[科普]面世119年的雷達(dá)，正在突破物理極限
面對(duì)基本限制，雷達(dá)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者準(zhǔn)備以自己獨(dú)特的方式應(yīng)對(duì)雷達(dá)領(lǐng)域即將到來(lái)的挑戰(zhàn)。
在最近的2023 年 IEEE 雷達(dá)會(huì)議 (RadarConf 2023) 中，來(lái)自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的眾多演講者分享了他們的研究成果，并就雷達(dá)界將面臨的迫在眉睫的挑戰(zhàn)發(fā)表了意見(jiàn)。
應(yīng)用于大大小小的任務(wù)的雷達(dá)一
無(wú)論是行星級(jí)別的趨勢(shì)還是人體成像，雷達(dá)技術(shù)的最新進(jìn)展使設(shè)計(jì)人員能夠遠(yuǎn)程感知任何規(guī)模的趨勢(shì)。
雷達(dá)已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)。但在最近的2023 年 IEEE 雷達(dá)會(huì)議(RadarConf 2023) 上，研究人員仍在尋找使用雷達(dá)完成遙感的新的獨(dú)特方法。會(huì)議的主題演講強(qiáng)調(diào)了雷達(dá)可用于獲取信息的靈活性，討論了從檢測(cè)長(zhǎng)期行星趨勢(shì)到新的醫(yī)療保健成像技術(shù)的應(yīng)用。
在本文中， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將研究?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵應(yīng)用程序，它們使用相同的基礎(chǔ)技術(shù)來(lái)構(gòu)建兩個(gè)截然不同的傳感器，并討論如何利用雷達(dá)拜訪問(wèn)任何規(guī)模的應(yīng)用程序中的所有新信息源.
在全體會(huì)議上，David G. Long 博士討論了他的研究小組中使用的雷達(dá)應(yīng)用，該應(yīng)用完全屬于“大”類別：冰山、環(huán)境和雷達(dá)散射測(cè)量的氣候監(jiān)測(cè)。
雷達(dá)散射測(cè)量利用地球的動(dòng)態(tài)特性，從空間的相對(duì)舒適度中提取風(fēng)速或水速等信息，但其用途可以大大擴(kuò)展。Long 博士舉的一個(gè)重要例子是深水地平線漏油事件，在漏油事件發(fā)生后，雷達(dá)被用來(lái)監(jiān)測(cè)地表油的水平。
在為陸地和海洋環(huán)境模擬地球氣候時(shí)，天基雷達(dá)也被用作重要的信息來(lái)源。衛(wèi)星上的雷達(dá)已經(jīng)觀察到由于基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)或森林砍伐而導(dǎo)致的亞馬遜生態(tài)系統(tǒng)的變化，從而可以對(duì)植被水平進(jìn)行長(zhǎng)期比較。
在陸地監(jiān)測(cè)之外，雷達(dá)還被用于檢測(cè)來(lái)自南極的小冰山的數(shù)量和行為變化，這是氣候變化的獨(dú)特副產(chǎn)品。特別是在這個(gè)應(yīng)用中，雷達(dá)給予了穿透云層的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，當(dāng)衛(wèi)星順利獲得可能很少而且間隔很遠(yuǎn)時(shí)，這是一個(gè)重要的特性。
雖然生成的圖像分辨率相對(duì)較低，但 Long 博士說(shuō)，“雷達(dá)獨(dú)立地與所有其他傳感器一起，證實(shí)了北極在幾十年尺度上發(fā)生的變化，”強(qiáng)調(diào)了雷達(dá)可以給予的寶貴的長(zhǎng)期信息氣候科學(xué)家。隨著越來(lái)越多的以地球?yàn)橹行牡娜蝿?wù)，例如NASA JPL SWOT 任務(wù)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 似乎只看到了雷達(dá)在更好地分析 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 星球方面的作用的開始。
在更小的方面（至少比冰山?。?，雷達(dá)也被用作醫(yī)療保健應(yīng)用的診斷工具，由Elise Fear 博士領(lǐng)導(dǎo)的卡爾加里大學(xué)的研究人員旨在檢測(cè)和監(jiān)測(cè)乳房腫瘤. Fear 博士在 RadarConf 2023 上展示了她的團(tuán)隊(duì)的工作，并強(qiáng)調(diào)了雷達(dá)使其成為有效醫(yī)療工具的關(guān)鍵特性。
當(dāng)涉及魯棒成像時(shí)，通常需要多個(gè)接收器來(lái)給予足夠的空間分集以形成圖像。這通常會(huì)增加系統(tǒng)的尺寸和成本，并降低患者成像過(guò)程的舒適度——例如，在 MRI 期間保持靜止。
另一方面，雷達(dá)犧牲了分辨率以換取報(bào)告的患者舒適度的巨大飛躍，這使得基于雷達(dá)的成像成為可能不需要超精細(xì)分辨率的首次順利獲得診斷的良好候選者。
