3D雷达系统与未来系统技术介绍.docx

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1、3D雷达系统与未来系统技术介绍目录1 .序言12 .3D激光雷达的现在和未来42.1.描述42.2.3D激光雷达领域重量级企业42.3.3D激光雷达领域的后起之秀62.4.3D激光雷达领域的专利战：因竞争升温的侵权案件62.5.3D激光雷达模块量产之路：汽车一级供应商进场62. 6.3D激光雷达的商业前景能否巩固？73. 3D雷达技术的类型83. 1.3D铅笔束技术84. 2.单脉冲技术93. 3.频率分集94. 3D雷达的未来趋势94. 1.适应性强的多任务雷达94. 2.三维远征远程雷达(3DE1RR)系统105. 3.远程战术范围雷达104.4.天气雷达104.5.自主跟踪和搜索雷达10

2、1.序百3D雷达是一种可提供范围，高度和方向的三维视图雷达。长期以来，人们一直需要3D雷达提供的信息，特别是用于防空和拦截。在3D雷达之前，这是通过单独的搜索雷达(给出范围和方位角)和第三个单独的雷达来实现的，用于确定高度的高度查找。全固态3D主雷达结合了最新的空中和天气监测技术。它提供准确的飞机位置信息，包括飞行高度。即使在极端天气条件、地面杂波和自然或人为干扰下，也能实现这些检测和3D位置估计功能。与更常见的二维雷达不同，3D雷达提供三维雷达覆盖。普通2D雷达提供距离和方位角，而2D雷达提供具有距离和方位角的高程信息。应用包括天气监测、防御和监视。2D雷达：空中监视雷达覆盖雷达周围一定大小

3、的区域内，并且必须侦听回波信号。其天线方向图针对特定任务进行调整。大多数情况下，天线形成旋转的扇形波束或余割方形天线方向图。这种形式的体积扫描称为二维雷达。这种雷达只能测量两个坐标来确定目标的位置。它只能将两架叠加的飞行飞机检测为单个（但随后更大）目标。对于第三个坐标，高度信息（仰角或根据高度计算），在雷达技术开始时（大约第二次世界大战和战后时期），必须组合使用2个雷达。其中一个雷达用作监视雷达，第二个雷达设备专门用作所谓的高度查找器。搜索雷达和高度探测器这两种类型只能测量两个坐标。在这两种情况下,它都是2D雷达设备。在军用雷达使用中，成本因素起着从属作用。但是，空中交通管制中的雷达不能太贵。

4、因此，这里主要只有2D雷达用于空中监视。然后由辅助雷达提供高度信息。如果所有三个空间坐标的测量都是在雷达系统内进行的，则称为3D雷达。3D雷达的一种特殊形式是使用非常窄的铅笔光束的天气雷达。每次扫描旋转后，天线仰角都会改变，以便下一次探测。这种情况将在多个角度重复，以扫描最大范围内雷达周围的所有空气量。对于天线向各个方向旋转和倾斜的完整周期，但最多需要15分钟。这种时间方法不适合空中监视雷达，因为非常快的飞机可以在很短的时间内行驶很远的距离。一架超音速的飞机在这个间隔内行驶了近300公里！在用于空中监视的3D雷达最初是一项大量的技术工作。在3D雷达中，必须并行存在多个接收通道，雷达天线在接收时

5、间内必须部署多个天线方向图。这种雷达，例如中功率雷达（MPR）,今天已不再使用。它巨大的抛物面天线有36个馈电喇叭，并配置总共12个不同的窄天线波束，这些天线波束彼此对齐，所有天线波束都以不同的仰角排列。从情况来看，回波信号在接收通道的哪些通道中进行处理，以及在什么方向上正常显示其波束，雷达处理器会插入接收到的回波信号的精确仰角。根据此仰角和测量的距离计算目标的高度。在传输期间，必须在所有12个方向上同时传输极高的脉冲功率。因此，两种发射器功率放大器都设计为使用脉冲高功率速调管来产生高达20兆瓦的脉冲功率。具有平面或线性相控阵的较旧的3D雷达设备不能同时向观测下的所有方向传输。这是按时间顺序完

