微波光子雷達(dá)技術(shù)綜述

田躍龍，劉志國

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 雷達(dá)部，陜西 西安 710068)

微波光子雷達(dá)技術(shù)綜述

田躍龍，劉志國

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 雷達(dá)部，陜西 西安 710068)

傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)受制于電子學(xué)速率瓶頸，在高速微波毫米波生成和采樣等方面遇到很多問題。微波光子雷達(dá)運(yùn)用光子學(xué)手段和合成器件，替代傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵部件，可以以光子學(xué)方法解決這些問題，生成雷達(dá)的射頻發(fā)射信號，對射頻信號進(jìn)行上變頻，對射頻接收信號直接進(jìn)行光采樣，對射頻信號進(jìn)行下變頻，對射頻接收信號進(jìn)行微波光子濾波，進(jìn)行光學(xué)真時延控制，和用光子射頻移相器替代傳統(tǒng)移相器。文中對微波光子雷達(dá)這些方面的替代和改進(jìn)分別進(jìn)行了介紹，指出它們的優(yōu)勢，并重點對目前最新的光子學(xué)軟件化定義相干雷達(dá)和多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)做了核心結(jié)構(gòu)的分析。光控相控陣?yán)走_(dá)和多相干波段光子學(xué)雷達(dá)以大帶寬的優(yōu)勢，有望引領(lǐng)新一代雷達(dá)發(fā)展方向。

微波光子雷達(dá)；多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)；光子學(xué)上下變頻；光采樣；光學(xué)真時延；光子射頻移相器

用傳統(tǒng)的電子學(xué)方法，難以解決高速微波毫米波的生成、采樣與其它一些問題。微波光子相控陣?yán)走_(dá)具有大帶寬、不受電磁干擾、質(zhì)量輕、體積小、無相互輻射干擾的優(yōu)勢，有望革新各種軍用雷達(dá)系統(tǒng)，特別是環(huán)境受限條件下雷達(dá)系統(tǒng)。單波段和多波段軟件定義全相干雷達(dá)，具有大帶寬，低功耗的優(yōu)勢，為相干脈沖多普勒處理提供穩(wěn)定相位，還可以以最小的計算開銷，通過多波段數(shù)據(jù)融合提高多倍的系統(tǒng)探測分辨率，實現(xiàn)可配置軟件化定義信號生成，有望引領(lǐng)新一代雷達(dá)發(fā)展方向。

1 微波光子雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 微波毫米波的光學(xué)產(chǎn)生方法

最簡單的微波毫米波光學(xué)產(chǎn)生方法是光外差法[1]。微波光子雷達(dá)選擇光外差法直接生成高頻射頻信號并直接發(fā)射，因其具有很多優(yōu)勢：頻率可以很高，理論上只受光檢測器帶寬的限制；信號功率大；采用基帶信號或中頻信號來傳輸，色散效應(yīng)小。因此，光外差法被廣泛應(yīng)用于光子學(xué)軟件化定義相干雷達(dá)和多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)，有望引領(lǐng)新一代雷達(dá)，替換原有的電子上下變頻方法。

光外差法原理如下。兩束偏振態(tài)相同的光波同時射入高頻光檢測器上，因其平方律檢波，這兩個光信號將拍頻，產(chǎn)生頻率為兩光波頻率之差的射頻信號。將基帶信號或中頻信號調(diào)制在其中一路光信號上。兩束光只有具有很高的相干性，才能產(chǎn)生低相位噪聲和高穩(wěn)定度的信號。

1.2 微波毫米波的光域處理

微波毫米波的光域處理解決了傳統(tǒng)電子學(xué)方法存在的速率瓶頸問題，具有低損耗、高帶寬、不受電磁干擾，采樣頻率高的優(yōu)勢，適合應(yīng)用于微波光子雷達(dá)。其采樣頻率更是高達(dá)數(shù)百GHz，帶寬高達(dá)數(shù)十GHz[1]。而電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器由于采樣時鐘抖動、采樣保持電路穩(wěn)定時間，和比較器的處理速度的限制，很難實現(xiàn)數(shù)百GHz高速模數(shù)采樣。微波光子濾波、頻率變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換和光域放大是主要的光域處理手段

