Radar Teknolojisi Geleceğe Bakıyor
Radar - radyo yönü ve menzilinin kısaltması - İngiliz sistem tasarımcılarının bu teknolojiyi ilk kez Kraliyet Hava Kuvvetleri'ne İngiltere'deki şehirlere ve kasabalara saldırmak için kanalı geçen Nazi bombardıman uçakları konusunda erken uyarı vermek için kullandıklarında yaklaşık 70 yıldır bizimle birlikte. O günlerde bir radar teması ekranda sadece bir parazitti; temasın boyutu veya türü hakkında bilgi vermedi ve temasın hızı ve yönü hakkında yalnızca temel bilgiler sağladı.
İkinci Dünya Savaşı sırasında müttefiklerin çabaları için radarın değerini ve önemini gerçek bir oyun değiştirici olması açısından küçümsemek neredeyse imkansız. Basitçe ifade etmek gerekirse, radar, 1940 baharında Britanya Savaşı'nda İngiliz zaferinde belirleyici faktör olmuş olabilir.
Bugünün radar teknolojisi, Britanya Savaşı sırasında olduğu kadar belirleyicidir, ancak bir zamanlar İngiliz kıyılarında elektronik nöbetçi olarak duran büyük, tüp tabanlı, mekanik olarak yönlendirilen, nispeten düşük frekanslı sistemlerden dünyalar uzaktadır.
Modern radar sistemleri genellikle görüntüleme özelliğine sahiptir, grafik katmanlar ile kullanım için hızlı ve kolay bir şekilde dijitalleştirilmiş sinyaller verebilir, birlikte ağa bağlanabilir, böylece toplam sistem parçalarının toplamından daha büyüktür ve geniş alan gibi birkaç farklı işleve hizmet edebilir arama, hedef izleme, yangın kontrolü ve hava durumu izleme — önceki nesil radar teknolojisi aynı işleri yapmak için ayrı sistemler gerektiriyordu.
Ancak en önemlisi, modern analog radar sinyallerinin dijital bilgiye dönüştürülebildiği göreceli kolaylık ve hızdır. Bu sadece çok çeşitli sinyal işleme seçeneklerini açmakla kalmaz, aynı zamanda radar bilgilerinin, dijital savaş alanına ve geleceğin Küresel Bilgi Izgarası vizyonlarına dahil edilmek üzere İnternet tipi ağlarda gerçek zamanlı veya neredeyse gerçek zamanlı olarak sunulmasını sağlar.
RF enerjisi
Radar, esasen radyo dalgalarını bir hedeften sekerek ve dönüş sinyallerini tespit ederek çalışır. Mass, Raytheon Co., Tewksbury'deki entegre savunma sistemleri mühendislikten sorumlu başkan yardımcısı Mark Russell, "İkinci Dünya Savaşı kadar erken radar sistemleri basitti, ancak o zaman için en son teknolojiydi," diyor. sistemler tüp tabanlıydı ve mekanik olarak yönlendiriliyordu ve RF vericileri, RF alıcıları, analog sinyal işleme ve bir video ekranı içeriyordu.
Daha sonra, radar sistemleri, okyanustaki dalgaları ve havadaki böcekleri sanal olarak algılayabilecekleri ve izleyebilecekleri yerlere duyarlılığı geliştirdi. Bununla birlikte, artan hassasiyet, radar sistemlerinin karşılaştığı en büyük zorluklardan birini birleştirdi - sözde dağınıklık veya ilgilenilmeyen nesnelerden yansıyan sinyaller. İkinci Dünya Savaşı'nda radar teknolojisinin bugünkü kadar hassas olmadığı zamanlarda, bu büyük bir sorun değildi. Büyük nesneler parazit olarak görünürken, nispeten küçük şeyler hiç görünmüyordu.
Giderek daha hassas hale gelen radar sistemleri okyanus yüzeyindeki dalga hareketini tespit edebildi, ancak dalgalı bir okyanusta düşman periskopu bulmaya çalışırken zorluk yaşayabilirlerdi. Radar tasarımcıları, asıl olarak, iletilen RF sinyallerini, ilgilenilen hedeflerin geri dönüş sinyallerini mümkün olduğunca yakından eşleştirmek için ince ayarlayarak dağınıklık sorunuyla uğraştılar. Mühendisler, verici anten modüllerinin boyutunu değiştirerek iletim sinyallerini ayarlar. İlgili hedefler için gönderme sinyallerinin ince ayarlanması, dağınıklığın reddedilmesine yardımcı oldu, ancak radar sistemlerini yalnızca dar bir uygulama yelpazesi için yararlı hale getirebilir. Bu nedenle, kullanıcıların geniş alan gözetimi, hedef takibi, yangın kontrolü ve hava durumu izleme için ayrı bir radar sistemine ihtiyacı vardı.