6、成的。这些天线只能在有限的旋转角度内扫描空间。这里有两种可能性：天线在方位角旋转并以电子方式扫描仰角，或者有四个平面天线静态分布在一个载波周围，每个天线仅覆盖半球的四分之一部分。这两种变体都允许雷达站点周围的整体覆盖。在这里，雷达仅在某个方向上传输，然后等待来自该方向的回波信号。旋转天线有一个严重的缺点。因为每个仰角都会按时间顺序扫描，所以天线不能旋转得太快，以避免有限的时间预算在侦察中出现空白。然而，使用静态天线的版本在时间调度方面具有优势，几乎四个雷达同时扫描空间。这四个雷达前端是通用雷达数据处理和显示的主题。在这里，雷达系统可以更灵活地运行，并且可以用作多功能雷达。因此，现代雷达始终是多

7、功能雷达。由于利用了数字波束成形的优点和所有接收通道的可能并行数字处理，这一时序问题被完全克服了。但是，在传输期间，必须用脉冲功率照亮整个扫描区域，就像当时的MPR一样。用一个单一的，非常具体的“乌鸦巢天线”，由弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术研究所(FHR)获得专利，可以同时控制雷达站点周围的整个半球。3D气象雷达系统-3D天气雷达使用非常窄的铅笔梁。每次扫描旋转后，天线仰角都会改变，以便下一次探测。这种情况将在多个角度重复，以扫描最大范围内雷达周围的所有空气量。对于天线向各个方向旋转和倾斜的完整周期,但最多需要15分钟。这种时间方法不适合空中监视雷达，因为非常快的飞机可以在很短的时间内行驶很远

8、的距离。一架超音速的飞机在这个间隔内行驶了近300公里！3D防空雷达系统-在三维空中监视中，雷达并行接收多个信道，雷达天线在接收时间内部署多个天线方向图。这种雷达，例如中功率雷达(MPR),今天已不再使用。其巨大的抛物面天线有3个馈电喇叭，并配置了总共36个不同的窄天线波束，这些天线波束彼此对齐，所有天线波束都以不同的仰角排列。根据情况，对接收信道的回波信号进行处理，以及在哪个方向上正常显示其波束，雷达处理器对接收到的回波信号进行精确的仰角插值。根据此仰角和测量的距离计算目标的高度。在传输期间，必须在所有12个方向上同时传输极高的脉冲功率。因此，两种发射器功率放大器都设计为使用脉冲高功率速调管

9、来产生高达12兆瓦的脉冲功率。具有平面或线性相控阵的较旧的3D雷达设备不能同时向观测下的所有方向传输。这是按时间顺序完成的。这些天线只能在有限的旋转角度内扫描空间。这里有两种可能性：天线在方位角旋转并以电子方式扫描仰角，或者有四个平面天线静态分布在载波周围，每个天线仅覆盖半球的四分之一部分。这两种变体都允许雷达站点周围的整体覆盖。在这里，雷达仅在某个方向上传输，然后等待来自该方向的回波信号。旋转天线有一个严重的缺点。由于每个仰角都会按时间顺序扫描，天线不能旋转得太快，以避免有限的时间预算在侦察中出现间隙。然而，使用静态天线的版本在时间调度方面具有优势，几乎四个雷达同时扫描空间。这四个雷达前端是

10、通用雷达数据处理和显示的主题。在这里，雷达系统可以更灵活地运行，并且可以用作多功能雷达。因此，现代雷达始终是多功能雷达。由于利用了数字波束成形的优点和所有接收通道的可能并行数字处理，这一时序问题被完全克服了。但是，在传输期间，必须用脉冲功率照亮整个扫描区域,就像当时的MPR一样。通过弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术研究所（FHR）获得专利的单个非常特殊的“乌鸦巢天线”，可以同时控制雷达站点周围的整个半球。时间有时被定义为第四维度。应用于雷达的目标坐标（方向确定、仰角和倾斜范围），这将是多普勒频率。然而，多普勒频率也是由经典的2D雷达测量的，而不会变异成3D雷达。2.3D激光雷达的现在和未来2.1.