成功成像的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是一致性。正如 Fear 博士在她的演講中所說(shuō)，“這些應(yīng)用程序依賴于 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 收集一致數(shù)據(jù)的能力。所以，如果我現(xiàn)在、兩周后或一個(gè)月后對(duì)患者進(jìn)行掃描，我得到的是相同的照片還是完全不同的東西？”
雖然雷達(dá)可能沒(méi)有其他成像方法的分辨率，但雷達(dá)成像在診斷中的一致性肯定不缺乏，據(jù)報(bào)道結(jié)果與患者病史和其他成像機(jī)制保持一致。
因此，雖然雷達(dá)成像在短期內(nèi)取代基于輻射的成像可能不現(xiàn)實(shí)，但為醫(yī)療專業(yè)人員添加一種新的、舒適的工具肯定對(duì)所有人都有好處，并說(shuō)明了雷達(dá)幾乎可以用于任何領(lǐng)域傳感應(yīng)用。
一項(xiàng)剛剛度過(guò) 119 歲生日的技術(shù)仍被行業(yè)和學(xué)術(shù)研究人員如此迅速和熱情地開發(fā)的情況并不常見(jiàn)。然而，雷達(dá)仍然證明自己比想象的更有用，它與衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)和汽車的結(jié)合給予了新的和強(qiáng)大的信息來(lái)源。
在更小的范圍內(nèi)，雷達(dá)甚至可以用于檢測(cè)真正遠(yuǎn)程控制應(yīng)用程序的手勢(shì)簽名，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的可訪問(wèn)性。
相信雷達(dá)在未來(lái)將成為一項(xiàng)使能技術(shù)的不僅僅是雷達(dá)研究人員，特斯拉等公司利用雷達(dá)提高其車輛的自動(dòng)駕駛能力，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室使用干涉測(cè)量法測(cè)量海洋表面。盡管無(wú)論您是在太空還是在路上，反射的傳輸和測(cè)量的基本原理都是相同的，但提取信息的方法的廣泛性使雷達(dá)技術(shù)作為一個(gè)整體成為適用于任何規(guī)模傳感的廣泛應(yīng)用解決方案。
應(yīng)用于大大小小的任務(wù)的雷達(dá)二
研究人員在2023 年 IEEE 雷達(dá)大會(huì) (RadarConf 2023)上展示了一點(diǎn)，無(wú)論是在太空還是在家中，雷達(dá)技術(shù)已成為適用于任何環(huán)境的普遍傳感硬件。在日常生活中，雷達(dá)的應(yīng)用范圍從車輛傳感到生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)，而且新用途正在加速被發(fā)現(xiàn)。
這并不是說(shuō)雷達(dá)是所有傳感應(yīng)用的萬(wàn)能和最終目的，而是說(shuō)雷達(dá)具有的基本特性使其有利于各種傳感器，尤其是那些需要在低光、遮擋環(huán)境下工作的傳感器，或私人環(huán)境。
在本文中， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將介紹在 RadarConf 2023 上展示的另外兩個(gè)應(yīng)用，它們進(jìn)一步突出了雷達(dá)的多功能性和靈活性，讓讀者分析雷達(dá)傳感的最新技術(shù)水平，并深入分析下一代雷達(dá)的開展方向可能會(huì)被發(fā)現(xiàn)。
為了擴(kuò)展 NASA 與雷達(dá)衛(wèi)星的有益關(guān)系，Paul A. Rosen 博士發(fā)表了關(guān)于即將與印度空間研究組織 (ISRO)合作的 NASA JPL 任務(wù)的演講。這項(xiàng)名為NASA-ISRO 合成孔徑雷達(dá) (NISAR) 任務(wù)的任務(wù)預(yù)計(jì)將于 2024 年發(fā)射，將為所有學(xué)科的科學(xué)家給予獲取全球信息新來(lái)源的途徑。
合成孔徑雷達(dá) (SAR) 由于能夠使用相對(duì)低分辨率的雷達(dá)生成高分辨率圖像，因此在地球衛(wèi)星成像中得到了相當(dāng)大的應(yīng)用。然而，NISAR 任務(wù)是同類任務(wù)中的第一個(gè)，它利用兩個(gè)波段來(lái)給予更多信息（NASA 每天 35 Tb）。
該飛行器使用可伸縮反射器將光束聚焦到足夠小的點(diǎn)，類似于DART 任務(wù)中使用的復(fù)合吊桿。羅森博士聲稱，使用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，最終分辨率將遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。
“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 談?wù)摰氖呛撩椎嚼迕椎木?。測(cè)量結(jié)果真的非常驚人。”
由于有效載荷的軌道，這種精度水平創(chuàng)建了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨時(shí)可用并快速更新。在討論NISAR 任務(wù)的測(cè)量和軌道周期時(shí)，Rosen 博士說(shuō)，“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在任務(wù)期間每 12 天重復(fù)一次 [上升和下降測(cè)量]，每年會(huì)產(chǎn)生大約 1.6 PB 的原始數(shù)據(jù)，”幫助由于雷達(dá)傳感技術(shù)的進(jìn)步，量化氣候和生物量信息的深度和廣度，這些信息將在未來(lái)幾年給予給科學(xué)家。