。1.3 微波光子濾波器

相較傳統(tǒng)的微波濾波器，微波光子濾波器具有調(diào)諧性、可重構(gòu)性、抗電磁干擾等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于雷達(dá)射頻系統(tǒng)中。微波光子濾波器原理如下。

數(shù)字濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表示為

(1)

采用非遞歸結(jié)構(gòu)，即ak=0(k=1，2，3，…)

(2)

線性差分方程為

(3)

因此，與電子濾波器一樣，微波光子濾波器由幾種基本的運(yùn)算單元組成：采樣抽頭、常數(shù)乘法器、加法器和單位延時單元。

表1 微波光子濾波器中基本運(yùn)算單元對應(yīng)的光元件[1]

1.4 射頻任意波形產(chǎn)生技術(shù)

與電子學(xué)射頻任意波形產(chǎn)生技術(shù)相比，光子學(xué)射頻任意波形產(chǎn)生技術(shù)寬帶寬、高頻率、低相位噪聲、易調(diào)諧、成本低、體積小、質(zhì)量輕，抗電磁干擾能力強(qiáng)，在雷達(dá)射頻信號產(chǎn)生上具有巨大潛力。基于傅里葉變換光脈沖整形的光學(xué)任意波形產(chǎn)生技術(shù)是基本的光子學(xué)射頻任意波形產(chǎn)生技術(shù)[1]，原理如下。

任一連續(xù)周期信號都可以分解為一系列余弦諧波相加

(4)

式中，Ak為幅度，φk為相位。采用具有足夠多譜線數(shù)量N的相干光源，分別控制每條譜線的幅度和相位，(即控制Ak和φk)，來合成任意周期信號。相干光源可選用增益開關(guān)激光器、半導(dǎo)體鎖模激光器等。

2 微波光子相控陣?yán)走_(dá)

微波光子相控陣?yán)走_(dá)具有如下優(yōu)勢：大帶寬、不受電磁干擾、易遠(yuǎn)程控制、質(zhì)量輕、體積小、無相互輻射干擾、帶寬相對光載波頻率小、傳輸穩(wěn)定。其有望革新各種軍用雷達(dá)系統(tǒng)，特別是環(huán)境受限條件下雷達(dá)系統(tǒng)，例如機(jī)載(或艦載)共形相控陣?yán)走_(dá)。

微波光子相控陣?yán)走_(dá)是微波陣列天線采用光真時延遲線代替?zhèn)鹘y(tǒng)真時延的新型雷達(dá)。光真時延遲線進(jìn)行粗真時延控制，結(jié)合光子射頻移相器進(jìn)行真時延的精確控制，從而控制微波陣列天線的波束方向。

2.1 光真時延遲線的實現(xiàn)方法

光真時延遲線的優(yōu)勢包括：損耗低、色散低、質(zhì)量輕、體積小、不受電磁干擾。故光真時延遲線可逐步替代傳統(tǒng)真時延。

光真時延分為兩種方式：改變光纖物理長度和改變光波波長[1]。改變光纖長度這種方法優(yōu)勢為對激光器要求不高，劣勢為需要大量元器件，無法實現(xiàn)高精度連續(xù)掃描；而改變光波波長這種方法通過不同的色散元件來改變波長，優(yōu)勢為可實現(xiàn)高精度大角度掃描，劣勢為對器件和工藝要求高。

圖1 基于光開關(guān)和固定長度光纖的真時延示意圖[1]

