微波光子新體制雷達(dá)的研究與發(fā)展和應(yīng)用前景

1 引言

近年來(lái)，雷達(dá)研究開(kāi)始引入越來(lái)越多的微波光子技術(shù)。利用微波光子技術(shù)在實(shí)現(xiàn)大帶寬的任意波形信號(hào)上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。微波光子移相技術(shù)可以通過(guò)選擇光纖真時(shí)延遲線的長(zhǎng)短來(lái)控制延時(shí)量，也可以用矢量和的方法實(shí)現(xiàn)微波相移，還可以借助慢光技術(shù)實(shí)現(xiàn)超過(guò)360 度的微波相移。微波光子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從幾十MHz 到幾GHz 的可調(diào)濾波器。全光采樣和全光模數(shù)轉(zhuǎn)換是利用鎖模激光器產(chǎn)生高重復(fù)頻率的采樣光脈沖序列，然后采樣光脈沖對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行電光采樣。利用光子技術(shù)對(duì)采樣后的光脈沖進(jìn)行全光量化和編碼，最終得到與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。

2014 年，意大利比薩大學(xué)開(kāi)展了 “基于光子學(xué)的全數(shù)字雷達(dá)”項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用一個(gè)單脈沖激光產(chǎn)生可調(diào)諧雷達(dá)信號(hào)，并接收回波，避免了射頻的上、下變頻處理，確保了軟件定義方法和高分辨率。

本文從微波雷達(dá)概念出發(fā)，將光生微波技術(shù)、微波光延時(shí)與移相技術(shù)、微波光子濾波技術(shù)和全光采樣量化技術(shù)引入到雷達(dá)研究中，組成射頻前端由全光完成的新體制雷達(dá)系統(tǒng)。本文對(duì)各主要技術(shù)的發(fā)展水平進(jìn)行總結(jié)，分析微波光子新體制雷達(dá)研究與實(shí)現(xiàn)的可行性，展望微波光子新體制雷達(dá)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

2 微波光子雷達(dá)構(gòu)想

微波光子新體制雷達(dá)利用微波光子技術(shù)已實(shí)現(xiàn)的成果，在傳統(tǒng)雷達(dá)的主要部件或分系統(tǒng)上，完全或部分代替原來(lái)的電學(xué)分系統(tǒng)，以便充分利用微波光子技術(shù)在雷達(dá)組件的重量、體積、帶寬、抗電磁干擾等方面的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建性能優(yōu)越的雷達(dá)系統(tǒng)。微波光子新體制雷達(dá)的構(gòu)想與設(shè)計(jì)，如圖1 所示。傳統(tǒng)雷達(dá)的發(fā)射機(jī)，尤其是寬帶雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射機(jī)，需要經(jīng)過(guò)多次變頻、混頻，才能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生，再經(jīng)過(guò)功率放大后輸送到天線進(jìn)行發(fā)射。光生微波技術(shù)可以直接產(chǎn)生高頻、大帶寬的微波信號(hào)，而且無(wú)須借助外部電學(xué)器件。

圖1 微波光子新體制雷達(dá)概念框圖

該微波信號(hào)根據(jù)體制需要，可以直接在光域完成功率和信號(hào)的分配與延時(shí)，還可以在光域完成微波信號(hào)的移相。在進(jìn)入射頻前端之前進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)中的微波雷達(dá)信號(hào)提取出來(lái)，然后到達(dá)天線發(fā)射出去。接收時(shí)，電信號(hào)進(jìn)入接收前端后，被光載波調(diào)制，在光域利用微波光子技術(shù)進(jìn)行濾波。之后進(jìn)入全光采樣量化系統(tǒng)，完成微波信號(hào)的大帶寬、高頻直接采樣，避免傳統(tǒng)接收機(jī)需要經(jīng)過(guò)多次下變頻轉(zhuǎn)換的復(fù)雜節(jié)。所得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入DSP 進(jìn)行處理。

