自己必须在架构层面进行创新。”

这些创新可以采取多种形式，例如联合传感和通信或多静态传感系统，但由于雷达已成为一个多世纪以来的专利技术，因此需要一些创造性思维才能提供下一代所需的性能提升应用程序。

光子学是一种选择，它通过光子集成电路技术的进步提供增加的带宽和更高频率的电路。当被问及将 RF 和光子学集成作为一种创新手段时，麻省理工学院林肯实验室的 Jeffrey Herd 博士说：“我认为光子学可以在 [带宽密集] 情况下为自己赢得一席之地。”

“在光子学中，很难降低到窄通带，低于 100 或 200 MHz 将是一个挑战。所以，它不会成为我们想做的所有事情的解决方案，它不会取代一切，但我认为它会开辟新的机会。”

与设计齐头并进的是，随着雷达系统变得更加复杂和更加分散，测试和测量领域也面临着严峻的挑战。在讨论测试和测量领域的颠覆性技术时，NI 业务开发经理 Haydn Nelson表示制定战略非常重要。

“有这种向分布式传感器的转变，并具有将这种能力分散到多个接收器和发射器上的能力，你如何测试它？通常，您几乎需要拥有完整的自定义测试策略。”

尤其是考虑到大多数测试设备不能高度专业化，设计人员现在在设计复杂系统时可能不得不更加重视他们的测试计划。

虽然光子学集成或架构创新等技术可能会提高原始雷达性能，但测量设备必须能够跟上技术的发展步伐才能实现。

罗德与施瓦茨业务开发经理 Bill Kardine针对光子学测试以及测试和测量计划如何适应做出回应，他说：“我们一直在突破某些外形因素的可能性极限。”

“从我们的角度来看，试图在一个架构中解决所有这些问题确实具有挑战性。”

虽然我们可以期待测试设备的持续发展，但设计人员自己最终将承担一些责任，采用准确表征其系统的测试策略，并确保从实验室到现实世界的过渡尽可能顺利。

纯模拟雷达传感器正在接近基本极限当然不足为奇，但随着相邻领域的发展使更复杂的传感器成为可能，为了支持下一代应用，需要持续创新。这种创新预计不会来自任何特定领域，而是作为行业和学术研究人员之间加强互动的结果。

在回答业界需要学术界做什么的问题时，Fotis Koubiadis 说这是学术界和工业界之间的双向努力。

“我认为 [行业] 参与将有助于来回走动。我认为我们必须从头开始积极参与，以便能够了解 [学术界] 在做什么，我们可以在哪里利用它，我们可以做什么，特别是在开发周期中，很多在早期技术准备水平方面研究。”

归根结底，雷达现在可能被认为是“老狗”了。但是，如果在 RadarConf 2023 上看到的创新势头得以延续，它或许能够学习新的技巧，从而在任何环境中实现新的和先进的传感应用。

文章来源：半导体行业观察