微波光子技術(shù)在信號情報偵察中的應(yīng)用研究

冀貞海，侯文棟，寧 勇，田 達，朱偉強

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

?

微波光子技術(shù)在信號情報偵察中的應(yīng)用研究

冀貞海，侯文棟，寧 勇，田 達，朱偉強

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

由于微波光子技術(shù)的寬帶特性、低損耗和抗干擾等優(yōu)勢，微波光子技術(shù)在信號情報偵察領(lǐng)域已經(jīng)引起了強烈關(guān)注，尤其在微波信號的產(chǎn)生、處理、控制及傳輸?shù)确矫?。著重對微波光子中光學(xué)真延時光控陣列技術(shù)和光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在寬帶信號情報偵察系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究。分析了當前信號情報偵察系統(tǒng)面臨的問題以及利用微波光子技術(shù)的解決框架思路，闡述了光學(xué)真延時技術(shù)和光學(xué)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)途徑，并對應(yīng)用前景進行了分析，最后給出結(jié)論。

微波光子；光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換；光學(xué)真延時

0 引言

隨著雷達、通信等電子信息技術(shù)不斷發(fā)展進步，電磁信號環(huán)境越來越復(fù)雜，無線電技術(shù)偵察應(yīng)用對多功能陣列、寬帶大動態(tài)接收處理的技術(shù)需求日益增加，對寬帶相控陣天線以及寬帶/超寬帶信號數(shù)字化的采樣速率和量化精度提出了很高的要求。與此同時，隨著光纖、激光技術(shù)、電光調(diào)制器、光電探測器以及各種光學(xué)元器件的發(fā)展和日趨成熟，光學(xué)處理技術(shù)在信號情報偵察領(lǐng)域的應(yīng)用前景不斷擴大。微波光子學(xué)是研究微波和光信號之間的交叉學(xué)科，已廣泛應(yīng)用于寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、雷達、衛(wèi)星通信及設(shè)備、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。微波光子學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，其中微波和毫米波信號的光子方法產(chǎn)生及處理、光控陣列處理技術(shù)、基于光纖的射頻傳輸以及光學(xué)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換是當前的研究熱點。本文主要針對光學(xué)真延時光控陣列和光學(xué)/光電混合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)兩個方向在信號情報偵察系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了探討。

1 信號情報偵察系統(tǒng)現(xiàn)狀及解決思路1.1 信號情報偵察系統(tǒng)現(xiàn)狀

當前日益復(fù)雜的空間電磁信號環(huán)境對信號情報偵察有效載荷的技術(shù)能力提出了更高的要求。隨著電子技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代雷達、通信、導(dǎo)航、測控等系統(tǒng)發(fā)射的信號越來越多地采用了高效調(diào)制和低截獲概率技術(shù)，信號樣式越來越復(fù)雜、新體制不斷出現(xiàn)；無線電信號的頻率使用范圍不斷變寬，信號密度不斷增大，信號環(huán)境越來越復(fù)雜。與地面相比，空間信號情報偵察由于視場范圍大，在某些頻段，系統(tǒng)面對的信號環(huán)境可能比地面更復(fù)雜，而且目標距離遠，感興趣的信號更微弱。在這樣的環(huán)境下，要有效地進行信號截獲測量、分選識別、解調(diào)解譯和測向定位，對有效載荷的靈敏度、動態(tài)范圍、信號處理能力等都提出了更高的要求。此外，與地面或艦載等應(yīng)用相比，空間應(yīng)用往往對載荷體積、質(zhì)量、功耗有嚴格限制，而為了在空間輻射環(huán)境下可靠工作，必須考慮抗輻照設(shè)計，器件選擇余地小，這些因素進一步增加了有效載荷的設(shè)計難度。

光學(xué)真延時的光控陣列具有增益高、波束指向精確、抗干擾能力強、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，是解決傳統(tǒng)信號情報偵察系統(tǒng)的重要技術(shù)途徑。目前，光纖延遲線的延遲精度可達ps量級，為寬帶/超寬帶相控陣天線開辟了另一條新的技術(shù)途徑，可以大大提高寬帶/超寬帶信號情報偵察系統(tǒng)的靈敏度、測向定位能力(測向精度、測向速度和截獲能力)、抗干擾能力和對寬帶/超寬帶信號的適應(yīng)能力，具有廣泛的發(fā)展前景和應(yīng)用價值，是當前一個前沿、熱門的研究課題。

