介紹微波光子雷達構(gòu)成和工作原理

摘 要：提出基于微波光子技術(shù)的新體制雷達構(gòu)成，分析其工作原理，提煉新體制雷達研究需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。從光生微波、微波光子延時和移相、微波光子濾波和全光采樣量化等關(guān)鍵技術(shù)入手，總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)外最新研究進展，分析微波光子新體制雷達研究與實現(xiàn)的可行性，展望微波光子新體制雷達的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 引言
近年來，雷達研究開始引入越來越多的微波光子技術(shù)[1]。利用微波光子技術(shù)在實現(xiàn)大帶寬的任意波形信號上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[2-7]。微波光子移相技術(shù)可以通過選擇光纖真時延遲線的長短來控制延時量，也可以用矢量和的方法實現(xiàn)微波相移，還可以借助慢光技術(shù)實現(xiàn)超過360 度的微波相移[8-10]。微波光子技術(shù)可以實現(xiàn)從幾十MHz 到幾GHz 的可調(diào)濾波器[11][12]。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，然后采樣光脈沖對模擬電信號進行電光采樣[13][14]。利用光子技術(shù)對采樣后的光脈沖進行全光量化和編碼，最終得到與之對應(yīng)的數(shù)字信號。
2014 年，意大利比薩大學(xué)開展了 “基于光子學(xué)的全數(shù)字雷達”項目[15]，該項目利用一個單脈沖激光產(chǎn)生可調(diào)諧雷達信號，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。
本文從微波雷達概念出發(fā)，將光生微波技術(shù)、微波光延時與移相技術(shù)、微波光子濾波技術(shù)和全光采樣量化技術(shù)引入到雷達研究中，組成射頻前端由全光完成的新體制雷達系統(tǒng)。本文對各主要技術(shù)的發(fā)展水平進行總結(jié)，分析微波光子新體制雷達研究與實現(xiàn)的可行性，展望微波光子新體制雷達的發(fā)展和應(yīng)用前景。

2 微波光子雷達構(gòu)想
微波光子新體制雷達利用微波光子技術(shù)已實現(xiàn)的成果，在傳統(tǒng)雷達的主要部件或分系統(tǒng)上，完全或部分代替原來的電學(xué)分系統(tǒng)，以便充分利用微波光子技術(shù)在雷達組件的重量、體積、帶寬、抗電磁干擾等方面的優(yōu)勢，構(gòu)建性能優(yōu)越的雷達系統(tǒng)。微波光子新體制雷達的構(gòu)想與設(shè)計，如圖1 所示。傳統(tǒng)雷達的發(fā)射機，尤其是寬帶雷達信號的發(fā)射機，需要經(jīng)過多次變頻、混頻，才能實現(xiàn)雷達信號的產(chǎn)生，再經(jīng)過功率放大后輸送到天線進行發(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，而且無須借助外部電學(xué)器件。

圖1 微波光子新體制雷達概念框圖

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

3 微波光子體制雷達關(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)，可以非常方便地實現(xiàn)大帶寬線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生，這是微波領(lǐng)域難以突破的技術(shù)瓶頸。
2009 年美國普渡大學(xué)研究組在硅光子芯片上利用譜整形方法實現(xiàn)了載波60GHz，帶寬8GHz 的啁啾信號[2]。2011 年，***中央大學(xué)研究組利用一個主激光器和一個頻率線性掃描的從激光器進行差頻，實現(xiàn)載波97GHz，帶寬14GHz 的啁啾信號光產(chǎn)生[3]。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40GHz 的啁啾信號[5]。
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固定頻率的連續(xù)輸出激光器的拍頻，實現(xiàn)脈沖輸出的啁啾信號，其中心頻率約為20GHz，帶寬達30GHz[6]。實驗結(jié)果如圖2 所示，圖2（a）為波形時域圖，圖2（b）為信號時頻分析圖。

圖2 光生微波線性調(diào)頻信號實驗結(jié)果[6]

2015 年，上海交通大學(xué)陳建平課題組開展了線性調(diào)頻信號光產(chǎn)生技術(shù)研究，產(chǎn)生電信號帶寬超過30GHz，時寬達到幾十ns[7]。當(dāng)然，從目前的實驗結(jié)果來看，利用光學(xué)方法產(chǎn)生線性調(diào)頻信號時寬非常短，僅在ns 量級。

3.2 微波光子真時延遲和移相技術(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。多波長延時網(wǎng)絡(luò)因為波長數(shù)和子陣天線單元數(shù)對應(yīng)，具有同時控制子陣多單元延時的功能。為了實現(xiàn)多波長延時網(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、分延時的方法，采用預(yù)先制作好光纖真時延遲線和波分復(fù)用器，可以實現(xiàn)多波長的延時網(wǎng)絡(luò)[8]。姚建平課題組在利用光纖光柵進行光控相控陣雷達方面開展研究較早也較多[9]。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)用級聯(lián)光延時網(wǎng)絡(luò)，利用光開關(guān)實現(xiàn)多延時的調(diào)諧[10]。

3.3 微波光子濾波技術(shù)

微波光子學(xué)濾波器[11]，利用由光纖以及其它光器件構(gòu)成的光信號處理器在光域內(nèi)實現(xiàn)信號濾波，代替由電學(xué)元件構(gòu)成的微波電路在電域內(nèi)實現(xiàn)信號濾波。微波信號經(jīng)過調(diào)制后經(jīng)過時域抽樣，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)中進行信號的加權(quán)、相加等處理。在輸出端，處理后的光信號在一個或多個光電探測器上進行光電轉(zhuǎn)換，然后恢復(fù)為輸出信號So(t)。其數(shù)學(xué)過程如下:輸出電信號和輸入電信號之間的脈沖響應(yīng)可以由脈沖序列在濾波器每路間經(jīng)歷相等的延時 T 來表示：

