相干光帶雷達技術研究

陳華礎

(1. 中國電子科技集團公司 智能感知技術重點實驗室, 南京 210039) (2. 南京電子技術研究所, 南京 210039)

·總體工程·

相干光帶雷達技術研究

陳華礎1,2

(1. 中國電子科技集團公司 智能感知技術重點實驗室, 南京 210039) (2. 南京電子技術研究所, 南京 210039)

對DARPA提出的相干光帶雷達的概念、方法和工作原理做了闡述。首先，介紹了具有非頻變特性的等角螺旋天線及其在納米尺度的制作工藝；其次，討論了系統(tǒng)架構設計，通過參考源的掃頻方式實現(xiàn)對寬波段信號的相干接收和處理，從而獲得場景和目標的全電磁頻譜特征；最后，探討了天線單元的陣列形式，通過陣列的分組和單元尺寸的控制，使得相干光帶雷達的頻率檢測范圍從X射線到毫米波。

相干光帶；螺旋天線；掃描光柵；微動補償

0 引 言

美國國防部先進研究計劃局(DARPA)在總結雷達的過去、現(xiàn)在和將來一文中，提到了雷達未來發(fā)展的四個方向，包括先進的無人機雷達、認知雷達、知識輔助雷達和相干光帶雷達[1]。其中，相干光帶雷達的概念是由美國賓夕法尼亞州大學提出的，目的是兼顧雷達與光電子學領域的雙重優(yōu)勢，通過二者的技術融合實現(xiàn)雷達系統(tǒng)架構設計的優(yōu)化，從而提高未來雷達系統(tǒng)的探測性能。

在可見光領域，大多數(shù)電子成像器件都是光子型的，只能響應光的強度，區(qū)分不了光的顏色(波長)。要想獲得彩色圖像，需通過紅、綠、藍三色帶通濾波組合而成。從能量的譜分布看，合成的顏色是失真的，而且總能量損失三分之二。如果在光域采用波長敏感器件并且能夠響應很寬的波段，再通過相應的系統(tǒng)設計就有可能獲得場景/目標大范圍的連續(xù)光譜信息。等角螺旋天線具有超帶寬的非頻變特性，是波長敏感器

件合適的選擇，而納米技術的發(fā)展為研制光波段的螺旋天線陣列提供了基礎。

在系統(tǒng)設計層面上，DARPA提出了相干光帶雷達的實現(xiàn)原理，即采用衍射光柵將參考光分解成連續(xù)光譜，并使譜線按照順序逐個匯聚到天線上；同時目標的輻射能量通過鏡頭匯聚到螺旋天線上，兩個光頻信號在天線上進行混頻產(chǎn)生基帶信號；再由傳統(tǒng)的電子設備接收和處理，從而獲得目標的電磁頻譜分量。

如果將幾個不同尺寸螺旋天線單元進行組合，則可通過波段拼接實現(xiàn)從X射線到毫米波的全電磁頻譜探測；而如果將多個螺旋天線單元制作成焦平面陣列時，系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)圖譜合一的超光譜成像。

1 螺旋天線及其制作工藝

等角螺旋天線能在很大的頻程范圍內(nèi)(比如fmax/fmin>10)工作，且阻抗、特性基本上不變化，因而稱為非頻變天線[2]。平面等角螺旋天線由兩個對稱臂組成，如圖1所示，它可看成是一變形的傳輸，兩個臂的四條邊由下述關系確定

(1)

圖1 平面等角螺旋天線

在螺旋天線的起始端由電壓激勵激起電流并沿兩臂傳輸。當電流傳輸?shù)絻杀壑g近似等于半波長區(qū)域時，便在此發(fā)生諧振，對外產(chǎn)生很強的輻射，而在此區(qū)域之外，電流和場很快衰減。當增加或降低工作頻率時，天線上有效輻射區(qū)沿螺旋線向里或向外移動，但有效輻射區(qū)的電尺寸不變，使得方向圖和阻抗特性與頻率幾乎無關。實驗證明：臂上電流在流過約一個波長后迅速衰減到20 dB以下，因此其有效輻射區(qū)就是周長約為一個波長以內(nèi)的部分。

平面等角螺旋天線的輻射場是圓極化的，且雙向輻射即在天線平面的兩側各有一個主波束，如果將平面的雙臂等角螺旋天線繞制在一個旋轉的圓錐面上，如圖2所示，則可以實現(xiàn)錐頂方向的單向輻射，而方向圖仍然保持寬頻帶和圓極化特性。平面和圓錐等角螺旋天線的頻率范圍可以達到20倍額程或者更大。

圖2 圓錐等角螺旋天線

通過調(diào)整天線的尺寸和參數(shù)，等角螺旋天線能夠接收毫米波、紅外、可見光、紫外、X射線等各自的整個譜段。2009年美國公布的專利介紹了在可見光波段納米尺寸螺旋天線的制作工藝，現(xiàn)做一簡要描述[3]。