3 微波光子體制雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 光生微波技術(shù)利用微波光子技術(shù)，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)大帶寬線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生，這是微波領(lǐng)域難以突破的技術(shù)瓶頸。2009 年美國(guó)普渡大學(xué)研究組在硅光子芯片上利用譜整形方法實(shí)現(xiàn)了載波60GHz，帶寬8GHz 的啁啾信號(hào)［2］。2011 年，***中央大學(xué)研究組利用一個(gè)主激光器和一個(gè)頻率線性掃描的從激光器進(jìn)行差頻，實(shí)現(xiàn)載波97GHz，帶寬14GHz 的啁啾信號(hào)光產(chǎn)生。2011 年，加拿大姚建平課題組利用鎖模激光器和啁啾光纖光柵，產(chǎn)生帶寬達(dá)40GHz 的啁啾信號(hào)。2013 年，清華大學(xué)的謝世鐘課題組利用飛秒脈沖激光器和一個(gè)固定頻率的連續(xù)輸出激光器的拍頻，實(shí)現(xiàn)脈沖輸出的啁啾信號(hào)，其中心頻率約為20GHz，帶寬達(dá)30GHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，圖2（a）為波形時(shí)域圖，圖2（b）為信號(hào)時(shí)頻分析圖。

圖2 光生微波線性調(diào)頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2015 年，上海交通大學(xué)陳建平課題組開(kāi)展了線性調(diào)頻信號(hào)光產(chǎn)生技術(shù)研究，產(chǎn)生電信號(hào)帶寬超過(guò)30GHz，時(shí)寬達(dá)到幾十ns［7］。當(dāng)然，從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，利用光學(xué)方法產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)寬非常短，僅在ns 量級(jí)。

3.2 微波光子真時(shí)延遲和移相技術(shù)光控相控陣技術(shù)利用光學(xué)方法（主要基于光纖或光波導(dǎo)）完成饋電。多波長(zhǎng)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)數(shù)和子陣天線單元數(shù)對(duì)應(yīng)，具有同時(shí)控制子陣多單元延時(shí)的功能。為了實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，主要可以采用波分復(fù)用器（WDM）和光柵完成。

以色列特拉維夫大學(xué)的Moshe Tur 課題組從2005 年提出多波長(zhǎng)、分延時(shí)的方法，采用預(yù)先制作好光纖真時(shí)延遲線和波分復(fù)用器，可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)。姚建平課題組在利用光纖光柵進(jìn)行光控相控陣?yán)走_(dá)方面開(kāi)展研究較早也較多。2014年，上海航天電子技術(shù)研究所與上海交通大學(xué)研究了波分復(fù)用級(jí)聯(lián)光延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，利用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多延時(shí)的調(diào)諧。

3.3 微波光子濾波技術(shù)

微波光子學(xué)濾波器，利用由光纖以及其它光器件構(gòu)成的光信號(hào)處理器在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波，代替由電學(xué)元件構(gòu)成的微波電路在電域內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。微波信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后經(jīng)過(guò)時(shí)域抽樣，接著被送入由光纖延遲線、光纖耦合器、光纖光柵及光放大器等組成的光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)的加權(quán)、相加等處理。在輸出端，處理后的光信號(hào)在一個(gè)或多個(gè)光電探測(cè)器上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后恢復(fù)為輸出信號(hào)So（t）。其數(shù)學(xué)過(guò)程如下：輸出電信號(hào)和輸入電信號(hào)之間的脈沖響應(yīng)可以由脈沖序列在濾波器每路間經(jīng)歷相等的延時(shí) T 來(lái)表示：

其中ar 濾波器的權(quán)值系數(shù)，r 表示濾波器的路數(shù)或者抽頭數(shù)。因此，對(duì)上式的脈沖響應(yīng)做傅里葉變換，就可以得到濾波器的頻率響應(yīng)為：

按其抽頭數(shù)的多少可以分為有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器。與FIR 濾波器相對(duì)應(yīng)的另一種微波光子學(xué)濾波器就是無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器，這種濾波器在式（2）所體現(xiàn)的就是M，N 都是趨近于無(wú)窮大的。

3.4 光AD 技術(shù)