除了行星傳感之外，雷達(dá)還可以用于使家庭的可達(dá)性達(dá)到新的水平。Sevgi Gurbuz 博士在 RadarConf 2023 上展示了她的工作，重點(diǎn)介紹了雷達(dá)如何檢測(cè)微小運(yùn)動(dòng)以執(zhí)行智能傳感。
使用不同的技術(shù)，雷達(dá)可用于檢測(cè)小至微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)，可用于生命體征檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別和一系列其他應(yīng)用。與 AI/ML 配合使用時(shí)，雷達(dá)還可以成為一種強(qiáng)大的工具，用于在不損害隱私的情況下進(jìn)行非侵入式家庭監(jiān)控。
在談到雷達(dá)的隱私問(wèn)題時(shí)，Gurbuz 博士指出，外行很難解讀雷達(dá)數(shù)據(jù)。
“雷達(dá)可能是人們分析最少的傳感器之一。如果你使用雷達(dá)數(shù)據(jù)或查看雷達(dá)數(shù)據(jù)，我認(rèn)為，在這個(gè)房間之外，很少有人會(huì)理解和解釋它?！?/p>
雷達(dá)傳感給予的改進(jìn)的隱私使其處于獨(dú)特的位置，可以啟用以前因隱私問(wèn)題而被忽視的新應(yīng)用程序，包括在家中自動(dòng)掃描跌倒或受傷的活動(dòng)監(jiān)控。此外，Gurbuz 博士報(bào)告稱，使用雷達(dá)改進(jìn)了 美國(guó)手語(yǔ)的詞級(jí)識(shí)別，為無(wú)需圖像處理的自主翻譯打開了大門。
Gurbuz 博士認(rèn)為雷達(dá)在家庭中的作用才剛剛開始。“雷達(dá)在物聯(lián)網(wǎng)中的獨(dú)特地位，因?yàn)樗俏ㄒ豢梢宰屇阒鲃?dòng)詢問(wèn)環(huán)境的傳感器，”她說(shuō)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的同步開展，雷達(dá)有望成為普通家用電器。
盡管對(duì) RadarConf 的與會(huì)者進(jìn)行投票可能會(huì)得出關(guān)于雷達(dá)在未來(lái)將扮演的角色的有偏見(jiàn)的結(jié)果，但工業(yè)界和學(xué)術(shù)界報(bào)告的創(chuàng)新無(wú)疑使該技術(shù)的未來(lái)看起來(lái)一片光明。由于雷達(dá)的多功能性，越來(lái)越多的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)一個(gè)傳感器的開發(fā)最終將使所有雷達(dá)設(shè)計(jì)人員受益。
因此，雖然雷達(dá)本身可能永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到頂級(jí)圖像或基于光學(xué)的傳感器的尺寸和分辨率水平，但其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)確保它始終在各種大小的應(yīng)用中成為最佳解決方案。
面對(duì)物理限制的創(chuàng)新雷達(dá)
在本節(jié)中，來(lái)自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的眾多演講者討論了雷達(dá)的一些最新趨勢(shì)和挑戰(zhàn)，以及他們各自的組織準(zhǔn)備如何解決這些問(wèn)題。
該小組由來(lái)自雷達(dá)和微波工程各個(gè)領(lǐng)域的六名成員組成，他們不僅分享了他們對(duì)最新技術(shù)和障礙的看法，還分享了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的同事應(yīng)該如何期待該領(lǐng)域在未來(lái)幾年的開展。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將總結(jié)專題討論會(huì)的要點(diǎn)，讓讀者分析雷達(dá)工程面臨的關(guān)鍵任務(wù)，以及基本限制如何最終改變傳感器和通信系統(tǒng)的開發(fā)方式。
小組討論的關(guān)鍵點(diǎn)之一是，雷達(dá)技術(shù)不能在其開展的這一點(diǎn)上放慢或停滯不前。隨著汽車或飛機(jī)系統(tǒng)的持續(xù)集成，新的故障點(diǎn)可能會(huì)被壞人欺騙或操縱。
洛克希德·馬丁公司研究員 Fotis Koubiadis說(shuō)：“環(huán)境中的威脅比技術(shù)本身變化得更快、更迅速、開展得更快。所以創(chuàng)新必須發(fā)生，而不是在技術(shù)的組件層面， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 發(fā)現(xiàn)自己必須在架構(gòu)層面進(jìn)行創(chuàng)新?！?/p>
這些創(chuàng)新可以采取多種形式，例如聯(lián)合傳感和通信或多靜態(tài)傳感系統(tǒng)，但由于雷達(dá)已成為一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的專利技術(shù)，因此需要一些創(chuàng)造性思維才能給予下一代所需的性能提升應(yīng)用程序。