在制作平面螺旋天線時，用蝕刻的方式將導電材料沉積在硅片上；而在制作圓錐體的螺旋天線時，則將導電材料分層沉積，錐體高度按待測波長的1/4到約12倍呈奇數(shù)增加。天線中間的孔隙用電解方法形成，孔隙尺寸和密度由電解時的電流密度、溶液的化學成分和沉浸在電解溶液中的長度來確定。電解后，這些孔隙再用適合光波檢測的材料進行充填，充填后的棒長與檢測的波長相匹配。充填材料為鋁的氧化物，當該氧化物以水晶形式存在時就是俗稱的藍寶石，其折射率為1.76，對200 nm～5 000 nm波長來說是透明的。

當螺旋天線單元組成陣列時，通過改變天線的尺寸分別調(diào)諧到不同的頻率范圍。每組天線單元在頂部都有自己指定的電連接，但所有天線單元都有共同的鋁基底連接。

該發(fā)明的意義在于借助納米技術能夠制作光波段尺寸維度的天線，而這些天線具有的超寬帶和高信噪比特性，這為全光譜探測系統(tǒng)的設計帶來了機遇和挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)架構及其工作原理

相干光帶雷達系統(tǒng)工作在可見光波段(約400 THz～700 THz)，帶寬接近一個倍頻程，要接收和處理這樣大的信息量，傳統(tǒng)的雷達架構難以滿足。DARPA中給出了相干雷達的系統(tǒng)架構[1]，如圖3所示。

圖3 相干光帶雷達原理示意圖

圖3僅是一個概念圖，缺乏對細節(jié)的描述。本文結合文獻[3]將其細化并整理成具有可操作性的系統(tǒng)功能框圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)采用鎢鹵素燈作為信號參考源，這是一個全光譜光源，它的光線被準直后通過一狹縫，然后聚焦在可調(diào)的衍射光柵上。光柵的作用是把混合光分解成一個連續(xù)的光譜。把光柵固粘在一個壓電晶體材料的基底上，通過電壓控制光柵的角度位置，從而移動光柵反射光的譜線位置，再通過狹縫選擇所需要的譜線，聚焦到天線單元上。因此，當壓電光柵采用鋸齒波控制時，就可以在天線單元上產(chǎn)生一個連續(xù)的光域掃頻信號。掃頻范圍和周期由施加在壓電晶體上的鋸齒波電壓范圍和周期確定。

來自目標或場景的光信號和參考光在天線單元上產(chǎn)生混頻，其中瞬時差頻信號采用100 MHz的低通濾波進行選擇。100 MHz帶寬對應的線寬約為0.001 nm。相對傳統(tǒng)光子探測器的好處是能夠通過頻率分割得到一個極窄的線寬，而光濾波器是難以達到的。

通過掃頻和外差作用，得到目標的基帶信號，再經(jīng)窄帶濾波、低噪聲放大和門限檢測，輸出兩路信號：一路是與掃描電壓對應的頻率字；另一路是通過模數(shù)(AD)采樣獲得該頻率的數(shù)字分量，從而獲得目標的頻譜分布。在參考信號的掃頻范圍(可見光約400 THz～700THz)，100MHz的檢測窗口是非常小的，約占掃頻范圍的1/3000000。若掃描400THz～700THz需1 s，則時間窗口為333 ns。對于一個靜態(tài)場景，捕獲時間不是問題，可以低速重復掃描，但對瞬時圖像以及移動目標，快速掃描所獲得的能量過低，不利于檢測。另一方面，在整個光頻帶范圍平均分配掃描時間也不合理，因為一個特定目標的頻譜范圍可能集中在某個局部區(qū)域。

圖4的系統(tǒng)設計采用“微掃描”技術來實現(xiàn)對較低光譜能量的捕獲。經(jīng)濾波后的光譜能量存儲在“微動補償”模塊，為第二次掃描在該頻率附近做一個修正。例如，在該頻率上下200 MHz時，對鋸齒波電壓進行補償，將掃頻速率降低到原來的萬分之一。圖5給出了將原鋸齒波電壓疊加上補償電壓所得到的合成掃描信號。當待測頻率檢測后，可恢復到原來的工作模式。若發(fā)現(xiàn)有多個頻率，則可分段進行補償，而每一個補償段又可進行若干次微循環(huán)掃描來加強該頻率信號的檢測強度，以保證高于門限檢測電平。

圖5 參考源掃描微動補償

圖4所列系統(tǒng)架構包含的主要部件和關鍵技術有全光譜光源以及它的譜分解和均衡技術；納米螺旋天線的材料和制作工藝；光譜掃描裝置設計及其新技術應用；微動補償?shù)南到y(tǒng)控制和有效性驗證。其中，全光譜光源除了鎢鹵素燈外，也可采用飛秒激光器，即把飛秒激光器發(fā)射的超短脈沖聚焦到透明介質(zhì)上，介質(zhì)受到瞬間激發(fā)從而產(chǎn)生全光譜的相干光[4]。光譜掃描裝置除了采用壓電晶體和反射光柵的組合體外，也可采用數(shù)字微鏡(DMD)技術來實現(xiàn)譜線的掃描。