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)濾波器和無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器。與FIR 濾波器相對應(yīng)的另一種微波光子學(xué)濾波器就是無限脈沖響應(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[13]。采樣部分的功能是對信號進行采樣，并將采集的信號保持一段時間；量化部分的主要功能是內(nèi)對采集的信號在數(shù)值上進行量化、編碼，使之成為數(shù)字信號。光學(xué)采樣保持主要是利用光時鐘的低抖動與超短的脈沖寬度來設(shè)計采樣保持電路，已有報道達到采樣速度為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 信號進行復(fù)制，以使用低速度的電ADC 來采樣與量化。光時間拉伸方案的是通過色散的方法將光脈沖進行展寬，由于光脈沖序列已加載了微波信號，因此后端探測到的是時域展寬的微波電信號，再進行電子采樣與量化。

美國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來控制激光源輸出的波長，在后端將多波長的信號進行量化。

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鐘；然后利用高性能的電光調(diào)制器將微波信號加載到光脈沖的的幅度(或相位)上，經(jīng)過高速的光電轉(zhuǎn)換器將調(diào)制器后端的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；最后通過電模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行量化編碼，生成數(shù)字信號。圖3 為一種典型的利用鎖模激光器實現(xiàn)模擬信號光采樣的原理框圖。

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[16]。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[17]。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)對光的限制能力很強，從而使得光子器件的尺寸能降到幾百個納米。同時，光子不受電磁干擾，相比純的集成電路，電磁干擾嚴重限制了帶寬。而另一方面，光場是以指數(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 的時間抖動，大約比電子低 2-3 個數(shù)量級。硅基光電集成電路在帶寬為 40Gb/s 時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器還能提供超過 8bit 的精度。

圖4 集成化的光電振蕩器[17]

5 微波光子新體制雷達技術(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，仍有待將分系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)進行梳理。

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奠定了堅實的礎(chǔ)。

表1 微波光子技術(shù)主要指標(biāo)

6 結(jié)論
本文提出基于微波光子技術(shù)的新體制雷達構(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)。通過研究微波光子雷達的分系統(tǒng)的發(fā)展水平和技術(shù)指標(biāo)，論證微波光子雷達的可行性、需要解決的關(guān)鍵問題和面臨的技術(shù)障礙，為將來大帶寬、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化雷達的發(fā)展提供參考。

國內(nèi)相關(guān)成果和報道：

中國科學(xué)院電子學(xué)研究所成功研制出國內(nèi)第一臺基于微波光子技術(shù)的雷達樣機，并進行了外場非合作目標(biāo)的逆合成孔徑成像測試，獲得了國內(nèi)第一幅微波光子雷達成像圖樣，推動了新技術(shù)新體制雷達研究的發(fā)展。首部微波光子雷達采用雙站雷達體制和光子架構(gòu)，在發(fā)射機和接收機的射頻前端分別引入雷達信號微波光子產(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。外場獲得的圖像分辨率比已知報道的國際同類微波光子雷達提高一個數(shù)量級，圖像清晰度也有明顯提升。

第一部國內(nèi)微波光子雷達樣機的研制成功微波光子雷達研究是結(jié)合了微波光子技術(shù)和雷達技術(shù)的一個多學(xué)科交叉領(lǐng)域，是電子所面向新技術(shù)新體制雷達研究的重點培育方向之一。微波光子雷達的研究，依托于電子所一室，得到了中科院科技創(chuàng)新重點部署項目、中科院率先行動計劃、微波光子成像雷達技術(shù)驗證測試平臺修購項目的支持；同時電子所引進具有微波光子學(xué)背景的海外青年千人研究員李王哲和李若明入所開展工作，結(jié)合電子所在雷達技術(shù)方面的專業(yè)力量和研究經(jīng)驗，通過不同學(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，有力推動了微波光子雷達研究的發(fā)展。

從2015年下半年開始，相關(guān)專業(yè)團隊協(xié)同創(chuàng)新，先后完成了微波光子成像雷達系統(tǒng)設(shè)計論證、寬帶雷達信號的光子產(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)過實驗室原理驗證、暗室點目標(biāo)成像實驗和系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)后，最終實現(xiàn)了在外場對非合作目標(biāo)的成像測試，成功驗證了該部微波光子雷達的可行性。研究成果已經(jīng)被國際期刊《光學(xué)快訊》（Optics Express）接收，即將發(fā)表。

在此次外場測試中，對包含波音737飛機在內(nèi)的不同機型、不同距離、不同視角下進行了成像測試。得益于微波光子雷達架構(gòu)，以及光子技術(shù)在寬帶信號產(chǎn)生、處理以及系統(tǒng)雜散抑制等方面的獨特優(yōu)勢，微波光子雷達成像圖像能夠清晰地識別目標(biāo)的結(jié)構(gòu)細節(jié)，比如飛機發(fā)動機、尾翼以及襟翼導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)，展示了微波光子雷達對目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征的辨識能力，對比發(fā)表在《自然》雜志上的國外微波光子雷達系統(tǒng)所進行的外場成像結(jié)果，如圖2所示，電子所的微波光子雷達系統(tǒng)成像結(jié)果具有明顯的改善。接下來該方向的研究工作將進一步提升微波光子雷達成像性能，并繼續(xù)探索微波光子技術(shù)在不同體制雷達中的應(yīng)用價值。

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