另外，對于寬帶信號情報偵察系統(tǒng)，數(shù)字信號處理是其中重要的、必不可少的組成部分。數(shù)字信號處理實現(xiàn)的前提是首先將模擬信號完成到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。近二十年來，傳統(tǒng)電學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換的制造工藝建立在硅集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上已非常成熟，但高采樣速率和高有效位數(shù)二者不可兼得，采樣速率每增加1倍，位數(shù)就降低1位?，F(xiàn)在位數(shù)為4位最好的電ADC采樣速率達到10GSA/s左右；而14位電ADC采樣速率僅為1GSA/s左右。電ADC性能的進一步提高遇到了重大的技術(shù)難題，特別是：①將孔徑抖動降低到1ps 以下；②最大采樣速率超過10GSA/s；③在滿足①②的基礎(chǔ)上功耗降低到小于5W，而近6～8年來,電ADC 在這方面的進步是微乎其微。與傳統(tǒng)的電學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)相比，光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換可以適應(yīng)很高的信號帶寬，可以直接對射頻信號進行采樣處理。另外，光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換還可以充分利用光纖在傳輸上帶寬大、損耗低、無干擾的優(yōu)點，實現(xiàn)對采樣信號的遠距離傳輸，實現(xiàn)前端探測與后端處理的分離，因此可以應(yīng)用于更加廣泛的科研和軍事領(lǐng)域。同時，光學(xué)器件的集成化和模塊化也促進了光學(xué)器件體積的不斷縮小，系統(tǒng)集成度不斷提高，使得光學(xué)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有小型化、集成化的發(fā)展?jié)摿挖厔荨?/p>

1.2 解決思路

基于微波光子技術(shù)的寬帶信號情報偵察系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 微波光子技術(shù)的信號情報偵察系統(tǒng)組成框圖

其中光學(xué)真延時光控陣列模塊利用光學(xué)真延遲技術(shù)，將多個陣元接收下來的微波信號通過光學(xué)真延遲處理。加權(quán)合成信號與前端天線直接接收下來相比，信號質(zhì)量高，更利于后續(xù)的信號處理。合成信號送入光電混合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，利用光延遲線大帶寬和延遲精確可調(diào)的優(yōu)勢，光電轉(zhuǎn)換后進行高速采樣處理。然后利用數(shù)字信號處理技術(shù)對相應(yīng)的信息進行參數(shù)測量和分析，最終完成提取偵察截獲的信息內(nèi)容。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 光學(xué)真延時相控陣

2.1.1 原理

光纖是傳統(tǒng)相控陣中龐大笨重的同軸電纜或波導(dǎo)理想的替代品。光控陣列陣不但具有普通相控陣的優(yōu)點，其自身還有一系列明顯的優(yōu)勢，如具有更小的體積、質(zhì)量，更大的瞬時帶寬，更小的傳播損耗，較強的抗電磁干擾能力。光控陣列領(lǐng)域內(nèi)射頻信號的分布、延時控制、真延時波束形成和射頻信號的處理都是最近20年的研究熱點。

圖2 光控相控陣接收系統(tǒng)組成示意圖

光控相控陣接收系統(tǒng)基本組成如圖2所示。通過電光調(diào)制器將微波信號調(diào)制到光波上，再將光波注入光延時陣列網(wǎng)絡(luò)，各路激光經(jīng)過延時陣列控制網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)過不同的時間延遲，最后完成波束合成實現(xiàn)一定角度的波束掃描。光控相控陣的基本工作原理與傳統(tǒng)相控陣基本相同，但是傳統(tǒng)相控陣存在波束偏斜的現(xiàn)象。波束偏斜指對于不同頻率的射頻信號，雷達陣列的波束最大值指向隨著頻率的變化而發(fā)生變化。波束偏斜的原因可以通過相控陣波束掃描的原理來解釋,如圖3所示。

圖3 相控陣波束掃描原理

A與B是相控陣接收系統(tǒng)的兩個相鄰陣元，相距為d，其波程差為ΔR，故相位差為：

Δφ=(2π/λ)ΔR=(2π/λ)dsinθ

(1)