Russell, "Fonksiyon başına bir radar olduğu basit bir konseptten geldi" diye açıklıyor. “O işlev için her biri kendi frekansına ayarlandı. Düşük frekanslarda yayılan elemanlar büyür ve bunların içinde vericiler bulunur. Masanıza sığacak bir havadan radara kadar bina büyüklüğünde bir radar sistemine sahip olabilirsiniz - ancak her zaman bir radarın kendi işlevi vardır. "
Raytheon, balistik füze fırlatmalarını aramak için esasen mobil bir açık deniz petrol platformunda bulunan büyük Deniz Tabanlı X-Bant (SBX) Radarından küçük panel tipi radarlara kadar uzanan yelpazeyi yöneten radar sistemleri tasarlar. insansız hava araçları ve F / A-18 jet avcı bombardıman uçağı üzerindeki aktif elektronik olarak taranmış dizi (AESA) radar sistemleri.
Dijital radar sinyalleri
Radar teknolojisinde ufukta yatan şeyin ilk parıltısı katı hal teknolojisinin icadıyla geldi. Russell, "İşleme ve RF çipli katı hal radarlarına geçtik, bu da bizim aktif elektronik olarak yönlendirilmiş dizilere gitmemizi sağladı" diyor.
Katı hal teknolojisi, dijital sinyal işleme, ultra hızlı analogdan dijitale (AD) ve dijitalden analoğa (DA) dönüştürücülere, hızlı ticari kullanıma hazır (COTS) mikro işlemcilere ve yüksek hızlı dijital ağ oluşturmaya yol açtı. Radar sistemleri, giderek daha hızlı ve verimli işleme, taktik İnternette radar bilgileri sunmak için geniş yeni fırsatlar ve radar bilgilerini görüntülemek için yenilikçi yeni yollar sunan analogdan ziyade dijital alandaki tüm sinyal işlemeyi giderek daha fazla idare etmektedir.
Temelde, radar sinyalleri analogdan dijitale dönüştürüldükten sonra, yalnızca dijital işlemedeki son teknoloji ile sınırlıdır, ki bu günümüzde ciddi bir sınırlama değildir. Russell, radar işlemenin dayandığı karmaşık hızlı Fourier dönüşümü (FFT) algoritmalarını işlemek için yeni güçlü alan programlanabilir geçit dizilerinin mevcut olduğunu açıklayarak, "Bu bir işleme sorunu değil" diyor.
Aslında günümüzün en yeni nesil FPGA'lar, dijital sinyal işlemcileri (DSP'ler), güçlü COTS mikro işlemcileri ve çok işlemcili bilgi işlem mimarileri, radar sistemi tasarımcılarının onlarca yıl önce yazılan radar işleme algoritmalarını kullanıma sunmasını sağlıyor. Mass, Chelmsford'daki Mercury Computer Systems federal sistemler bölümünün arkadaşı ve teknik yöneticisi Arlan Pool, "Bazen 50 yıldır rafta olan algoritmaları onlar için yeni teknolojiler uygulayarak kullanabiliriz" diyor.
Radar sistemi tasarımcıları, emrindeki bu tür dijital bilgi işlem gücüyle, dijital aşağı dönüştürme gibi süreçler olmadan yapmayı düşünmeye bile başlayabilir ve dijitalleştirildikten hemen sonra sinyalleri örnekleyebilen sistemler tasarlamaya başlayabilirler.
