Praktische digitale Breitband-Strahlformung für große Arrays in Radaranwendungen

Ich verstehe die Mathematik hinter digitalem Beamforming, bin mir aber nicht sicher, wie solche Systeme praktisch implementiert werden. Beispielsweise kann in einem typischen Breitband-FMCW-Radar, das im S-Band arbeitet, die (Basisband-) Impulsbandbreite bis zu 500 MHz betragen. Um dieses Signal zu digitalisieren, benötigen Sie Hochgeschwindigkeits-ADCs, normalerweise eine Abtastfrequenz von 1 GHz. Soweit ich weiß, sind diese ADCs nicht billig.

Wenn Sie beispielsweise ein URA (Uniform Rectangular Array) mit 20 Antennenelementen haben, müssen Sie Ihr RF-Frontend 20 Mal replizieren! Dieses RF-Frontend enthält normalerweise einen LNA, einen Mixer und den Hochgeschwindigkeits-ADC.

Darüber hinaus ist die schiere Datenmenge, die durch das obige System erzeugt wird, enorm und erfordert viel Speicher und Rechenleistung.

Meine Fragen sind also:

1. Gibt das obige Szenario wieder, wie praktische Strahlformungssysteme implementiert sind, oder ist es zu naiv? Vermisse ich hier etwas Grundlegendes?
2. Gibt es Hardware- / Signalverarbeitungstricks, die dazu beitragen können, die Hardware- oder Verarbeitungsanforderungen in solchen Systemen zu reduzieren?

Vielen Dank

Ich habe noch nie am Design solcher Systeme gearbeitet, aber ich denke, Ihre Vorstellungen sind auf dem Geld. Insbesondere haben Beamforming-Arrays HF-Frontends, die viele Male repliziert werden. Die Komplexität heutiger Phased-Array-Radargeräte ist in dieser Hinsicht erstaunlich. Es gibt Designs mit Hunderten von einzelnen Antennenelementen mit beeindruckender Steuerung der Array-Antwort unter Verwendung verschiedener Signalverarbeitungstechniken.

Und wie Sie vermutet haben, ist ein solcher Ansatz nicht billig. ADCs der Gigasample-Klasse sind im Handel im Bereich von wenigen Tausend US-Dollar erhältlich, aber es ist möglich, dass die kundenspezifischen HF-Frontends mit geringer Menge, die in solchen Systemen verwendet werden, diese Kosten in den Schatten stellen. Trotzdem werden Radargeräte mit dieser Fähigkeit häufig als Subsysteme in sehr teuren größeren Systemen (wie einem Kampfjet mit einem Wert von mehreren hundert Millionen Dollar) verwendet.

Was die digitale Signalverarbeitung im Backend angeht, ist dies ein ziemlich ausgereifter Markt, der sich in den letzten Jahrzehnten entwickelt hat. Das Hauptziel ist die Verarbeitungsdichte: die maximale Anzahl von FLOPS auf das kleinste Volumen zu bringen. Schließlich werden solche Radargeräte häufig in Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen wie Flugzeugen eingesetzt. Daher wird ein Großteil der Verarbeitung auf benutzerdefinierten FPGAs und / oder Single-Board-Computern ausgeführt, die kompakt in standardisierte Gehäusebaugruppen (wie VPX oder CompactPCI ) gestapelt werden können .

okay - ich denke, die Technik, nach der ich gesucht habe, ist die Formulierung einer synthetischen Apertur wie bei Synthetic Aperture Radar (SAR). Der "Trick" im allgemeinen Fall, wenn statische Ziel- und Radarplattformen beteiligt sind, wäre wahrscheinlich, dass alle Array-Elemente physisch vorhanden sind, im Gegensatz zu herkömmlicher SAR, bei der die Plattformbewegung verwendet wird, um eine wirklich große Apertur zu synthetisieren. Mithilfe der HF-Umschaltung zur Simulation der Plattformbewegung können SAR-Daten nacheinander erfasst und bekannte SAR-Techniken angewendet werden, um die gewünschte Leistung, dh eine feine Winkelauflösung, zu erzielen.

Der "Haken" in diesem Fall ist die zusätzliche Zeit, die für die SAR-Datenerfassung im Vergleich zu einem vollwertigen digitalen Strahlformer erforderlich ist. Eine andere ist, dass diese Technik für Beamforming-on-Receive-Only-Szenarien gültig sein kann.

Solange Sie einen Kunden haben, der die ASIC-Kosten übernimmt, dh etwa 25 Millionen US-Dollar für das NRE-Design, können Sie alle 20 Frontends, ADCs und digitale Strahlformungsarithmetik auf einem CMOS-Chip von DC bis 100 GHz für weniger als 20 US-Dollar wiederkehren Kosten