采用電移相器對波束進行掃描時需要在A點增加Δφ相位，即

θ=arcsin(Δφλ/(2πd))

(2)

可以看到波束掃描角與射頻信號的波長(頻率)相關(guān)，這就是導(dǎo)致波束偏斜現(xiàn)象的根本原因。若采用光延時線來代替電移相器可以簡單地消除這個現(xiàn)象，只需A點增加延時線使得ΔL=ΔR，此時：

θ=arcsin(ΔL/d)

(3)

圖5 不同實現(xiàn)方式波束傾斜比較圖

可以看到，波束轉(zhuǎn)向角與射頻信號的波長無關(guān)，只與陣元間隔和延時線長度相關(guān)。因此光控相控陣接收系統(tǒng)有效改進了傳統(tǒng)相控陣接收系統(tǒng)有波束偏斜的缺點，只需控制光纖延時線的長度就能改變射頻信號的相位，并且能保證不同頻率的信號獲得相同的相位延時，也被稱作光學(xué)真延時。

2.1.2 技術(shù)實現(xiàn)

在光控相控陣接收系統(tǒng)中，光學(xué)真延時網(wǎng)絡(luò)是形成大瞬時帶寬、無波束偏斜的波束的關(guān)鍵單元。前人已經(jīng)提出多種實現(xiàn)光學(xué)真延時網(wǎng)絡(luò)的方法，如使用光開關(guān)控制光波通過的光纖長度、使用可調(diào)激光器或多波長激光器配合高色散光纖或者光纖布拉格光柵獲得延時、使用級聯(lián)諧振腔以及集成光波導(dǎo)等。其中基于光開關(guān)的光纖延遲線由于結(jié)構(gòu)簡單、延時范圍和延時大小可以很大而成為現(xiàn)階段應(yīng)用最多的光纖延時結(jié)構(gòu)。光纖延遲線有兩種基本的拓撲結(jié)構(gòu)：旁路結(jié)構(gòu)和差分結(jié)構(gòu)。在兩種結(jié)構(gòu)中，旁路結(jié)構(gòu)比差分結(jié)構(gòu)少用一個光開關(guān)，結(jié)構(gòu)相對緊湊，封裝也較小，但是受到光纖彎曲半徑的限制，最小的延遲時間比較大，延遲精度比較低，同時損耗也較大。差分結(jié)構(gòu)相對旁路結(jié)構(gòu)最小延遲時間較小，損耗小且一致性好。旁路結(jié)構(gòu)和差分結(jié)構(gòu)的2位光纖延遲線,如圖4所示。

圖4 光纖延遲線的基本拓撲結(jié)構(gòu)

通過控制2×2的光開關(guān)來選擇光波的傳輸路徑，可以實現(xiàn)0,Δt,2Δt,3Δt這四個不同的延時。類推到N位的光纖延遲線，可達到的延時最大值為：

ΔTmax=(2N-1)Δt

(4)

N位光纖延遲線能實現(xiàn)從Δt到(2N-1)Δt，間隔為Δt的離散延時。圖5(a)顯示了頻率從10GHz變化到20GHz時，間隔為1GHz，陣列因子的遠場輻射方向圖變化情況?？梢郧宄乜吹剑靼甑闹赶螂S著返回信號的頻率而變，這種現(xiàn)象顯著地降低了系統(tǒng)的性能。如何消除波束傾斜，一種解決的方法是利用真時延。這種方法包括引入一個時延到輸出信號，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相位步進。該時延對所有頻率是常數(shù)，因此變換成與頻率無關(guān)的可變的相移。圖5(b)為引入真延時方法的結(jié)果。天線頻率10～20GHz，這次真延時代替了傳統(tǒng)的相移，這些陣元引入一定的時間步進，顯示了參與真時延方法遠場輻射模式陣列因子，可以清晰看出，主瓣沒有隨著反饋信號的頻率而變化。