Syracuse, NY'deki Lockheed Martin Corp. radar sistemleri segmentinin başkan yardımcısı ve baş mühendisi Douglas Reep, "Artık AD dönüştürücüler için doğrudan dijital örnekleme yapmamızı sağlayan ticari parçaları kullanabiliriz," diyor. " analog bileşenleri sistemlerden kaldırın. "
Lockheed Martin, şirketin Moorestown, NJ'deki tesisinde radar geliştirme kıdemli üyesi Jerald Nespor, "Artık mikrodalga sinyallerini aşağı dönüştürme olmadan neredeyse dijital hale getirebiliriz" diyor "Bunu yapmak için yeterli örnekleme oranlarına sahip AD dönüştürücülere ihtiyacımız var. Herkes daha yüksek verimlilik ve daha dinamik aralık istiyor ve bunu COTS teknolojileri ve yenilikçi mimarilerle yapabiliriz. "
Verimlilik iletme / alma
Ancak radar sistemlerindeki gelişme sadece dijital tarafta olmuyor. Galyum arsenit (GaAs) ve galyum nitrür (GaN) gibi yeni yarı iletken malzemeler, sistem tasarımcılarının verimliliği artırmasına ve genel sistem boyutunu küçültmesine yardımcı oluyor. Örneğin Raytheon, büyük radar sistemleri yükseltmeleri için GaAs ve GaN teknolojilerini kullanmayı amaçlayan, Yeni Nesil İletim / Alım Entegre Mikrodalga Modülü (diğer adıyla NGT olarak da bilinir) adlı ABD Füze Savunma Ajansı'nın (MDA) desteğiyle bir projede yer alıyor.
Programın bir parçası olarak, Raytheon radar uzmanları, GaN tabanlı monolitik mikrodalga entegre devre (MMIC) amplifikatörlerini, mevcut radar teknolojisinden daha yüksek verimlilikle önemli ölçüde daha yüksek RF gücü ile gösteriyor.
Raytheon, ajansın Wide Bandgap Semiconductor programının bir parçası olarak, Arlington, Va'daki ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı için geliştirilen GaN teknolojisini kullanıyor. Russell, GaN teknolojisi yalnızca radar menzillerini, hassasiyeti ve arama yeteneklerini genişletmekle kalmaz, aynı zamanda tasarımcıların radar antenlerinin boyutunu azaltmalarına da yardımcı olabilir.
Raytheon'daki NGT program yöneticisi Steve Bernstein, "NGT programı önemlidir, çünkü ilgili bir ortamda daha yetenekli GaN yarı iletkenlerinin kullanımını ele almak için devlet tarafından finanse edilen ilk önemli sözleşmedir" diyor. "Bu son gösteri, GaN teknolojisinin modern radarlarda kullanılanları temsil eden gönderme / alma modüllerinde daha iyi performans gösterdiğini gösteriyor."
GaN ve GaAs yarı iletkenlerine ek olarak, Norwood, Mass'taki Analog Devices Inc. gibi şirketlerin karmaşık AD dönüştürücüleri (CADC'ler) ve Hillsboro, Ore'deki TriQuint Semiconductor Inc. gibi şirketlerin karışık sinyalli entegre devreleri de vardır. Lockheed Martin'den Nespor, yeni nesil radar sistemlerinin iyileştirilmesine katkıda bulunuyor, diyor.
Görüntüleme radarı
Modern radar sistemlerinin gelişmiş gönderme / alma ve bilgisayar işleme teknolojileri de görüntüleme radar sistemlerine veya geri dönen sinyallerden yüksek çözünürlüklü görüntüler üretenlere yol açmaktadır.
Mercury'deki sinyal işleme uzmanları, dairesel SAR veya video SAR olarak da bilinen dairesel sentetik açıklıklı radar adı verilen bir teknoloji üzerinde çalışıyor. Mercury pazar bölümü direktörü Jon Lathrop, “Radarın işlemci açısından yoğun olan kısmı, önemli sayılarda hesaplama gerektiren görüntü oluşumudur” diyor.
Mercury's Pool, çoklu işlem ve diğer bilgisayar yoğun uygulamalarda bir uzman olan Mercury'nin sentetik açıklıklı radar ve yer hareket eden hedef göstergesine dahil olduğunu söylüyor.
Dairesel SAR, bir ilgi alanı etrafında dosyalar oluşturan ve birbirini izleyen radar verisi katmanlarına dayalı bir 3B görüntü oluşturan bir uçakta özel bir radar sistemini uçurmayı içerir. Pool, "Dairesel SAR gibi daha yoğun işlemci gerektiren şeylere gitmek, araştırmanın gittiği yerdir" diyor.
