微波光子雷達及關鍵技術（一）

摘要

雷達是人類進行全天候目標探測與識別的主要手段，多功能、高精度、實時探測一直是雷達研究者追求的目標。這些特性實現的基礎都是對寬帶微波信號的高速操控，但受限于“電子瓶頸”，寬帶信號的產生、控制和處理在傳統電子學中極為復雜甚至無法完成。光子技術與生俱來的大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁干擾等特性，使其成為突破雷達帶寬瓶頸和“照亮雷達未來”的關鍵使能技術。同時光子系統重量輕、體積小、可集成，可以將雷達系統的體積重量降低數十倍，從而大大減輕飛機、衛星、艦艇等的載荷。因此光子技術的引入有可能改變現有雷達系統的體制，賦予雷達系統更加蓬勃的生命力。本文總結了國內外光子雷達系統的主要研究進展，討論了光子雷達系統中的關鍵技術，并展望了光子雷達及其關鍵技術的發展趨勢。

關鍵詞

微波光子雷達；信號產生；信號處理；波束形成

未來的戰爭將是地、海、空、天一體化的多維空間立體戰，不但有水下、水面、空中、地面硬殺傷兵器在有形空間展開的火力戰，還有信息獲取傳感器與軟殺傷兵器在無形空間展開的信息戰。導彈等精確制導武器的大量使用改變了以往戰爭中的攻防結構，擴大了交戰的空間，交戰雙方相距很遠時，就可以用導彈相互實施攻擊，先知先覺成為有效攻擊和防御的首要任務。雷達作為現代戰爭中極為重要的軍事裝備，是海、陸、空、天各兵種的“眼睛”，是全天時、全天候、復雜環境下發現和跟蹤各種威脅的重要手段，自誕生以來就被廣泛研究^[1-5]。然而，隨著雷達技術的發展，對抗雷達的作戰平臺和作戰方式也得到了長足的發展；同時，隨著飛行器技術的發展，雷達所需探測的目標的特征和電磁特性也日益復雜，使得雷達技術和系統必須不斷發展和演進才能有效發揮作用。當前，日趨復雜的戰場環境要求雷達既能搜索遠距離目標，又能發現近距離目標；既能探測中空、高空目標，又能指示低空目標；既能進行多目標搜索、跟蹤，又能進行制導和導航；既能輕松識別強目標，又能有效探測到低、慢、快、小、隱等低可觀測目標^[4-5]；此外，雷達在作戰中還擔負著戰場環境感知（成像、氣象觀測）、警戒、電子反制、敵我識別等多種任務。然而，傳統雷達基本上屬于單一功能設備，即某一特定雷達只能完成某一種或某一類特定任務，這不可避免會造成以下后果^[6]：1）雷達裝備的品種繁多、結構復雜，給研制、生產、使用和維護帶來極大不便，直接影響裝備的通用化和標準化建設；2）作戰中，大量數據從各個性能不同的雷達傳感器送至控制計算機，在系統反應時間上形成薄弱環節，最終影響作戰效能；3）在艦船、飛機、衛星等具有有限裝備空間、有限載重范圍和有限能源供給的載體中，同時配置多部雷達將帶來嚴重的電磁兼容性等問題，對載荷能力和續航能力提出巨大的挑戰；4）各雷達參數固定，在電子對抗中易被捕獲和壓制，生存能力較低。如果雷達的工作頻率可以跨越多個波段，一方面雷達的參數在作戰時不易被敵方獲取，在電子對抗中具有較高的生存能力，另一方面可以在同一部雷達中同時實現或快速切換雷達的功能，使之擁有多種工作模式^[7]。此外，大帶寬本身對應著雷達的高分辨率。因此實現集多種功能于一體的新型雷達，研制和試驗多波段寬帶可重構雷達已成為重要的發展趨勢。

要想實現多波段寬帶可重構雷達，寬帶射頻前端是當前最為關鍵的挑戰。然而受限于“電子瓶頸”，電子技術難以實現寬帶信號的產生、控制和處理。微波光子技術的快速發展和不斷成熟為多波段可重構雷達帶來了希望。相比于傳統電子技術，微波光子技術能夠提供高頻率、多波段的本振源和高精細、大帶寬的任意波形產生，基于光真延時的波束形成可克服傳統相控陣波束傾斜和孔徑渡越等難題，微波光子模數變換在高采樣率下仍能保持較高的有效比特數。此外，微波光子技術相對于電技術還具有傳輸損耗低、質量輕及抗電磁干擾等潛在優勢^[8-10]，因此基于微波光子技術的雷達能有效克服傳統電子器件的若干技術瓶頸，改善和提高傳統雷達多項技術性能，甚至有望成為下一代雷達系統的關鍵，為雷達等電子裝備技術與形態帶來變革。