2.2 光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換

2.2.1 原理

圖6 光學(xué)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換原理框圖

光學(xué)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理框圖如圖6所示。鎖模激光器(MLL)產(chǎn)生的高速穩(wěn)定的光脈沖序列作為采樣脈沖，該采樣脈沖信號輸入到電光調(diào)制器(EOM)中，寬帶模擬信號作為調(diào)制信號加到電光調(diào)制器(EOM)上，在電光調(diào)制器中，寬帶模擬電信號對采樣光脈沖進行幅度調(diào)制，等效為采樣光脈沖對寬帶模擬信號的幅度進行采樣。從電光調(diào)制器輸出的光脈沖序列，已經(jīng)含有了寬帶模擬信號的強度信息。此后，通過光電探測器(PD)把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，轉(zhuǎn)化后的電信號通過電子模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行量化、編碼處理，成為數(shù)字電信號。

2.2.2 技術(shù)實現(xiàn)

1)集成光學(xué)技術(shù)階段

在20世紀70年代中期至80年代中期，主要采用集成光學(xué)技術(shù)，其主要的3種器件形式為LiNb03波導(dǎo)Mach-Zehnder干涉儀陣列、平衡橋式調(diào)制器和通道光波導(dǎo)Fabry-Perot調(diào)制器陣列。

2)光電混合模數(shù)轉(zhuǎn)換

從20世紀90年代開始，通過借鑒光通信中的時分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)，開始采用光電混合方式的時分復(fù)用或波分復(fù)用方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過并行處理的方式來降低所需要的采樣速率。

3)基于光子拉伸的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

美國加里福尼亞大學(xué)提出了一種利用時間拉伸(時域展寬)的方法來實現(xiàn)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的思路，實現(xiàn)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的思路，如圖7所示。

在數(shù)字化采樣之前首先降低信號的帶寬，這種思路對光電轉(zhuǎn)換帶來了革命性的變化，構(gòu)造了一個時分-波分復(fù)用的光學(xué)A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)可以達到100GSA/s采樣率，射頻信號的帶寬可以適應(yīng)20GHz。

3 結(jié)束語

基于微波光子學(xué)的信號情報偵察技術(shù)，可以提高信號情報偵察系統(tǒng)的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力、數(shù)字化程度和高速數(shù)據(jù)處理能力，也是信號情報偵察系統(tǒng)建設(shè)的當務(wù)之急。研究成果的取得將有利于解決信號情報偵察領(lǐng)域內(nèi)寬帶陣列信號處理中的同類問題。另外，其應(yīng)用平臺適用于星載，也可用于機載、艦載、地面等寬帶/超寬帶信號情報偵察系統(tǒng)，在寬帶信號接收、處理方面具有廣泛的應(yīng)用前景。■

圖7 基于光子拉伸技術(shù)的光電混合ADC系統(tǒng)

[1] Heaton M,Jiang PS,Damian G.A novel wavelength division multiplexed system architecture for high resolution sampling and digitisation of broadband microwave signals[J]. Proc. of SPIE,2007,6739.

[2] Yao JP.Microwave photonics[J].Journal of lightwave Technology,2009,27(3).

[3] 張長命,等.高速光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分析[J].應(yīng)用光學(xué),2005,26(3):50-53.

[4] 陳穎，陳向?qū)? 基于孤子效應(yīng)的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換方案[J].四川兵工學(xué)報，2010,31:24-27.

[5] Ikeda K, Abdul JM, Tobioka H, et al. Design considerations of all-optical A/D conversion: nonlinear fiber-optic sagnac-loop interferometer-based optical quantizing and coding[J].IEEE Lightwave Technol., 2006,24(7):2618-2628.

Research on the application of microwave photonic in the intelligence reconnaissance

Ji Zhenhai， Hou Wendong， Ning Yong， Tian Da， Zhu Weiqiang
(No.8511 Research Insititute of CASIC,Nanjing 210007,Jiangsu,China)

Broadband and low loss capability and anti-jamming of microwave photonics has led to an ever-increasing interest in its use for the generation, processing, control and distribution of microwave signals for applications in electronic intelligence reconnaissance. The techniques develope in microwave photonics are reviewed with an emphasis on the systems architectures for photonic true-time delay beam forming and photonic analog-to-digital conversion.The facing problem of current intelligence reconnaissance is analysized, the principle and key techniques in realization of optical true-time delay and photonic analog-to-digital conversion are discussed, and finally the conclusion is given.

microwave photonic；photonic analog-to-digital conversion；optical true-time delay

2016-03-28；2016-08-26修回。

冀貞海(1976-)，男，研究員，博士,主要研究方向為電子偵察與微波光子技術(shù)。

TN97

A