相控阵雷达全极化技术的应用

相控阵雷达全极化技术的应用

相控阵雷达全极化技术的应用极化（也称偏振）作为电磁波的本质属性，是幅度、频率、相位以外的重要基本参量，描述了电磁波的矢量特征，即电场方向在传播截面上随时间变化的轨迹特性，改变雷达发射天线的极化方向就可以改变电磁波的极化方式。极化一般分为线极化、椭圆极化、圆极化，其中线极化又分为两个方向的极化，即水平极化和垂直极化。全极化是前述各种极化方式的综合。雷达天线极化方式不同，会导致目标反射回波的幅度和相位特性不同，进而影响雷达的探测灵敏度。一般而言，对于不同功能需求、应用背景和技术特点的雷达系统，会采用不同的极化测量体制。雷达极化技术近年来受到较多关注和发展，为提高雷达的技术性能指标创造了较大的空间。一方面，雷达对多个极化通道的回波信号进行虚拟匹配或失配处理，可以提高雷达对信号环境、地物海杂波的感知和抑制能力，提高检测性能；另一方面，通过目标全极化测量技术，可以获得目标完整的极化散射矩阵，包括幅度特性和相位特性，进而还可以提取反射率、差分反射率、差分相移、差分相移率等，这些信息的进一步利用为目标识别提供了更加全面、丰富的信息，有助于提升目标的正确识别概率。采用全极化设计的有源相控阵雷达有助于提高相控阵雷达对反射率弱的目标和多样化目标的探测和跟踪，获得更高的数据率和更多的目标信息，适应更复杂的环境，对提高雷达目标的探测和参数估计性能具有重要作用，在气象观测、对地遥感侦察和防空反导等领域得到了广泛应用。在雷达气象学的应用研究中，由于不同极化特征在复杂云雨雾自然条件下的传输情况有不同，在某些气象条件下，单极化（单偏振）气象雷达已不适合于对环境复杂地区气候的测量，采取全极化技术的双极化（双偏振）有源相控阵雷达可以加强气象雷达的精细化探测能力。在气象探测领域，单极化（单偏振）雷达的工作原理是：大尺寸的雨滴在下落过程中受到阻力使得雨滴形状发生变形，形变后的雨滴呈现扁平，这使得水平极化电磁波的散射能力增强，雷达根据电磁波的后向散射截面大小计算降水强度。但对于实际情况的降水而言，除了纯雨滴外还会存在冰雹、雪等其他固态降水粒子，单一极化的电磁波不易根据散射能力区分不同相态的降水粒子。双极化（双偏振）雷达与目前常用的单极化（单偏振）雷达相比，能够获取降水粒子的形状、尺寸大小、相态分布、空间取向以及降水类型等更为详细的信息，有助于提高预警的准确性、定量估测降水的精度和雷达探测数据的质控能力。中国民用雷达行业发展历程民用雷达领域，尤其是气象雷达和空管雷达，是我国上世纪80年代末90年代初刚刚起步的新兴产业。脉冲多普勒天气雷达、近程和远程交通管制雷达、着陆雷达和成像雷达等一批新型雷达研制成功。随着现代电子技术和我国国民经济的快速发展，雷达产品在国民经济建设中的应用领域不断扩大，市场需求稳步增长。中国民用雷达产业的发展大致经历了四个阶段。目前正在不断追赶国际领先水平，加速产品国产化。经过多年发展，我国已发展成为雷达大国和雷达强国，在三坐标雷达、低空雷达、机载预警雷达、数字阵列雷达、相控阵雷达、精确跟踪雷达等领域进入国际先进行列。中国气象雷达发展现状截至2016年底已经完成了全国233部新一代天气雷达建设，基本建成了全国新一代天气雷达网。根据数据显示，到2020年，中国新一代天气雷达数量将达到270部。预计未来随着气象雷达技术的发展，未来保有量将会继续呈现上涨趋势。中国毫米波雷达行业现状分析毫米波雷达已广泛应用于汽车的ADAS系统，近年来，汽车智能化发展改革不断推进，毫米波雷达已成为汽车标配硬件，单车搭载毫米波雷达数量不断增多，带动整个毫米波雷达出货量高速增长。2021年我国毫米波雷达出货量已达2000万颗，同比增幅超40%。未来随着智能汽车的继续发展，毫米波雷达出货量将不断扩大，2026年出货量有望超7000万颗。毫米波雷达出货量不断增加拉动行业市场规模持续扩张，我国毫米波雷达市场规模由2018年的31亿元增加至2021年的69亿元，其中汽车领域市场规模为56亿元，未来毫米波雷达市场规模有望进一步扩张，预计2026年市场规模将接近200亿元。毫米波雷达hy产业链结构根据数据显示，气象雷达产业链结构较为清晰。气象雷达产业链上游为零部件供应商，主要为天线、发射机、信号处理机、数据处理机、显示器等；产业中游为气象雷达设备、产业链下游主要应用于气象站检测。气象雷达下游应用领域主要为气象站检测，根据数据显示，天气雷达观测业务站点数量逐年上涨，从2014年的212个上涨至2021年的303个。随着天气雷达观测业务站点数量的增多，对气象雷达的需求也随之上涨。未来中国气象雷达发展趋势随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，气象灾害造成的经济损失和社会影响越来越大，气象灾害的社会敏感性越来越高，气象监测预报对气象雷达发展提出了更加迫切的需求。