从战斗机上的尖端科技,到5G的重要组分:这块平

 常见问题     |      2016-01-10

  F22上的AN/APG-77相控阵雷达 图片Wikipedia

  相控阵雷达是战斗机、战舰、导弹雷达等尖端军火的宠儿。它是一个密布着天线单元,没有机械结构,不可转向的平板,形态和传统雷达大相径庭,却拥有传统雷达难以比肩的优异性能。而其中运用的相控阵技术,已经在悄无声息间潜入了我们的生活。

  撰文| 王昱

  审校| 吴非

  小编对于雷达最初的印象,来自于《红色警戒2》里苏联的那个雷达。

  就是这个家伙 图片《红色警戒2》盟军战役第一关

  我们印象中的雷达总有一个曲面在不停转动,以此向各个方向发射电磁波,并接收汇聚返回的电磁波,通过时间差判断目标的方位和距离。只有机械结构的转动才能让雷达接收到不同方向的信号。但是,现代武器装备中的很多雷达已经不再是这个样子了——它们变成了一块块平板,机械结构消失不见了。

  红旗12导弹配备的H-200相控阵雷达车 图片Wikipedia

  这种名为相控阵雷达的平板,能避免机械结构带来的磨损,提高系统可靠性,无疑是一大进步。但是,既然这个平板一样的雷达不能转动,它是怎么像以前的雷达一样,探测各个方向的电磁波呢?

  相位舞者

  答案是波的干涉。就像高中物理课本中说的那样,当两个波源发出同频率的波时,波的空间振幅分布会出现特定的变化。而相控阵增加了波源的数量,可以实现更精细的控制。按照惠更斯原理,波前上每一个点都能看作波源。而相控阵则是反过来,用计算机控制各个单元发射电磁波的相位,将它们重新组合成一束波。这样,就能控制电磁波的方向。

  图片Wikipedia

  在相控阵雷达工作过程中,无需机械结构,只需要调整各个天线单元发出电磁波的相位,就能改变发射电磁波的方向,实现多个方向的扫描。同时,因为没有机械结构存在,方向的变换可以非常快。甚至于给电磁波赋予特殊的形状,能同时照射多个目标。而将这个过程反过来,对收集到的电磁波信号进行分析,就能知道信号来源的方向。

  相控阵的扫描 图片Wikipedia

  利用多个单元的干涉来获取目标性质,其实在射电天文学中也有广泛的应用。望远镜的角分辨率与其口径有关,而干涉可以放大望远镜的等效口径。黑洞照片的拍摄就利用了这种技术,天文学家让全球各地的射电望远镜同时对M87中心黑洞进行拍摄,将收集到的信号组合起来后期处理,这个射电望远镜阵列的等效口径甚至可以达到地球直径级别。正是这种长基线干涉的技术,能让人类能拍出黑洞照片。

  图片EHT Collaboration

  当然,这种大规模的阵列使用起来具有诸多限制,相比之下,集成一体的相控阵要灵活得多。相控阵技术让雷达探测得更远、更快、更准。不过为了达到军用目的,相控阵雷达必须以高功率发射和接收电磁波。如果削减相控阵雷达的各项指标、降低成本,相控阵技术也能以较为合理的价格进入我们的生活。实际上,这种昔日用于尖端军火的先进科技,已经在悄无声息间潜入了我们的生活。

  润物细无声

  说到天线,我们熟悉的形象应该是长长的一根线,或者是几根垂直金属线组成的架子。现在我们用手机看视频时,对信息传输速率的要求日渐增高。如果你观察过4G、5G基站,你会发现它们上面的天线早已不是印象中的样子了。现在基站上的天线,多是一个长条形的方盒子,好几个一起挂在高处,每个方盒子朝向不同的方向,这样的天线正是采用了相控阵技术。

  现在基站天线都是平板状的

  采用相控阵技术后,天线可以将有限的功率聚焦到某个特定的方向发射,这样就能提高信号强度,从而提高信息传输速率。每个天线能覆盖的范围有限,所以需要不同方向的多个天线实现全项覆盖。在5G技术标准中,甚至要求天线对发出的电磁波进行波束赋型,将电磁波分别聚焦给多个用户,从而实现同时和多个用户通信,实现大规模MIMO(massive Multiple Input Multiple Output,大规模多进多出)。

  其实,现在在售的面向普通消费者的产品中,已经有一部分用上了相控阵技术。SpaceX公司推出的星链项目,除了轨道上数不清的卫星,地面的接收电线也是系统的一部分。而星链给每个用户配备的天线,外表看上去像一个卫星锅,但其内部核心接收器件却是一个相控阵天线。毕竟,星链卫星在太空中运动较快,为了保证接收信号的强度,必须时刻调整天线接收方向。如果用传统的机械结构调整方向,无疑会降低户外天线的可靠度,长时间使用磨损对指向精度造成的影响也不容忽视。而如果使用相控阵天线,直接用电信号控制天线的接收方向,就能避免这个问题。

  星链天线内部结构 图片Ken Keiter的星链天线拆解视频

  从战斗机到自动驾驶

  以上这些应用都是相控阵雷达削减了部分指标之后,才在生活中铺开使用的。不过近些年随着技术不断的发展,相控阵雷达技术的价格也逐渐降低,相控阵雷达在日常生活中也逐渐成为了可能。其中最常见的应用就是自动驾驶,自动驾驶需要感知外界环境。除了对摄像头拍摄到的画面进行人工智能分析之外,雷达直接获得的距离信息也是必不可少的。

  毫米波雷达会发射毫米级别波长的电磁波,并接收反射的电磁波,从而获得目标的距离信息。现在汽车上搭载的毫米波雷达中,往往会安装多个发射天线和多个接收天线,通过不同天线接收到毫米波的相位差确定跟踪目标的方位。从运作原理上来说,这就是在战斗机、防空导弹、驱逐舰上搭载的相控阵雷达,只不过规格、价格都低了很多。

  探测深度信息时,效果最好的还是激光雷达。它可以发射并接收返回的激光,通过时间差直接生成环境点云数据。换句话说,就是可以直接对观测区域进行三维建模,其精度和可靠性都是现有探测器中的佼佼者。不过就和我们印象中的一样,激光的路径是一条笔直的线,想获得各个方向的深度信息,必须对激光进行转向。传统的转向依靠机械结构,这也直接导致激光雷达的价格比不少小汽车的还要高。

  现在,一些传感器企业已经开发出了廉价的固态激光雷达技术。固态激光雷达中没有以往激光雷达所必需的机械组件,而改用光学相控阵,大幅降低了激光雷达的成本。这种从战斗机转为民用的技术,有可能成为未来自动驾驶的关键。

  光学相控阵示意图 图片Quanergy公司

  很多时候,技术的发展其实并没有轰轰烈烈,只是“随风潜入夜,润物细无声”。高科技潜入生活给我们带来便利的过程,一直被封印在黑箱中,我们无需了解它的原理。但哪怕只是将黑箱打开些许,一窥其中究竟,就会感慨于人类技术的飞速发展。