微波光子雷達及關鍵技術（二）

美國休斯飛機公司電光混合真延時模塊示意
Fig. 2 Hybrid electronic and optical true time delay module of Hughes Aircraft

進入21世紀后，隨著光纖通信的蓬勃發展，光子技術越來越成熟，光電轉換效率不斷提升，微波光子技術也得到了飛速發展。因而，美國DARPA將微波光子雷達研究第3階段目標定為微波光子信號處理的實現，期望研制出芯片化的微波光子雷達射頻前端，如圖1（d）所示。為此美國DARPA設立了諸多項目^[11]，包括“高線性光子射頻前端技術”（PHORFRONT），“光子型射頻收發”（P-STAR），“適于射頻收發的光子技術”（TROPHY），“超寬帶多功能光子收發組件”（UL?TRA-T/R），“光任意波形產生”（OAWG），“可重構的微波光子信號處理器”（PHASER）、“大瞬時帶寬AD變換中的光子帶寬壓縮技術”（PHOBIAC），“模擬光信號處理”（AOSP），“高精度光子微波諧振器”（APROPOS）等。目前不少項目及其衍生項目還在執行中。盡管美國DARPA對微波光子學的研究投入了大量人力財力，大大推動了微波光子學的發展，但其更加重視微波光子學基礎技術的攻關，而在微波光子雷達系統上的報道較少。

1.2 歐盟微波光子雷達研究進展

不同于美國，歐盟更加關注微波光子雷達系統的研究。世界十大防務集團之一——意大利芬梅卡尼卡集團認為微波光子雷達系統的發展要分4步走，如圖3所示。第1步，采用光子技術輔助射頻功能的完成，主要包括利用光纖進行射頻信號的遠距離傳輸等；第2步，采用光子完成復雜的射頻功能，包括高頻高穩高純微波信號的光學產生，利用光子技術進行微波信號的移相濾波變頻采樣等處理；第3步，光子技術取代部分電技術在雷達系統中發揮作用，主要涉及光控波束形成在部分雷達系統中的應用；第4步，采用光子技術構建雷達系統，亦即實現全光的雷達收發樣機。

圖3、歐盟微波光子雷達發展規劃
Fig. 3 Development plan of microwave photonic radar of European Union

歐盟第1次在雷達系統中測試微波光子技術要追溯到1996年歐洲最大防務電子集團——泰勒斯（Thales）集團完成的光控相控陣樣機^[15]，如圖4（a）所示。不同于美國休斯飛機公司的光纖波束控制雷達系統，泰勒斯集團的光控相控陣系統采用了空間光延時模塊對信號的延時進行控制。該系統工作于2.5~3.5 GHz，擁有16個陣元，可實現5 bit的延時控制和6 bit的相位控制。實驗中完成了2.7~3.1 GHz范圍內±20°的波束控制，無波束傾斜效應。此后泰勒斯集團還基于空間光延時實現了緊湊的真延時單元，并進行了外場測試，可實現6~18 GHz，掃描角度為±20°的無波束傾斜波束控制。該模塊的照片和結果如圖4（b）~（c）所示。

圖4、泰勒斯集團的光控相控陣樣機、真延時單元照片及外場測試結果

Fig. 4 Optically controlled phased array prototype of Thales, the photo of true time delay module, and the results of the field test

2013年，意大利國家光子網絡實驗室的Bogoni團隊完成了1個結合微波光子多載波產生、發射和接收的光子雷達收發信機PHODIR（圖5（a）），該工作于2014年3月在《Nature》