11、描述近年来，激光雷达市场非常活跃，一些参与者在推出汽车级3D激光雷达传感器模块产品方面取得了出色的进展。近期，技术咨询公司IDTeChEX的分析师跟踪了IOO多家开发3D激光雷达传感器模块的公司。经过一段时间的专门研究，IDTeChEX自动驾驶汽车团队的专家分析师发表了一份关于3D激光雷达技术和市场的综合报告，该报告论述了3D激光雷达传感器的现在和未来，以及面临着的挑战。2.2.3D激光雷达领域重量级企业激光雷达（1idar）是一项传感器技术，可使无人驾驶汽车看到世界，做出决策和导航。3D激光雷达系统扫描光束以创建环境的虚拟模型，然后车辆对反射的光信号进行测量和处理，以检测、识别并决定如何与物

12、体互动或避开物体。大多数汽车制造商认为3D激光雷达对于自动驾驶汽车的安全运行至关重要，并已与激光雷达技术供应商合作。最著名的激光雷达玩家是Ve1odyne0这家美国公司于2005年进入激光雷达市场，其标志性的HD1-64旋转机械激光雷达用于自动驾驶汽车。随后，Ve1odyne又开发了PUCkTM产品线,包括适用于不同行业的紧凑型机械激光雷达。当前，VeIodyne正向微型激光雷达阵列（M1A）技术发展，以保持在汽车激光雷达市场的强势地位，这一技术正在超越现有的旋转机械技术。据悉，Ve1Odyne的首个M1A产品VeIarrayTM于2017年发布，紧随其后的Ve1aDomeTM于2019年发布

13、，Ve1arrayTM提供远程目标检测，而VeIaDomeTM专为近距离操作而设计。VeIOdyne最近推出了一款售价100美元的小型激光雷达（Ve1abit）,分别提供60度和10度水平和垂直视场，激光雷达以1020Hz的频率旋转，据称可以看到IOO米以外，反射率为80%。该激光雷达传感器具有与Ve1Odyne最先进的传感器相同的技术和性能，并且有助于各领域开发新应用。该传感器外型紧凑，可嵌入到车辆、机器人、无人机、基础设施，以及其他设备的任何位置,并且易于量产。1eddarTech是激光雷达市场上的另一个大牌企业。虽然1eddarTech提供激光雷达模块，但该公司的核心技术是1eddarE

14、ngineTM片上系统（SoC）和软件，这是该公司长期技术战略的重点。SOC是为TOF激光雷达设计的，可以在主模式或从模式下驱动（如果系统中有另一个主模式，例如MEMS激光雷达），SoC采用25nm技术。1eddarTech公司最近推出了1eddar3D像素闪烁激光雷达模块，该模块为城市环境中的近距离探测和盲点覆盖进行了优化，增强了该公司在自主共享移动市场领域的地位。最后值得一提的是成立于2012年的加州初创公司Quanergy,因开发了世界上第一台面向汽车行业的光学相控阵（OPA）3D激光雷达而声名鹊起，该公司在2016年的估值为10亿美元。不过近年来，QUanergy在汽车行业面临挑战和延

15、误后，将注意力转移到了非汽车市场。当前，QUanergy是否在其OPA系统中做出了正确的技术选择，这是一个重要的问题。2.3.3D激光雷达领域的后起之秀在3D激光雷达领域的后起之秀中，最耀眼的一颗新星是InnOViz。这是一家成立于2016年的以色列初创公司，其目标是开发和商业化基于MEMS反射光束控制的3D激光雷达。该公司将麦格纳国际(MagnaInternatiOnaI)视为其投资者之一，在过去的三年中，Innoviz积累了令人印象深刻的2.52亿美元，并与宝马签订了一份供应InnoViZoneTM的合同，支持2023年宝马生产车辆。InnovizOne定位为基于汽车级微机电系统的激光雷达

16、模块，现在的问题是它是否最终会获得商业上的采用。其次不可不说的一个新玩家：1ivoxo它是由中国著名的无人机制造商DJ1建立的，1iVOX遵循与DJ1相同的策略：提供一个令人信服的价格，促进行业整合。这是一个诱人的战略，因为今天有太多的参与者和技术，而且大多数产品都太贵，只能保证未来的成本降低，他们才能在未来的市场上获得一席之地。1iVOX的40米激光雷达模块，视场38.4度、角分辨率0.05-0.1、射程2600米、80%反射，价格约为550-750美元，主要使用旋转棱镜。2.4.3D激光雷达领域的专利战：因竞争升温的侵权案件IDTeChEX进行了3D激光雷达领域的专利分析，发现开发汽车激光雷达技术的101个研发团队中声明其至少拥有一项相关专利或专利申请。不过，当超过一百家公司声称提供独特的3D激光雷达技术时，专利侵权的投诉是不可避免的。