Görüntüleme radarı yeni bir teknoloji olmasa da, yakın zamana kadar havada radar verilerinin hacimlerinin kaydedilmesini ve daha sonra yerde yoğun işlemlerin gerçekleştirilmesini içeriyordu. Lathrop, "Sadece sayıların kırılmasına ve analiz etmek için günler harcamasına izin verirdik" diyor. Bugün görüntüleme radarları gerçek zamanlı olarak görüntü oluşumunu gerçekleştiriyor. İşlem süresi, diyafram açıklığından daha azdır, bu nedenle neredeyse gerçek zamanlı görüntü oluşturma veya kamera gibi davranan radar demektir. "
Mercury ve diğer sinyal işleme uzmanları, radar görüntü işleme görevlerini ayrı, yönetilebilir görevlere ayırmak için hücre işlemcileri kullanıyor. Lathrop, “SAR görüntüsü oluşumu ve hücre işlemcisi, görüntüyü küçük parçalara bölen bir döşeme şeması ile geliyor” diye açıklıyor. "FFT yapıyorsunuz, ancak bir şeyleri birbirine yapıştırmanız gerekiyor. İşlemcinin kutucuğu işleme kapasitesine bakarsınız, böylece çip sayısını mümkün olduğunca düşük tutarsınız. "
Çok işlevli radar
Belki de son yıllarda radar teknolojisindeki en önemli gelişme, çok işlevli radara veya aynı sistemle çeşitli uygulamaları gerçekleştirebilen sistemlere geçiştir. Katı hal radarına geçiş, aynı radarla birkaç uygulama gerçekleştirmenin ilk görüntüsünü verdi.
Raytheon'dan Russell, katı hal teknolojisinin sağladığı, elektronik olarak yönlendirilen aktif radar dizileri türlerinin "gönderme / alma modülüne girdiğiniz yerdir ve biz bu şekilde tek amaçlı radardan uzaklaşıyoruz" diyor. “Bu bir maliyet değiş tokuşudur. Müşterilerimiz aynı fiyat veya daha ucuza olabildiğince fazla işlevsellik arıyor. "
Çok işlevli radar sistemleri, birkaç bağımsız radarı tek bir sistemde birleştirerek yerden, ağırlıktan ve güçten tasarruf edebilir ve ayrıca işlevleri ve sistemleri birleştirerek insan operatörlerinin taleplerini azaltmaya yardımcı olabilir. Russell, "Bugün, belirli bir radar tedarikinin sahadaki mevcut dört veya beş radarın yerini alacağı birçok satın alma geliyor ve bu size daha uygun maliyetli bir altyapı sağlıyor" diyor.
Russell, Raytheon Spy 1 ve Spy 3 çift bantlı gemi radarının en son enkarnasyonları, bir düzine kadar geleneksel antenin yerini alabilir. "Küçülen gemilerde antenler için ayrılan alan, boyut ve ağırlığın yanı sıra işlevselliklerinin arttığını görmeye başlayacaksınız."
Sayısallaştırılmış radar sinyallerinin sofistike ve hızlı işlenmesi, sistem tasarımcılarının temelde geniş bantlı radarlardan gelen dönüş sinyallerini iki veya daha fazla bölüme ayırmasına ve ayrı uygulamalar için ayrı bölümler kullanmasına olanak tanır - geniş alan arama ve hedef izleme gibi. Russell, "Bir çok hava durumu radarı Doppler'ı almaya çalışıyor, ancak şimdi 10.000 fit'in altına bakan hava radarlarımız var ve alt atmosferde meydana gelen kasırgaları tahmin edebiliyoruz" diyor.
Günümüzde operatörler, aynı anda geri dönüş sinyallerinin ayrı kısımlarına bakamazlar, ancak sinyal kısımları arasında yeterince hızlı geçiş yapabilirler, böylece gerçek zamana yakın gibi görünürler. Her zaman olduğu gibi, sistem tasarımcıları radarın önceliklerini belirlemelidir. Raytheon'dan Russell, "Anteni geniş bant yapmayı seçebilir veya daha geniş bant genişliğine sahip antenler ve alıcılar tasarlamak için açıp kapatabileceğiniz birden fazla bant seçebilirsiniz" diyor. "Bu esnaf bugün radar mühendisinin yaptığı şeydir."
Sürdürülebilirlik ve büyüme
Bununla birlikte, radar tasarımcıları yalnızca sistem kapasitesini geliştirmek istemiyorlar. Bu bütçe kısıtlı günlerde, aynı zamanda büyüme, teknoloji ekleme ve uzun vadeli sürdürülebilirlik için tasarlanmış radar mimarilerini de araştırıyorlar.