圖1為5 bit單通道光時延示意，由2×2光開關(guān)切換信號傳輸光路，經(jīng)固定長度光纖實現(xiàn)32個不同的時延量。

2.2 基于外差混頻技術(shù)的光子射頻移相器

此種光子射頻移相器的優(yōu)勢為可以對相位連續(xù)精確控制、集成度高、體積小、質(zhì)量輕、損耗低，是移相器未來的發(fā)展方向。其原理如下：中間的馬赫-曾德爾干涉儀后光路分為兩路。光路M1經(jīng)移頻器，信號頻率由激光器發(fā)光角頻率ωc變?yōu)棣豤+ω，其中，ω為RF信號角頻率。光路M2經(jīng)過移相器后移相Φ(VDC)。Vout頻率為M3與M4之差

Vout=C{1+cos[ωt+Φ(VDC)]}

(5)

其中，C為常數(shù)；Vout相較RF移相Φ(VDC)。

圖2 基于外差混頻技術(shù)的光子射頻移相器原理圖[1]

3 基于光子學(xué)的軟件化定義相干雷達(dá)

單波段光子學(xué)軟件定義全相干雷達(dá)具有如下優(yōu)勢：大帶寬、低功耗，為相干脈沖多普勒處理、目標(biāo)成像和雜波抑制提供穩(wěn)定相位；系統(tǒng)基于鎖模激光器(Mode-Lock Laser，MLL)，具有內(nèi)在相位和幅度穩(wěn)定性，光子學(xué)射頻收發(fā)器可以在極寬的頻率范圍內(nèi)生成高質(zhì)量寬帶載波，特別是極高頻載波[3-5]；以極高的精度直接數(shù)字化高頻信號；可重構(gòu)和軟件定義射頻信號生成。單波段光子學(xué)軟件定義全相干雷達(dá)，以大帶寬和高頻率等一系列優(yōu)勢有望引領(lǐng)新一代雷達(dá)發(fā)展方向。

3.1 基于光子學(xué)的射頻收發(fā)器

基于光子學(xué)的軟件化定義相干雷達(dá)的核心是光子學(xué)射頻收發(fā)器，優(yōu)勢有：基于單個鎖模激光器，具有極小的整體開銷；脈沖激光源內(nèi)在相位鎖定，可生成極高頻載波，具有極低的相位噪聲；鎖模激光器低時間抖動，光子學(xué)射頻接收器克服電子學(xué)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器探測高頻信號的不足，可以對高達(dá)40 GHz載波信號進(jìn)行高于7個有效位的直接采樣，射頻信號下變頻無需電子混頻和本振，其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于光子學(xué)的射頻收發(fā)器結(jié)構(gòu)[2]

圖3的下部分是光子學(xué)射頻接收器[2]。由于鎖模激光器具有低時延抖動，對克服電子高頻采樣極限具有重要意義。天線前端接收到的射頻信號調(diào)制于鎖模激光器光脈沖上，直接被采樣，避免了多級本地振蕩器下變頻。采樣可以高達(dá)40 GHz。之后，對采樣脈沖進(jìn)行光電探測，通過電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器與具有鎖相環(huán)電路的鎖模激光器同步，數(shù)字化采樣脈沖極值[15]。如果如圖3虛框所示，在光采樣后插入串并轉(zhuǎn)換器(Serial-to-Parallel Converter，S/P)來減小光脈沖速率，之后，就可以使用窄帶寬高精度電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化采樣脈沖極值。該光子學(xué)射頻接收器可以實現(xiàn)高于7個有效位精度的數(shù)字化[35]。文獻(xiàn)[16～17]介紹了基于光子學(xué)的超寬帶射頻接收器。

圖3的上部分是光子學(xué)射頻生成器，可參考多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)射頻生成器一節(jié)。如果只是簡單地外差鎖模激光器的兩條譜線，得到的發(fā)射信號頻率和接收信號頻率將是鎖模激光器重復(fù)頻率的整數(shù)倍。而采樣頻率恰好是鎖模激光器的重復(fù)頻率。根據(jù)帶通采樣理論，這將導(dǎo)致無法實現(xiàn)采樣。因此需要將鎖模激光器生成的兩條譜線中的一條進(jìn)行微小頻移。通過高精度直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)生成中頻信號，并將其相位和幅度調(diào)制在一條譜線上，從而對該譜線進(jìn)行微小頻移[18]。

