湖北省重点实验室:雷达与无线通信技术重点实验室

  • 发布时间:[2016-10-17] 来源:[学院] 点击量:[6803]
      湖北省雷达与无线通信技术重点实验室依托武汉大学,成立于2004年。实验室以优秀的国家重点实验室为目标,充分利用学校学术交流的优势与国际接轨,实行“开放、流动、联合、竞争”及资源共享的建设方针。实验室下设电波传播研究室、激光雷达研究室、信号处理研究室、无线通信研究室、集成电路研究室、模式识别研究室、EDA与DSP实验室,另外设置仪器设备管理中心和办公室负责日常工作。
      实验室涵盖电子科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、仪器科学与工程、无线电物理、空间物理与探测技术、光学工程等学科。现有固定研究人员47人,其中高级职称43人,41人具有博士学位,辅助管理人员4人。教育部创新团队1个,湖北省创新团队1个,教育部长江学者特聘教授2人,国家杰出青年科学基金获得者4人,教育部新世纪人才1人,教育部跨新世纪优秀人才1人,湖北省突出贡献专家多人。
      本实验室经过世界银行贷款、“211工程”、“985工程”,教育振兴行动计划等项目的建设,已拥有一批精度较高、性能优良的仪器设备,初步建成高频雷达实验基地,珞珈山激光雷达探测基地,半边山电离层斜向返回探测站、江汉平原电离层无线电诊断网,数据处理计算和模拟中心等。实验条件达到国内先进水平。目前拥有实验室面积约3560m2,户外实验场地约2000 m2,仪器设备总值约4600万元人民币。具备雷达与无线通信技术理论研究,系统设计、研制和开发的软硬件条件。
      实验室总体定位是:瞄准本领域发展前沿,围绕雷达与无线通信技术的新概念、新方法、新理论和新技术,进行以应用基础和高技术创新为目的的研究,为湖北省和国家的社会发展、经济建设和科技进步服务。其发展目标是:经过若干年努力,使实验室成为本领域集应用基础和高新技术研究、关键设备研制开发、高级人才培养、高技术产业孵化为一体的重要基地,科技创新水平和人才培养质量居国内前列,若干研究领域居国内领先水平。

实验室的主要研究方向:
      研究方向1:电波传播理论与天线技术。主要研究雷达与无线通信中的电波传播及应用、电磁波与物质相互作用及信息获取的新理论和新方法、电磁波工程及特种用途天线等,为复杂系统、复杂目标探测与识别提供理论基础。
      研究方向2:雷达工程及信息获取技术。研究软件无线电技术、雷达硬件平台及波形设计、雷达信号处理、抗干扰技术;发展中频雷达、高频雷达系列、激光雷达系列、探地雷达等,推进成果的产业化和示范应用。
      研究方向3:无线(含激光)通信技术。重点开展激光通信技术、传感器网络及其环境监测技术、卫星导航定位及干扰与抗干扰技术、海量数据处理与传输技术、移动通信信道优化和管理等研究。
      研究方向4:射频与专用集成芯片设计。重点研究基于电磁场理论的射频/微波集成电路中的全波电磁仿真、建模与综合设计技术,特种功能微处理芯片的设计理论、方法和实现技术。

实验室近年主要研究工作及成果
      2005年以来,实验室在电波传播理论与应用、雷达探测系统与技术、雷达信号处理、射频与集成电路设计等领域共承担包括国家“973”子课题3项,国家重大科学工程(子午工程)子项目1项,国家“863”计划重大课题3项、重大子课题6项、探索类课题8项,国防“863”课题7项、子课题6项,国家自然科学基金重点项目3项、杰出青年基金3项、面上项目55项,国防重点研究项目16项等在内的一批国家重大和重点课题,实验室总经费达到12144余万。获教育部和湖北省创新团队各1项,获得国家发明专利35项、实用新型专利(含软件著作权登记)66项,鉴定(含验收)成果27项,在国际重要学术期刊(IEEE、Radio Science、Applied Optics、Journal of Geophysical Research)等国际重要发表论文75篇,获省部级奖3项。高频雷达及其监测技术、激光雷达及其监测技术的研究处于国内领先水平,达到国际同类技术的先进水平;在合成孔径雷达信号处理、无线传感器网络及其应用、激光通信技术、激光雷达测高技术、卫星导航干扰和抗干扰技术、海量数据处理与传输、复杂系统和复杂目标电磁散射特性等研究处于国内先进水平。
      在实验室一系列创新研究的支撑下,国家重点学科无线电物理成为湖北省优势学科,国家重点培育学科空间物理学成为湖北省特色学科,信息与通信工程成为湖北省一级重点学科,通信工程和电子信息科学与技术本科专业分别成为国家第二类和第一类特色专业,电波传播与天线本科专业入选国防重点建设特色专业,为湖北省和国家培养了一大批高层次人才。高频地波雷达、激光雷达、特种天线系统、海量数据处理与传输系统等实现了产业化,为国家和湖北省经济建设做出了重要贡献,特别是在国防安全领域发挥了重要作用。