3 天線陣列運用展望

將多個等角螺旋天線單元制作成陣列形式，并通過光柵掃描覆蓋整個陣列，可得到陣列中每個單元的信號輸出，如圖6所示。輸出的組合定義了這些譜分量的空間分布，即采用陣列形式能夠同時獲得每個單元的頻譜特征及其單元組合的全光譜圖像。對于可見光外的其他波段探測，可將探測結果按波長進行分割，得到若干個圖層，然后再通過偽彩色處理獲取所需的圖像。

圖6 譜線掃描及其陣列輸出

這種圖譜合一的成像設備目前在空間遙感領域得到廣泛應用，但其中大多數(shù)設備的光譜通道數(shù)受限于探測器像元的數(shù)量，一般只有數(shù)百個光譜通道。采用本系統(tǒng)架構，由于電濾波器的帶寬可以靈活選擇，光譜通道數(shù)可以比現(xiàn)有設備多得多。

陣列單元也可以分組，每個組覆蓋一個頻率范圍，而組里的每個單元又可以有不同的響應波長，這樣就可以較少的單元組成超帶寬的探測系統(tǒng)。對天線而言，只需改變組里不同單元的尺寸即可，但這樣一個大帶寬的系統(tǒng)可能需要幾個參考源，如紅外、可見光、紫外等波段來覆蓋。而每一個參考源又要劃分若干個波段的話，參考源的掃描結構就異常復雜，一個可能的途徑是采用數(shù)字微鏡(DMD)技術來實現(xiàn)，如圖7所示。

DMD陣列為二維面陣，最近報道的單元數(shù)可達2 048×1 024，偏轉角度為+12°、0°、-12°，各單元的偏轉角可獨立控制[5]。當不同參考源通過譜分解后投射到DMD陣面上，由計算機控制DMD的單元偏轉來選擇哪根譜線能夠進入光路，再由偏轉鏡反射到指定天線單元。由于DMD的數(shù)據(jù)率可達數(shù)千赫茲，所以快速地控制數(shù)字微鏡單元的偏轉角度，就能夠?qū)崿F(xiàn)參考源的選擇及其譜線的掃描。

圖7 多參考源數(shù)字微鏡投射示意圖

4 結束語

相干光帶雷達屬無源雷達，其特點就是以傳統(tǒng)的電處理方法實現(xiàn)極大的寬帶檢測能力。通過采用不同的參考源、適當尺寸的天線單元和譜線掃描裝置，就能夠檢測和分析X-射線、紫外、紅外、太赫茲到毫米波等不同輻射源的頻譜結構，或者同一種物質(zhì)在不同波段所表現(xiàn)出的反射和吸收的頻譜特征。相對目前各種高光譜遙感設備[6]，本方法能將光譜分辨精度提高2～3個數(shù)量級。

[1] SABIO V. Advanced radar development at DARPA past、present and future[R]. [S.l.]: Emerging Spectrum Technology Workshop, 2010.

[2] 宋 錚, 張建華, 黃 冶. 天線與電波傳播[M]. 西安：西安電子科技大學出版社, 2011. SONG Zheng, ZHANG Jianhua, HUANG Ye. Antenna and electric wave transmission[M]. Xi′an: Xidian University Press, 2011.

[3] ROSENTHA E D, SOLOMON R J, JOHNSON C E. Electromagnetic spectral-based imagine devices and methods[P]. US 7,521,680 Bl, 2009: 4-21.

[4] ROSENTHAL E, SOLOMON R J, JOHNSON C. Full spectrum color projector[P]. US 6,985,294 Bl. 2006-01-10.

[5] EASLEY D B, BENDER M, CROSBY J, et al. Dynamic infrared scene projectors based upon the DMD [C]//Emerging Digital Micromirror Device Based Systems and Applications .[S.l.]: SPIE Press, 2009, 7210:.

[6] 張 達, 鄭玉權. 高光譜遙感的發(fā)展與應用[J]. 光學與光電技術, 2013, 11(3): 67-73. ZHANG Da, ZHENG Yuquan. Hyperspectral remote sensing and its development and application review[J]. Optics and Photoelectronic Technology, 2013, 11(3): 67-73.

陳華礎 男，1957年生，研員級高級工程師。研究方向為雷達系統(tǒng)技術。

A Study on Coherent Lightband Radar Technology

CHEN Huachu1,2

(1. Key Laboratory of Intelli Sense Technology, CETC, Nanjing 210039, China) (2. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

This paper expounded on the concept, method and principle of coherent lightband radar recommended by DARPA. First, it introduced the frequency-independent equiangular spiral antenna and its fabrication technics at the nanometer scale. Next, it discussed the system design. By means of frequency sweep, the coherent receiving and processing for broad band signal could be achieved, and the full-electromagnetic spectrum characteristics would be obtained. Finally, it dealt with the antenna array forms. By grouping array and controlling element size, the frequency will be detected in the range from X-rays to millimeter-waveband.

coherent lightband; spiral antenna; scan grating; dithering compensation

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.008

陳華礎 Email：chenhuachn@163.com

2016-09-20

2016-11-19

TN957.51

A

1004-7859(2016)04-0041-04