光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般由采樣部分與量化部分構(gòu)成。采樣部分的功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采集的信號(hào)保持一段時(shí)間；量化部分的主要功能是內(nèi)對(duì)采集的信號(hào)在數(shù)值上進(jìn)行量化、編碼，使之成為數(shù)字信號(hào)。光學(xué)采樣保持主要是利用光時(shí)鐘的低抖動(dòng)與超短的脈沖寬度來(lái)設(shè)計(jì)采樣保持電路，已有報(bào)道達(dá)到采樣速度為1.003Gs/s，11.8 比特的SFDR 精度與9.6 比特的SNR 精度。光學(xué)復(fù)制方案是利用光纖環(huán)路將采樣得到的RF 信號(hào)進(jìn)行復(fù)制，以使用低速度的電ADC 來(lái)采樣與量化。光時(shí)間拉伸方案的是通過(guò)色散的方法將光脈沖進(jìn)行展寬，由于光脈沖序列已加載了微波信號(hào)，因此后端探測(cè)到的是時(shí)域展寬的微波電信號(hào)，再進(jìn)行電子采樣與量化。

美國(guó)UCLA 的Jalali 教授的課題組在此方面的研究取得了矚目的成果，實(shí)現(xiàn)了10Ts/s 采樣率的光模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)［14］。光學(xué)量化方案利用電信號(hào)來(lái)控制激光源輸出的波長(zhǎng)，在后端將多波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行量化。

圖3 光采樣電量化的光模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

光學(xué)采樣ADC 是目前常見(jiàn)的方式。這種方式主要是采用鎖模激光器產(chǎn)生高速穩(wěn)定的光脈沖序列并作為采樣時(shí)鐘；然后利用高性能的電光調(diào)制器將微波信號(hào)加載到光脈沖的的幅度（或相位）上，經(jīng)過(guò)高速的光電轉(zhuǎn)換器將調(diào)制器后端的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；最后通過(guò)電模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量化編碼，生成數(shù)字信號(hào)。圖3 為一種典型的利用鎖模激光器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)光采樣的原理框圖。

在光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，要想達(dá)到很好的性能，一方面要使用性能優(yōu)良的器件與優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，另一方面也要盡可能減小光纖鏈路引入的噪聲。隨著硅基光子學(xué)技術(shù)的不斷成熟，集成是光模數(shù)轉(zhuǎn)換可行的方向。

4 微波光子部組件小型化、集成化發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

隨著硅基光子集成技術(shù)的發(fā)展，微波光子器件的集成化研究也取得了許多成果。如圖4 所示，為集成化的光電振蕩器，其尺寸僅一塊硬幣大小。圖4（左）為外觀尺寸，圖4（右）為其內(nèi)部構(gòu)造圖。而其他能夠應(yīng)用到光子集成技術(shù)的微波光子元器件也正在研究中，例如硅基光子調(diào)制器、硅基激光器、硅基光子可調(diào)延遲線等。

借助成熟的集成電路工藝可以創(chuàng)造低成本的大規(guī)模集成光路。硅基光子集成結(jié)構(gòu)對(duì)光的限制能力很強(qiáng)，從而使得光子器件的尺寸能降到幾百個(gè)納米。同時(shí)，光子不受電磁干擾，相比純的集成電路，電磁干擾嚴(yán)重限制了帶寬。而另一方面，光場(chǎng)是以指數(shù)衰減，因此相距 2-4 微米的波導(dǎo)之間的交叉干擾能小-30dB。其次，光子能提供小于1fs 的時(shí)間抖動(dòng)，大約比電子低 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。硅基光電集成電路在帶寬為 40Gb/s 時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器還能提供超過(guò) 8bit 的精度。

圖4 集成化的光電振蕩器

5 微波光子新體制雷達(dá)技術(shù)分析

微波光子元器件、由這些元器件組成的微波光子系統(tǒng)，以及其背后的微波光子技術(shù)能否彼此“兼容”，從而搭建一部性能優(yōu)越的微波光子新體制雷達(dá)，仍有待將分系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行梳理。

由表1 中分析可以看出，隨著光子集成技術(shù)不斷發(fā)展、光電集成度不斷提高，微波光子器件及系統(tǒng)的成本不斷下降，為微波光子新體制雷達(dá)奠定了堅(jiān)實(shí)的礎(chǔ)。

表1 微波光子技術(shù)主要指標(biāo)

結(jié)論：本文提出基于微波光子技術(shù)的新體制雷達(dá)構(gòu)想，從微波光子技術(shù)入手梳理與分析支撐微波光子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。通過(guò)研究微波光子雷達(dá)的分系統(tǒng)的發(fā)展水平和技術(shù)指標(biāo)，論證微波光子雷達(dá)的可行性、需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題和面臨的技術(shù)障礙，為將來(lái)大帶寬、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化雷達(dá)的發(fā)展提供參考。