代表性研究成果介绍
      1)高频地波雷达海洋环境监测技术
      高频地波雷达作为海洋环境监测的一种重要高新技术手段,“十五”期间,实验室承担了国家“863”计划重大课题“远程高频地波雷达监测技术”的研究,其任务是研制中程高频地波雷达工程样机(海洋环境监测距离达到200km),进行雷达海洋环境监测对比验证和示范试验;研制代表国际先进水平的远程高频地波雷达(海洋环境监测距离达到370km),进行海洋环境监测和海面低速移动目标探测应用示范。课题研究任务分别于2004年5月31日和2007年8月31日通过国家科技部验收。验收专家组认为该雷达在天线小型化,模块化通用硬件平台设计,不同类型天线阵的高频地波相控阵雷达通道自适应幅相特性校准,系统软件和应用软件的数据库、网络技术和分布计算技术,低速移动目标探测和海洋环境监测应用示范等方面取得了重要的研究成果。该成果填补了国内空白,达到国际同类技术的先进水平。2005年以来,该成果先后在国营713厂和中船舶重工集团388厂实现了产业化。研制的雷达分别于2005年进入上海和福建示范区示范运行,2007年入选国防×××工程重要装备之一。示范运行以来,经历了多年数次台风的严峻考验,雷达运行稳定,性能可靠,数据获取率高,监测能力强,为上海市和福建省海洋环境监测、灾害预警发挥了重要作用。该成果作为国家“863”计划重大创新成果于2007年参加了全国科学大会期间的展览。
      2)激光雷达中、高层大气环境监测技术
      紫外多波长激光雷达系统包括铁共振荧光激光雷达,铁玻尔兹曼测温激光雷达,钙原子共振荧光激光雷达,钠共振荧光激光雷达和紫外拉曼/米/瑞利散射激光雷达。该系统通过将不同波长的激光垂直射入大气,然后利用望远镜接收激光与大气分子以及被测成分作用的后向散射光,实现对被探测物质密度垂直剖面的探测。紫外多波长激光雷达应用了激光与大气分子、原子和粒子作用的多种散射机制,包括瑞利散射,拉曼散射,米散射以及共振荧光散射等。该系统应用了具有自主知识产权的装调技术和检测方法,和自主研发的控制与数据处理软件,实现了集成创新。系统总体技术水平和探测能力居世界前列。在国际上首次实现了对中间层铁、钠和钙的共体积联合观测,是当今世界上唯一能进行中间层铁、钠和钙三种金属原子同时测量的系统;系统中的铁激光雷达与铁玻尔兹曼激光雷达采用光混频技术,其功率孔径积与测量精度居世界第一。在国内首次完全采用激光雷达技术实现了从近地面到100 km高度范围内大气温度剖面的同步测量,观测能力达到了国际先进水平。系统同时具有探测从近地面到30km范围内大气气溶胶、云层及5km以下大气气溶胶的全天时观测的能力。
      鉴定专家组认为该系统可广泛应用于大气科学研究领域,在气候变化,临近空间探测及涉及国家安全的诸多方面有较大的应用拓展空间。
      3)SoC芯片关键IP核设计技术
      SoC芯片中存储控制器等关键IP核的设计、验证及重用SoC芯片关键IP核研制项目主要涉及SoC芯片中存储控制器等关键IP核的设计、验证及重用。自主研制成功了多端口存储控制器MPMC IP、基于AXI高性能总线接口的动态存储控制器AXI_DMC IP、脉冲宽度调制和脉冲密度调制PWM/PDM IP、LCD控制接口6800/8080 IP等产品。这些IP核拥有自主知识产权,具有良好的通用性、可重用性、可移植性、便于系统集成等特点。由于采用了国际上先进的主流AMBA2.0 AHB高速总线以及更为先进的AMBA 3.0 AXI高性能总线标准,从而明显提高了SoC系统的传输效率,增强了IP核的可移植性。由于使用了最新推出的System Verilog验证技术,使验证环境更加易于构造,并能快速定位设计的缺陷。由于在MPMC IP中提出了固定优先级+TimeOut的仲裁策略,从而解决了CPU、DSP等主设备访问外部存储器时如何兼顾有效性和公平性的问题。