光子學(xué)是一種選擇，它順利獲得光子集成電路技術(shù)的進(jìn)步給予增加的帶寬和更高頻率的電路。當(dāng)被問(wèn)及將 RF 和光子學(xué)集成作為一種創(chuàng)新手段時(shí)，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的 Jeffrey Herd 博士說(shuō)：“我認(rèn)為光子學(xué)可以在 [帶寬密集] 情況下為自己贏得一席之地?！?/p>
“在光子學(xué)中，很難降低到窄通帶，低于 100 或 200 MHz 將是一個(gè)挑戰(zhàn)。所以，它不會(huì)成為 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 想做的所有事情的解決方案，它不會(huì)取代一切，但我認(rèn)為它會(huì)開辟新的機(jī)會(huì)?！?/p>
與設(shè)計(jì)齊頭并進(jìn)的是，隨著雷達(dá)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜和更加分散，測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在討論測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)時(shí)，NI 業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 Haydn Nelson表示制定戰(zhàn)略非常重要。
“有這種向分布式傳感器的轉(zhuǎn)變，并具有將這種能力分散到多個(gè)接收器和發(fā)射器上的能力，你如何測(cè)試它？通常，您幾乎需要擁有完整的自定義測(cè)試策略?！?/p>
尤其是考慮到大多數(shù)測(cè)試設(shè)備不能高度專業(yè)化，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在在設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)可能不得不更加重視他們的測(cè)試計(jì)劃。
雖然光子學(xué)集成或架構(gòu)創(chuàng)新等技術(shù)可能會(huì)提高原始雷達(dá)性能，但測(cè)量設(shè)備必須能夠跟上技術(shù)的開展步伐才能實(shí)現(xiàn)。
羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 Bill Kardine針對(duì)光子學(xué)測(cè)試以及測(cè)試和測(cè)量計(jì)劃如何適應(yīng)做出回應(yīng)，他說(shuō)：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 不斷在突破某些外形因素的可能性極限?！?/p>
“從 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的角度來(lái)看，試圖在一個(gè)架構(gòu)中解決所有這些問(wèn)題確實(shí)具有挑戰(zhàn)性?！?/p>
雖然 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以期待測(cè)試設(shè)備的持續(xù)開展，但設(shè)計(jì)人員自己最終將承擔(dān)一些責(zé)任，采用準(zhǔn)確表征其系統(tǒng)的測(cè)試策略，并確保從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)世界的過(guò)渡盡可能順利。
純模擬雷達(dá)傳感器正在接近基本極限當(dāng)然不足為奇，但隨著相鄰領(lǐng)域的開展使更復(fù)雜的傳感器成為可能，為了支持下一代應(yīng)用，需要持續(xù)創(chuàng)新。這種創(chuàng)新預(yù)計(jì)不會(huì)來(lái)自任何特定領(lǐng)域，而是作為行業(yè)和學(xué)術(shù)研究人員之間加強(qiáng)互動(dòng)的結(jié)果。
在回答業(yè)界需要學(xué)術(shù)界做什么的問(wèn)題時(shí)，F(xiàn)otis Koubiadis 說(shuō)這是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的雙向努力。
“我認(rèn)為 [行業(yè)] 參與將有助于來(lái)回走動(dòng)。我認(rèn)為 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 必須從頭開始持續(xù)參與，以便能夠分析 [學(xué)術(shù)界] 在做什么， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以在哪里利用它， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以做什么，特別是在開發(fā)周期中，很多在早期技術(shù)準(zhǔn)備水平方面研究。”
歸根結(jié)底，雷達(dá)現(xiàn)在可能被認(rèn)為是“老狗”了。但是，如果在 RadarConf 2023 上看到的創(chuàng)新勢(shì)頭得以延續(xù)，它或許能夠?qū)W習(xí)新的技巧，從而在任何環(huán)境中實(shí)現(xiàn)新的和先進(jìn)的傳感應(yīng)用。
文章來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
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