Lockheed Martin'den Reep, "Büyüme için tasarım yapmak için açık mimariler kullanıyoruz" diyor. “Arka düzlem düzeyinde VME ve diğer ticari standartları kullanıyoruz. Yazılım, donanım kadar hızlı değişir, bu nedenle özel mülk yazılıma kilitlenmek istemiyoruz. Eskiden olduğundan daha fazla Linux tabanlı işletim sistemi kullanıyoruz ve ayrıca Windows NT kullanıyoruz ve Vista'ya geçiyoruz. "
Lockheed Martin ve diğer büyük savunma müteahhitlerinin yerleşik bilgisayar tedarikçileri de sürdürülebilir teknolojiyi yakından takip ediyor. Towcester, İngiltere'deki GE Fanuc Intelligent Platforms Embedded Systems'da erişim çok işlemcili AXIX ürün yöneticisi Michael Stern, "Gerçekten COTS olan pano düzeyinde donanım ve yazılım gibi çeşitli 'vitrin ürünleri' üretiyoruz," diyor.
GE Fanuc, gömülü teknolojisini beş veya altı dört işlemcili çok kartlı gömülü bilgisayarlar ve muhafaza başına 70 veya 80 merkezi işlem birimi gerektiren orta ölçekli radar sistemlerinde hedeflemektedir.
Radarın geleceği
Gerçek zamanlı radar bilgilerini taktik ağlara yerleştirmek ve verileri İnternet benzeri arayüzler üzerinden görüntülemek, radarı ihtiyaç duyanlara yaymak ve bir radar sisteminden gelen bilgileri başka bir tür sensörle harmanlamak için yeni olanaklar sağlayabilir.
Reep, "Sensör bilgilerinin bir Web sayfası gibi görünebilmesi için XML tekniklerine bakıyoruz" diyor.
Lockheed Martin'den Nespor, radar verilerini dijital olarak işlemenin ve yaymanın bu seviyenin dezavantajı olabileceği konusunda uyarıyor. “Geniş açık sensör açıklıkları kötü adamlara tamamen açık kapılar olabilir. Siber savaş bununla başa çıkmalıdır. "
Radar sinyal işleme, AD dönüştürme ve veri işlemenin ikili yüküyle karşı karşıyadır
Radar sinyal işleme, konuşlandırılmış askeri ve havacılık sistemlerinde bilinen en zorlu gömülü hesaplama uygulamalarından biridir. Sinyal işleme talepleri iki genel kategoriye ayrılır - sinyalleri analogdan dijitale ve sonra tekrar analoga dönüştürme ve dijitalleştirildikten sonra sinyalleri anlamlandırma.
“Radar kullanıcıları bugün sivil binaların ortasında bir düşmanla uğraşıyor; Yukarı Saddle River, NJ'deki sinyal işleme uzmanı Pentek Inc.'in başkan yardımcısı Rodger Hosking, hareket etmeden önce onu hassas bir şekilde bulmak istiyorlar ”diyor.
Hosking, "Radar sinyalleri ve frekans bantları, konumsal izlemede daha iyi çözünürlük ve hassasiyet sağlamak için yüzlerce gigahertz ve ötesinde - genişliyor," diyor. "Daha geniş bant genişliğine sahip radar sinyalleri iki yük yaratır - bu sinyali AD dönüşümü ile sayısallaştırma ve onu izleyen sinyal işlemcisinin gücü. İşlemeyi orantısal olarak daha hızlı yapmanız gerekiyor çünkü daha önce yaptığınız algoritmanın aynısını daha yüksek bant genişliğinde yapmak istiyorsunuz, bu yüzden daha fazla beygir gücüne ihtiyacınız var. "
Radar sinyal işleme söz konusu olduğunda en önemli deyim bilgisayarın beygir gücüdür. Va Leesburg, Curtiss-Wright Controls Embedded Computing ürün pazarlama müdürü Ian Stalker, "Radar müşterilerimizden gelen hiçbir zaman değişmeyen gereksinim daha fazla performans" diyor.
Stalker, "En yüksek performanslı bilgi işlem yeteneğini en hızlı benimseyenler radar geliştiricileridir" diyor. “Radar adamları en yüksek performans ve en yüksek riskle karşı karşıya. Etkili bir şekilde sınırsız miktarda işlem gücü tüketen algoritmalara sahipler. "