      本项目2008年4月已通过湖北省科技厅主持的专家鉴定,其结论为:MPMC IP、AXI_DMC IP达到了国际先进水平,并填补国内在这一领域的空白。上述成果将通过技术转让、技术入股方式进行产业化运作,目前已在国内深圳等地逐步推广应用。如MPMC IP、AXI_DMC IP作为SoC系统芯片的关键模块,在深圳华为海思半导体的数字媒体芯片(Hi3510)和视频监控芯片(Hi3511)中得到应用,部分研究成果获湖北省科技进步二等奖
      4)计算电磁学及电磁系统数值仿真技术
      复杂系统及复杂目标电磁散射特性是现代武器系统的重要指标,其数值计算及其RCS建模是当今计算电磁学面临的科学难题。针对军用复杂形体与复杂目标电磁散射特性与建模,先后研究了部件分解的改进的法、高频方法、数值法、象素法、面片模型法和混合方法。系统建立了极复杂目标的电磁散射特性的预估方法。特别是针对极复杂目标RCS的计算,将计算机图形学与电磁波散射理论相结合,解决极复杂目标RCS的可视计算问题。考虑实战环境中目标多路径散射对模型的影响,率先研究建立了粗糙地、海面与目标相互作用的复合散射算法。针对涂覆层、结构层两类各向异性隐身材料,建立了各向异性材料散射的FDTD(时域有限差分)预估模型、各向异性阻抗劈绕射UTD(一致性绕射理论)算法,为各向异性材料电磁散射特性的研究和RCS的预估提供了有效的算法。基于上述方法,研制开发出能在微型计算机系统实现复杂系统与复杂目标特性预估的软件系统。研究成果广泛应用我军现代武器系统的预研和设计,先后承担完成了一批包括军用XXX舰、XXX坦克、XXX航空母舰、XXX潜艇的RCS建模任务。为我军武器现代化做出了重要贡献。
      5)空间电离层环境监测技术
      新型电离层斜向返回探测系统采用先进的雷达波形设计和高速数字信号处理技术,通过引入成熟的总线体制和软硬结合的设计,系统整机功耗小、重量轻、发射功率低,实现了便携式移动观测。在性能上除能获取常规电离层探测参数外,还可以实时测量电离层电波多普勒效应、多径效应、相位变化等信息,实现准确、稳定、灵活的电离层状态探测、电离层信道特征参数测量。本探测系统的开放式结构设计使系统具有实现复杂功能的可能性,使系统结构通用,功能实现灵活,不同的无线电探测系统要求可由相对一致的硬件,利用不同的软件实现。在同一硬件平台,利用分时操作实现主动探测和被动探测两种工作模式,系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好地实现,因此系统更具有开放性、通用性和可扩展性。可广泛应用于地震电离层前兆的监测、短波通讯自适应诊断、海洋环境状态和海上移动目标探测和应急通讯等。
      L-波段电离层闪烁/TEC监测仪以OEMV接收机为核心部件,配以外置的低相位噪声晶振、电源、接收天馈线和台式计算机以及由串口通信、数据采集、流程控制、数据预处理、数据存储和可视化图形显示等模块构成的操作软件,构成全自动化无人值守且功能完备的监测仪,已具有批量生产,并在中国科学院等单位应用。
      6)星载激光测量系统
      激光测高星载测量系统是目前实现卫星测、控的关键载荷。实验室于2007年至2009年承担完成我国卫星载激光测量系统。该系统已应用于我国XXX卫星。

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