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1965年11月11日,一架伊爾-28噴氣式轟炸機突然闖入

從戰鬥機上的尖端科技,到5G的重要組分:這塊平板如何改變生活?

F22上的AN/APG-77相控陣雷達 圖片來源:Wikipedia

相控陣雷達是戰鬥機、戰艦、導彈雷達等尖端軍火的寵兒。它是一個密布著天線單元,沒有機械結構,不可轉向的平板,形態和傳統雷達大相徑庭,卻擁有傳統雷達難以比肩的優異性能。而其中運用的相控陣技術,已經在悄無聲息間潛入了香蕉视频官方app入口的生活。

撰文| 王昱

審校| 吳非

小編對於雷達最初的印象,來自於《紅色警戒2》裏蘇聯的那個雷達。

 

就是這個家夥 圖片來源:《紅色警戒2》盟軍戰役第一關

香蕉视频观看无限制版印象中的雷達總有一個曲麵在不停轉動,以此向各個方向發射電磁波,並接收匯聚返回的電磁波,通過時間差判斷目標的方位和距離。隻有機械結構的轉動才能讓雷達接收到不同方向的信號。但是,現代武器裝備中的很多雷達已經不再是這個樣子了——它們變成了一塊塊平板,機械結構消失不見了。

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紅旗12導彈配備的H-200相控陣雷達車 圖片來源:Wikipedia

這種名為相控陣雷達的平板,能避免機械結構帶來的磨損,提高係統可靠性,無疑是一大進步。但是,既然這個平板一樣的雷達不能轉動,它是怎麽像以前的雷達一樣,探測各個方向的電磁波呢?

相位舞者

答案是波的幹涉。就像高中物理課本中說的那樣,當兩個波源發出同頻率的波時,波的空間振幅分布會出現特定的變化。而相控陣增加了波源的數量,可以實現更精細的控製。按照惠更斯原理,波前上每一個點都能看作波源。而相控陣則是反過來,用計算機控製各個單元發射電磁波的相位,將它們重新組合成一束波。這樣,就能控製電磁波的方向。

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圖片來源:Wikipedia

在相控陣雷達工作過程中,無需機械結構,隻需要調整各個天線單元發出電磁波的相位,就能改變發射電磁波的方向,實現多個方向的掃描。同時,因為沒有機械結構存在,方向的變換可以非常快。甚至於給電磁波賦予特殊的形狀,能同時照射多個目標。而將這個過程反過來,對收集到的電磁波信號進行分析,就能知道信號來源的方向。

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相控陣的掃描 圖片來源:Wikipedia

利用多個單元的幹涉來獲取目標性質,其實在射電天文學中也有廣泛的應用。望遠鏡的角分辨率與其口徑有關,而幹涉可以放大望遠鏡的等效口徑。黑洞照片的拍攝就利用了這種技術,天文學家讓全球各地的射電望遠鏡同時對M87中心黑洞進行拍攝,將收集到的信號組合起來後期處理,這個射電望遠鏡陣列的等效口徑甚至可以達到地球直徑級別。正是這種長基線幹涉的技術,能讓人類能拍出黑洞照片。

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圖片來源:EHT Collaboration

當然,這種大規模的陣列使用起來具有諸多限製,相比之下,集成一體的相控陣要靈活得多。相控陣技術讓雷達探測得更遠、更快、更準。不過為了達到軍用目的,相控陣雷達必須以高功率發射和接收電磁波。如果削減相控陣雷達的各項指標、降低成本,相控陣技術也能以較為合理的價格進入香蕉视频官方的生活。實際上,這種昔日用於尖端軍火的先進科技,已經在悄無聲息間潛入了香蕉视频观看无限制版的生活。