發表^[16]。在發射端，具有超低抖動的鎖模激光器產生1串光頻梳輸入到微波光子信號發生器中。在微波光子信號發生器中，光頻梳信號被分成兩路，分別經過2個光濾波器選出2根梳齒，其中1根梳齒調制上中頻信號，另1根梳齒經過頻移后與前1根梳齒合并拍頻，實現雷達發射信號的產生。通過選擇不同的梳齒可以產生400 MHz~40 GHz頻率步進可調的雷達發射信號。在接收端，利用鎖模激光器產生的光脈沖對接收到的雷達回波進行超快采樣。采樣后的信號經過光串并轉換和時域拉伸進行降速，再進入低速電模數轉換器中做進一步的量化和編碼。該方案采用了鎖模激光器為雷達發射機提供可重構波形，理論上可以產生上百GHz的微波信號，同時為接收機的光模數變換提供超低抖動的窄脈沖，避免了混頻器的使用，提高了系統的穩定性和靈敏度，保證了收發相差。PHODIR雷達還進行了外場測試，得到了如圖5（b）~（e）所示的結果。其中圖5（b）為外場測試飛機的起飛軌道，圖5（c）為A所在點的距離-速度圖，圖5（d）為距離和速度分辨率的放大圖，圖5（e）為未使用編碼時的距離圖，圖5（f）為使用了13位巴克碼編碼的距離圖。從實驗結果可以看出，未使用編碼前系統的距離分辨率為150 m，速度分辨率為2 km/h。編碼后系統的距離分辨率提升至23 m。該系統的探測距離可達30 km。

圖5、PHODIR 雷達及外場測試結果
Fig. 5 Schematic diagram and the field test result of PHODIR

2015年，Bogoni研究組^[17]對系統進行了改進，將PHODIR雷達拓展至雙波段。系統核心是1個雙波段射頻發射機和1個雙波段射頻接收機，如圖6所示。在發射端，鎖模激光器產生的寬譜信號分成3路，分別通過3個光濾波器選出不同載波的光梳齒，其中第1路被調制上中頻波形信號，后與第2路和第3 路合并拍頻，拍頻可以得到2 個載有信息的射頻信號。分兩路由2個射頻前端進行選頻放大，而后經過天線發射出去。在接收端，天線接收到的雷達回波經過選頻放大等操作被重新調制回鎖模激光器的1個梳齒上，與另外2根梳齒合并混頻，從而將射頻信號下變頻到中頻。所得到的中頻信號輸入電模數轉換器和數字信號處理模塊中進一步處理。該研究小組還對PHODIR雙波段雷達進行了外場測試，首先對比了PHODIR 和商用X波段SEAEAGLE 雷達成像結果，如圖7所示。圖7（a）為光子雷達探測到港口圖片，圖7（b）、（c）分別是SEAEAGLE雷達和雙波段微波光子雷達X頻段分系統的平面位置指示器圖像，二者符合極好，證明該雙波段雷達樣機已達到了商用先進雷達的性能。隨后又同時發射S和X波段波形對港口的一艘輪船進行成像和測速，并利用發射的S和X波段波形內在的相參性將兩波形進行數據融合，省去了數據融合時復雜的相位校準算法，最終等效成帶寬為兩信號帶寬之和的信號。圖8（a）為目標的圖像，圖8（b）、（c）分別為S、X波段探測到的一維距離像，圖8（d）是利用融合算法合成的一維距離像。此時的探測精度相當于兩信號帶寬之和對應的探測精度，使得圖中顯示出了更多的細節。該小組還對更多的非合作目標進行了合成孔徑成像，如圖8（e）~（j）所示。圖8（e）為空中非合作目標波音737，圖8（h）為海上非合作目標輪船。圖8（f）和（g）分別為S波段和X波段對圖8（e）的成像結果，圖8（i）和（j）分別為S波段和X波段對圖8（h）的成像結果。該系統的最大優點在于通過同一個發射機和接收機同時實現了雙波段信號的發射與接收，大大降低了系統對硬件的要求。此外，該系統在發射機和接收機中使用了同一個鎖模激光器，保證了收發的相干性，有利于通過光混頻方法將信號頻率降到中頻處理。然而，要實現對發射信號頻率的靈活選擇，要么需要多組特定頻率的雷達射頻前端，要么需要性能較好的可調諧電濾波器，這仍然是該系統的挑戰之一。