國(guó)內(nèi)相關(guān)成果和報(bào)道：

中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所成功研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)基于微波光子技術(shù)的雷達(dá)樣機(jī)，并進(jìn)行了外場(chǎng)非合作目標(biāo)的逆合成孔徑成像測(cè)試，獲得了國(guó)內(nèi)第一幅微波光子雷達(dá)成像圖樣，推動(dòng)了新技術(shù)新體制雷達(dá)研究的發(fā)展。首部微波光子雷達(dá)采用雙站雷達(dá)體制和光子架構(gòu)，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的射頻前端分別引入雷達(dá)信號(hào)微波光子產(chǎn)生和去調(diào)頻接收技術(shù)，能夠支持寬帶工作，具有提升距離向分辨率的潛力。外場(chǎng)獲得的圖像分辨率比已知報(bào)道的國(guó)際同類微波光子雷達(dá)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，圖像清晰度也有明顯提升。

微波光子雷達(dá)研究是結(jié)合了微波光子技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)的一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域，是電子所面向新技術(shù)新體制雷達(dá)研究的重點(diǎn)培育方向之一。微波光子雷達(dá)的研究，依托于電子所一室，得到了中科院科技創(chuàng)新重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中科院率先行動(dòng)計(jì)劃、微波光子成像雷達(dá)技術(shù)驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)修購(gòu)項(xiàng)目的支持；同時(shí)電子所引進(jìn)具有微波光子學(xué)背景的海外青年千人研究員李王哲和李若明入所開(kāi)展工作，結(jié)合電子所在雷達(dá)技術(shù)方面的專業(yè)力量和研究經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)不同學(xué)科間的碰撞融合、不同專業(yè)技術(shù)人員間的交流協(xié)作，有力推動(dòng)了微波光子雷達(dá)研究的發(fā)展。

從2015年下半年開(kāi)始，相關(guān)專業(yè)團(tuán)隊(duì)協(xié)同創(chuàng)新，先后完成了微波光子成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論證、寬帶雷達(dá)信號(hào)的光子產(chǎn)生和光子去調(diào)頻接收等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以及相關(guān)成像算法研發(fā)。在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室原理驗(yàn)證、暗室點(diǎn)目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)后，最終實(shí)現(xiàn)了在外場(chǎng)對(duì)非合作目標(biāo)的成像測(cè)試，成功驗(yàn)證了該部微波光子雷達(dá)的可行性。研究成果已經(jīng)被國(guó)際期刊《光學(xué)快訊》（Optics Express）接收，即將發(fā)表。

在此次外場(chǎng)測(cè)試中，對(duì)包含波音737飛機(jī)在內(nèi)的不同機(jī)型、不同距離、不同視角下進(jìn)行了成像測(cè)試。得益于微波光子雷達(dá)架構(gòu)，以及光子技術(shù)在寬帶信號(hào)產(chǎn)生、處理以及系統(tǒng)雜散抑制等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，微波光子雷達(dá)成像圖像能夠清晰地識(shí)別目標(biāo)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，比如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、尾翼以及襟翼導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)，展示了微波光子雷達(dá)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征的辨識(shí)能力，對(duì)比發(fā)表在《自然》雜志上的國(guó)外微波光子雷達(dá)系統(tǒng)所進(jìn)行的外場(chǎng)成像結(jié)果，如圖2所示，電子所的微波光子雷達(dá)系統(tǒng)成像結(jié)果具有明顯的改善。接下來(lái)該方向的研究工作將進(jìn)一步提升微波光子雷達(dá)成像性能，并繼續(xù)探索微波光子技術(shù)在不同體制雷達(dá)中的應(yīng)用價(jià)值。

第一部國(guó)內(nèi)微波光子雷達(dá)樣機(jī)的研制成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該研究領(lǐng)域的空白，推動(dòng)了光子技術(shù)同傳統(tǒng)的微波系統(tǒng)尤其是雷達(dá)系統(tǒng)的融合，標(biāo)志著未來(lái)的雷達(dá)技術(shù)和系統(tǒng)的新的發(fā)展階段，為未來(lái)新體制雷達(dá)系統(tǒng)的誕生奠定基礎(chǔ)。