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63. 6. 3D激光雷达的商业前景能否巩固？ 74. 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（3DELRR）系统104. 3.远程战术范围雷达104. 4.天气雷达105.

2、 5.自主跟踪和搜索雷达101.序言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。

3、2D雷达：空中监视雷达覆盖雷达周围一定大小的区域内，并且必须侦听回保护，从而提高作战人员的生存能力。4. 2.三维远征远程雷达(3DELRR)系统雷神公司的综合防御系统公司已获得52, 686, 179美元的固定价格激励 公司，工程和制造开发(EMD)合同，用于新的远程雷达系统，即三维远征远 程雷达(3DELRR)系统。根据预计将于2020年3月底完成的合同，雷神公司 将提供oDELRRR系统的三个生产代表单元，工作将在马萨诸塞州安多弗进行。 4. 3.远程战术范围雷达英国皇家空军(RAF)将从西班牙公司Indra接收可部署的军用雷达系统， BP Long Tactical Range 25

4、(LTR25)。Indra是从潜在供应商名单中选出的。先 进的远程防空可部署雷达系统预计将于今年年底交付。LTR25可部署军用雷达 系统是Indra开发的Lanza 3D雷达系列的一部分，以其远程探测能力，快速部 署和易于运输而闻名。该雷达可以在洛克希德C-130大力神等飞机上运输。英 国皇家空军可以使用该系统在国家领土之外进行部署，以“一次性”加强对特 定区域的监视。此外，LTR25可以作为备份，以防其中一个固定雷达受到攻击 或损坏。4. 4.天气雷达最大风暴：无论是直播还是跨数字平台，Max Storm都旨在为您的团队提 供令人惊叹的可视化、准确的天气数据和简化的工作流程，这对于恶劣天气报

5、 道至关重要。使用3D天气雷达和图像近乎实时地将观众带入风暴中，或在移 动设备上吸引观众，同时推广您的直播。有了 Max Storm,可能性是无穷无尽的。 4. 5.自主跟踪和搜索雷达SMART-L是泰雷兹集团制造的3D多波束雷达，用于提供远程空中和地面 监视和目标指定。全数字控制的有源电子扫描阵列(AESA)雷达。所应用的高 端技术使雷达具有无与伦比的2000公里远程性能。在这个巨大的范围内，它可 以探测到各种各样的目标：吸气目标、隐形目标和弹道导弹。它可以安装在陆 地位置，海上，也可以作为可部署的防空雷达使用。SMART-L MM独立寻找弹 道导弹型目标。快速跟踪启动后，弹道目标轨道保持到

6、顶峰。通过应用前向/后 向扫描和凝视模式，弹道导弹的探测范围显着提高，从而增加了观察时间。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

7、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。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

8、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

9、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

10、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

11、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！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

12、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

13、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

14、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.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 100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.

15、3D激光雷达领域重量级企业激光雷达（Lidar）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Velodyne。这家美国公司于2005年进入激光雷 达市场，其标志性的HDL-64旋转机械激光雷达用于自动驾驶汽车。随后， Velodyne又开发了 Puck 1乂产品线，包括适用于不同行业的紧凑型机械激光雷达。 当前，Velodyn

16、e正向微型激光雷达阵列（MLA）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，Velodyne的首个MLA产品VelarrayTM于2017年发布，紧随其后的 VelaDome 于2019年发布,Velarray 丁”提供远程目标检测,而VelaDome 专 为近距离操作而设计。Velodyne最近推出了一款售价100美元的小型激光雷达（Velabit）,分别 提供60度和10度水平和垂直视场，激光雷达以10-20HZ的频率旋转，据称可 以看到100米以外，反射率为80%。该激光雷达传感器具有与Velodyne最先 进的传感器相同的技术和性能，并且有

17、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。LeddarTech是激光雷达市场上的另一个大牌企业。虽然LeddarTech提供 激光雷达模块，但该公司的核心技术是LeddarEngineTM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。LeddarTech公司最近推出了 Ledda/M 3D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

18、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

19、光雷达。该公司将麦格纳国际(Magna International)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2021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：Livoxo它是由中国著名的无人机制造商DJI 建立的，Livox遵循与DJI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，

20、他们才能在未来的市场上获得一席之地。 Livox的40米激光雷达模块，视场38.4度、角分辨率、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。2019年，LeddarTech报告称，他们成功地捍卫了 72项激光雷达技术专利 中的一项，并与加拿大同行Phantom Intelligence公

21、司抗衡。虽然和解的细节是 保密的，但这起侵权案件导致Phantom Intelligence公司成为莱达泰克的客户。在2019年8月，Velodyne对两名中国竞争对手RoboSense和Hesai提起 了专利侵权诉讼。Velodyne的投诉与他们流行的Puck1乂产品线有关，该产品 线申请的一项美国专利(US7969558)涵盖了“环绕视图”激光雷达结构，该结构 包括多个激光二极管和由电机旋转的外壳内的光电探测器。而RoboSense和 Hesai都提供类似的旋转机械激光雷达，这两个竞争对手已经进口到美国并开始 销售。2. 5. 3D激光雷达模块量产之路：汽车一级供应商进场成功与全球汽车制造