潤物細無聲

說到天線,香蕉视频官方app 下载地址熟悉的形象應該是長長的一根線,或者是幾根垂直金屬線組成的架子。現在香蕉视频官方app 下载地址用手機看視頻時,對信息傳輸速率的要求日漸增高。如果你觀察過4G、5G基站,你會發現它們上麵的天線早已不是印象中的樣子了。現在基站上的天線,多是一個長條形的方盒子,好幾個一起掛在高處,每個方盒子朝向不同的方向,這樣的天線正是采用了相控陣技術。

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現在基站天線都是平板狀的

采用相控陣技術後,天線可以將有限的功率聚焦到某個特定的方向發射,這樣就能提高信號強度,從而提高信息傳輸速率。每個天線能覆蓋的範圍有限,所以需要不同方向的多個天線實現全項覆蓋。在5G技術標準中,甚至要求天線對發出的電磁波進行波束賦型,將電磁波分別聚焦給多個用戶,從而實現同時和多個用戶通信,實現大規模MIMO(massive Multiple Input Multiple Output,大規模多進多出)。

其實,現在在售的麵向普通消費者的產品中,已經有一部分用上了相控陣技術。SpaceX公司推出的星鏈項目,除了軌道上數不清的衛星,地麵的接收電線也是係統的一部分。而星鏈給每個用戶配備的天線,外表看上去像一個衛星鍋,但其內部核心接收器件卻是一個相控陣天線。畢竟,星鏈衛星在太空中運動較快,為了保證接收信號的強度,必須時刻調整天線接收方向。如果用傳統的機械結構調整方向,無疑會降低戶外天線的可靠度,長時間使用磨損對指向精度造成的影響也不容忽視。而如果使用相控陣天線,直接用電信號控製天線的接收方向,就能避免這個問題。

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星鏈天線內部結構 圖片來源:Ken Keiter的星鏈天線拆解視頻

從戰鬥機到自動駕駛

以上這些應用都是相控陣雷達削減了部分指標之後,才在生活中鋪開使用的。不過近些年隨著技術不斷的發展,相控陣雷達技術的價格也逐漸降低,相控陣雷達在日常生活中也逐漸成為了可能。其中最常見的應用就是自動駕駛,自動駕駛需要感知外界環境。除了對攝像頭拍攝到的畫麵進行人工智能分析之外,雷達直接獲得的距離信息也是必不可少的。

毫米波雷達會發射毫米級別波長的電磁波,並接收反射的電磁波,從而獲得目標的距離信息。現在汽車上搭載的毫米波雷達中,往往會安裝多個發射天線和多個接收天線,通過不同天線接收到毫米波的相位差確定跟蹤目標的方位。從運作原理上來說,這就是在戰鬥機、防空導彈、驅逐艦上搭載的相控陣雷達,隻不過規格、價格都低了很多。

探測深度信息時,效果最好的還是激光雷達。它可以發射並接收返回的激光,通過時間差直接生成環境點雲數據。換句話說,就是可以直接對觀測區域進行三維建模,其精度和可靠性都是現有探測器中的佼佼者。不過就和香蕉视频官方印象中的一樣,激光的路徑是一條筆直的線,想獲得各個方向的深度信息,必須對激光進行轉向。傳統的轉向依靠機械結構,這也直接導致激光雷達的價格比不少小汽車的還要高。

現在,一些傳感器企業已經開發出了廉價的固態激光雷達技術。固態激光雷達中沒有以往激光雷達所必需的機械組件,而改用光學相控陣,大幅降低了激光雷達的成本。這種從戰鬥機轉為民用的技術,有可能成為未來自動駕駛的關鍵。

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光學相控陣示意圖 圖片來源:Quanergy公司

很多時候,技術的發展其實並沒有轟轟烈烈,隻是“隨風潛入夜,潤物細無聲”。高科技潛入生活給香蕉视频官方帶來便利的過程,一直被封印在黑箱中,香蕉视频官方app入口無需了解它的原理。但哪怕隻是將黑箱打開些許,一窺其中究竟,就會感慨於人類技術的飛速發展。