新一轮科技革命和产业变革不断兴起，极大推进信息技术创新应用的快速深化，也进一步推动了雷达等大型技术装备的高效应用，将为气象雷达发展提供更加有力的支撑。有源相控阵雷达行业发展历程分析总体而言，从20世纪30年代雷达诞生开始，雷达的发展大致经历了四个发展阶段，而雷达技术的更新换代裹挟着有源相控阵雷达的发展。20世纪60年代，传统机械扫描雷达过渡到相控阵雷达，随后相控阵雷达从20世纪70年代开始被大量投入使用，期间经历了从无源相控阵雷达到有源相控阵雷达技术的迭代，直至目前，下一代数字阵列相控阵雷达尚处于研究发展阶段，而数字阵列技术的研究也进一步推动了有源相控阵雷达技术的进步。毫米波雷达行业集中度较高由于技术水平较落后与国外技术封锁，我国毫米波雷达发展起步较晚，2015年产业开始起步，经过多年的发展，技术水平取得了较大进展，2018年我国已有少数几家企业具备了24GHz毫米波雷达量产能力，2019年，随着搭载了森思泰克77GHz车载毫米波雷达的红旗HS5正式上市，国内首个真正实现上路的ADAS毫米波雷达传感器诞生。但目前我国技术水平与生产能力相较于欧美日等国，有较大差距，仍处于追赶阶段。目前我国企业研发由24GHz波雷向着77GHz波雷迈进，而国外企业已开始量产4D毫米波雷达并着手研发4D成像毫米波雷达，大陆集团、采埃孚等企业已实现4D成像毫米波雷达量产，2020年大陆集团发布了ARS540，并在2021年实现量产，成为全球首个量产的4D成像毫米波雷达。2022年9月，上汽飞凡旗下R7正式上市，宣布搭载了采埃孚Premium4D成像雷达，最大探测距离可达350m。我国毫米波雷达行业集中度较高，被国外企业占据绝对的主导地位，2021年博世、大陆集团、安波福、Veoneer、海拉五家企业占据了我国毫米波雷达84%的市场份额，其中博世占比32．3%，大陆集团占比23．9%。前向雷达由于涉及控制功能和功能安全，行业集中度更高，博世、大陆集团、电装三家公司分别占据了38．4%、36．1%、13．3%的市场份额，合计占比87．8%。在角雷达领域，前三企业分别为博世、大陆集团、安波福，合计占比达60%。国内供应商市场份额较小，但近年来，随着辅助驾驶的火热发展，越来越多的企业开始布局该领域，截至2022年9月底，我国毫米波雷达供应商约有200余家，绝大部分供应商成立于2015年。行业广阔的前景正不断吸引新入局者加入毫米波雷达赛道竞争中，未来国产企业将不断发力毫米波雷达，加大研发力度，加快技术突破，加速实现。中国有源相控阵雷达产业布局相控阵T/R组件是相控阵雷达最核心的元器件，决定了相控阵雷达的探测能力，一部有源相控阵雷达中天线微系统成本占比可达到50%-60%，目前，国内具备有源相控阵研制量产能力的企业主要为大型集团下属单位和民营供应商，如中电科13所、雷电微力等。市场存在较高的技术壁垒和资质壁垒，总体参与企业数量较少，主要产品和应用场景差异也较明显，因此该市场竞争较为缓和。随着我国自动驾驶发展逐渐完善，自动驾驶汽车升级加速，在高等级自动驾驶离不开激光雷达这一认知下，激光雷达将迎来放量增长。预计未来3年激光雷达将伴随未来自动驾驶等级的提高，以及世界范围在高等级自动驾驶离不开激光雷达这一观点认知的逐步统一中实现产业的飞速发展。激光雷达产业链上游包括激光器、探测器、FPGA、模拟芯片、光学部件等；中游为激光雷达和软件系统；下游应用于汽车、机器人、工业、测绘等领域。中国激光器行业发展迅速、竞争优势明显。在全球激光器市场中所占的比重也持续提升，中国激光器市场规模2020年达到109．1亿美元，占全球激光器市场66．12%的份额。预计2022年市场规模将进一步增长，达到147．4亿美元。FPGA的应用场景较多，被广泛用于5G通信、人工智能、工业、数据中心等领域。受市场需求影响，中国FPGA市场规模快速增长，由2017年的80亿元快速增长至2021年约175亿元，年均复合增长率达21．61%，预计2022年将达190亿元。中国模拟芯片市场规模在全球范围占比达50%以上，是全球最主要的模拟芯片消费市场，且增速高于全球模拟芯片市场整体增速。中国模拟芯片市场规模在2016年至2020年年复合增长率约为5．8%，2020年市场规模约2503．5亿元。随着新技术和产业政策的双轮驱动，未来中国模拟芯片市场将迎来发展机遇，预计2022年将达2956．1亿元。激光雷达应用领域广泛，可应用于无人驾驶、高级辅助驾驶、服务机器人和智慧城市等各个领域。随着智能化技术的持续突破和升级，受无人驾驶车队规模扩张、高级辅助驾驶中激光雷达应用渗透率提升、以及服务型机器人及智能交通建设等领域需求的推动，预计激光雷达市场规模将实现快速扩容。2021年全球激光雷达市场规模达到20亿美元，同比增长100%，预计2022年全球激光雷达市场规模将