微波光子技術自誕生以來就受到了國際學術界、工業界和國防部門的高度重視，美國國防部高級研究計劃局（DAR?PA）近年來設立了數十個項目支持核心微波光子器件、光電振蕩器、光任意波形產生（OAWG）、光模數轉換（ADC）、模擬光子信號處理、模擬光子前端、光電集成等技術的研究^[11]。中國和歐盟也對微波光子技術進行了重點支持，相應的器件、模塊、單元技術日趨成熟。隨著微波光子技術的發展，將微波光子技術應用于多功能雷達系統已成為眾多國家的重要研究課題。以歐盟為例^[12]，設立“全光數字雷達”（PHODIR）項目以設計和實現基于光子技術的全數字式雷達驗證裝置。該裝置在發射機端實現了高頻信號的光子學產生，同時在接收端對雷達回波信號進行了超高比特率的光子采樣，發射和接收共享同一基準源，從而確保了收發相參。在PHODIR項目的基礎上，設立“預工業化光子雷達設計”（PREPaRE）項目，進行微波光子雷達的預工業化設計，以期將PHODIR項目的光子雷達推向工業化。設立“用于寬帶互聯的集成光毫米波器件和功能”（IPHOBAC）項目，研究先進緊湊的光子源，包括高頻譜純度及穩定性的微波源，超寬帶可調諧微波源和帶集成天線的發射機。設立“用于下一代合成孔徑雷達應用的光子前端”（GAIA）項目，發展用于未來合成孔徑雷達的陣列天線所要求的光子技術，包括陣列天線的光信號分發，在發射和接收時采用集成光路對每個天線單元進行真時延控制，設計適用于大型可展開天線的光控波束形成。因此，微波光子雷達不僅被學術界認為是新型雷達的未來，也被工業界視作切實可行的解決方案。本文將回顧國內外微波光子雷達關鍵技術與系統集成的主要研究進展，并對微波光子雷達進一步發展進行展望。

1、微波光子雷達系統研究進展

目前國際上微波光子雷達主要有美國、歐盟、俄羅斯3條發展路徑，中國也在不斷跟蹤研究中形成了鮮明的特色。

1.1 美國微波光子雷達研究進展

早在20世紀80年代末，美國DARPA就開始支持微波光子雷達相關的研究，并形成了圖1中的發展規劃。根據該規劃，微波光子學在雷達系統中的應用將分3個階段。圖1（a）為傳統微波雷達接收前端：雷達回波由天線陣列收集，隨后放大、濾波，接著波束形成網絡對來源于不同空間方向的信號進行選擇，所得到的信號經傳輸網絡送至中心處理站，變頻后進入數字接收機做進一步處理。在這種雷達前端中，信號傳輸一般由同軸電纜完成，其傳輸損耗約為1 dB/m，長距離傳輸時需多級放大才能補償信號衰減，而這必然引入大量的非線性和噪聲，增加了能耗。因此，美國DARPA在第1階段開展高線性模擬光鏈路的研究，如圖1（b）所示，利用超低損耗的光纖（傳輸損耗僅有0.0002 dB/m）取代體積大、質量大、損耗大和易被電磁干擾的同軸電纜。這個階段的典型成果為20世紀70年代末美國莫哈韋沙漠中的“深空網絡”^[13]，它由分布在數十km內的多個大型蝶形天線組成，這些天線借助光纖傳輸1.42 GHz超穩參考信號，并利用相控陣原理等效成一個巨大的天線。

圖1、DARPA 微波光子雷達發展規劃
Fig. 1 Development plan of microwave photonic radar of DARPA

美國DARPA微波光子雷達第2階段的目標是實現光控（真延時）波束形成網絡，用于替代在寬帶情況下會出現波束傾斜、孔徑渡越等問題的傳統相移波束形成網絡，如圖1（c）所示。這個階段的典型成果是1994 年美國休斯飛機公司（Hughes Aircraft）實現的基于光纖波束形成網絡的寬帶共形陣列^[14]。在該陣列中，休斯飛機公司采用了電延時和光延時的混合模塊實現對發射信號延時的控制，如圖2所示，其中光延時模塊采用的是最簡單的基于光開關的延時模塊。該相控陣系統實現了0.35~2.1 GHz范圍內16陣元的±45°范圍內1.31°的角度掃描精度，且在寬帶寬角掃描時沒有觀測到波束傾斜效應。