22、商签订合同的激光雷达公司会怎么样？主要汽车原始 设备制造商更愿意通过可信的一级合作伙伴为其自主生产的汽车获得激光雷达 技术。汽车行业的总体趋势是一一二级供应商开发新的激光雷达技术，而一级供 应商则优化这些产品以实现大批量生产。例如，Valeo Scala技术最初由Ibeo Automotive Systems GmbH开发，Valeo将Ibeo的激光雷达开发为奥迪的量产 传感器。同样，Innoviz与加拿大一级供应商麦格纳合作，麦格纳将向宝马交付 汽车级激光雷达模块。另外，Ibeo正在开发一种905nm的ToF激光雷达，它使用SPAD探测器， 需要多次测量来建立图像，但会发出数字信号。他们的设

23、计包括VCSEL阵列和 SPAD阵列（12800像素和发射器）。它们有三个asic,允许它们控制系统并在 VCSEL上生成特定的图案，而无需闪烁整个场景，这使得他们能够将射程提高 到250米，即使系统架构和组件类似于闪光激光雷达，集成电路的放置和组装 也相对简单，自动化程度高。一般来说，这使它们处于一个很好的成本降低路 径，这可能意味着缺乏扫描机制可以通过多个激光雷达进行补偿。他们正与投 资者 ZF Friedrichshafen AG 合作。然而，少数一级供应商和汽车原始设备制造商开发了自己的激光雷达技术。 IDTechEx采访了德国一级供应商大陆集团，了解HFL110 3D闪光激光雷达的开

24、 发进展，该产品建立在他们在高级驾驶员辅助系统（ADAS）方面的专业知识 之上。大陆集团预计，在未来十年的下半年，3D激光雷达在汽车市场的应用将 加速。2.6. 3D激光雷达的商业前景能否巩固？根据IDTechEx开发的市场模型预计可知，未来十年内无法出现一种成功的 激光雷达技术。理想的3D激光雷达技术取决于车辆类型、自主水平和典型的工 作条件。根据IDTechEx计算的市场预测，到2030年，全球3级以上自动驾驶车辆 的3D激光雷达市场将增长到54亿美元，MEMS激光雷达在这段时间内成为最 大的市场细分市场。这并不是说MEMS面临没有挑战，因为他们还面临尺寸、 谐振频率和反射镜角度等方面如何

25、达到平衡的挑战。自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来，传感器专家网一直密切关注疫情进展, 根据国家及地方政府的最新调控与安排，为更好的服务相关企业，在疫情期间, 传感器专家网免费发布企业相关文章，免费成为传感器专家网认证作者，请点 击认证，大家同心协力，抗击疫情，为早日打赢这场防控攻坚战贡献自己的一 份力量。3. 3D雷达技术的类型3. 1. 3D铅笔束技术3D雷达是一种“铅笔束”雷达。这种“铅笔型”高增益波束通过相位控制 瞄准多个发射/接收指向高度，同时天线在方位角上机械旋转。每个波束都可以 配置最合适的脉冲数、脉冲能量、仪器范围和处理类型，同时考虑到所需的仪 器覆盖范围和光束覆盖的高程体积杂波特

26、征。检测得到改善，因为它只能受到指向飞机的光束中存在的杂波或干扰的影 响。高仰角波束几乎没有表面杂波，这使得飞机探测比传统的二维雷达更可行。 2D雷达系统提供飞机高度数据，无需它们的合作。平面阵列天线和分布式固态设计：它基于由垂直堆叠的水平线性阵列组成的平面阵列天线。由模块化固态发射器和接收器驱动，以电子方式合成具有窄 波束宽度的发射/接收天线方向图，包括方位角和仰角。3. 2.单脉冲技术3D雷达的另一个特点是通过使用单脉冲技术实现飞机方位角的高精度和高 分辨率。该技术基于通过和型和差型两种天线模式同时接收信号，也用于飞机 高度估计，这是飞机高度计算的第一步。通过使用相位调制波形和极低的旁瓣电

27、平滤波器响应，通过数字脉冲压缩 获得范围精度和分辨率。4. 3.频率分集3D雷达是一种双频雷达，同时具有两个频率通道。此功能提供了更好的检 测和精度性能，特别是对于小型飞机和干扰条件。抗杂波功能-通过使用MTD或MTI处理，可以检测沉浸在地形或天气杂 波中的飞机。低径向速度的飞机也可以通过无杂波高仰波束或低仰角梁进行检 测，后者基于杂波图检测技术提供超杂波能见度。5. 3D雷达的未来趋势预计到3年，1D雷达市场将增长到775亿0, 2022万美元，从20年到36 年的复合年增长率为2019.2022%o采用最先进技术的近区域检测-德国公司InnoSenT开发了一种新的近距离 雷达解决方案。iS

28、YS-5005产品采用复杂的24 GHz MIMO雷达技术和先进的信 号处理技术，具有可靠和精确的检测效果。该产品具有雷达跟踪等新功能，并 确定全面的目标信息。近距离传感器的设备首次可用于安全系统和自动门控制。 4.1.适应性强的多任务雷达诺斯罗普格鲁曼公司(Northrop Grumman Corporation)在佛罗里达州 埃格林空军基地展示了其移动高度适应性多任务雷达(HAMMR)系统，该系统 针对美国陆军的目标无人机.HAMMR是一种中短程X波段三维(3D)雷达，利 用经过验证的有源电子扫描阵列(AESA) AN/APG-83 F-16战斗机雷达在地面移 动中发挥作用。HAMMR在3度或仅扇区凝视模式下为空中监视、武器提示和 反火力目标获取任务提供多任务360D性能。HAMMR能够在移动中提供部队