3.2 微波光子相干雷達(dá)系統(tǒng)

微波光子相干雷達(dá)系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：光子學(xué)射頻接收器具有工作在極高頻段的數(shù)字后端，系統(tǒng)可靠可重構(gòu)，使得電子模數(shù)采樣部分的噪聲和損耗?。还庾訉W(xué)射頻收發(fā)器生成的信號可以幅相調(diào)制于任何波形，有效支持脈沖壓縮技術(shù)；光子學(xué)集成電路使得系統(tǒng)大小和質(zhì)量大幅下降。而相比之下，電子學(xué)方法很難直接生成穩(wěn)定的調(diào)制信號，多次上變頻增大了信號的相位噪聲。電子學(xué)射頻接收器受限于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入帶寬，速度和精度。

圖4 微波光子相干雷達(dá)系統(tǒng)[20]

該微波光子相干雷達(dá)如圖4所示。鎖模激光器供給接收模塊和發(fā)射模塊。鎖模激光在發(fā)射模塊被分為兩路，一路經(jīng)DDS生成的100 MHz脈沖調(diào)制，再經(jīng)光電二極管外差拍頻，產(chǎn)生9.9 GHz雷達(dá)脈沖，送入射頻前端；另一路經(jīng)DDS生成的100 MHz載波參考信號調(diào)制，再經(jīng)光電二極管外差拍頻，產(chǎn)生9.9 GHz載波參考信號，送入接收模塊。射頻前端收到的9.9 GHz回波信號被送入接收模塊，經(jīng)馬赫-曾德爾調(diào)制器調(diào)制于一路鎖模激光，對回波信號直接采樣。采樣后回波信號變?yōu)?00 MHz光信號，經(jīng)光電二極管光電轉(zhuǎn)換后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器繼續(xù)采樣。接收模塊收到來自發(fā)射模塊的9.9 GHz載波參考信號。該載波參考信號經(jīng)馬赫-曾德爾調(diào)制器調(diào)制于一路鎖模激光，被直接采樣，變?yōu)?00 MHz光信號，經(jīng)光電二極管光電轉(zhuǎn)換后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣參考。由于相干雷達(dá)原理上基于回波信號的微小多普勒頻移，故模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要100 MHz的載波參考信號。

4 多相干波段的光子學(xué)相干雷達(dá)

多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)具有諸多優(yōu)勢：多相干波段的采用使得多譜成像成為可能；高穩(wěn)定性和大帶寬滿足了軟件化定義雷達(dá)性能與靈活性的需求；低功耗；以最小的計算代價，通過多波段數(shù)據(jù)融合提高了系統(tǒng)探測分辨率；高靈敏度和高射頻源穩(wěn)定性；精確的寬帶信號探測和數(shù)字化；可配置的軟件化定義射頻信號生成，能夠產(chǎn)生30 GHz以上的多頻段寬帶毫米波波形，同時為相干脈沖多普勒處理提供穩(wěn)定相位；多波段光子學(xué)接收器具有直至毫米波的數(shù)字后端。多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)有望在單波段光子學(xué)軟件定義全相干雷達(dá)大帶寬，高頻率的基礎(chǔ)上有效提升系統(tǒng)探測分辨率。

多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)基于單個光子學(xué)收發(fā)器。鎖模激光器同時給多波段光子射頻接收器和多波段光子射頻生成器提供鎖模激光信號[26-28]。生成器和接收器分別對多波段射頻信號進(jìn)行光子學(xué)上下變頻[22]。文獻(xiàn)[22～23]研究了基于單個光子學(xué)射頻收發(fā)器的多波段軟件定義相干雷達(dá)，在文獻(xiàn)[22～24]專門展示了S和X雙波段全相干雷達(dá)。

4.1 光子學(xué)多頻段射頻生成器

光子學(xué)多頻段射頻生成器相較傳統(tǒng)射頻生成器具有諸多優(yōu)勢：大帶寬、高信噪比，不受電磁干擾；低損耗和相位噪聲；靈活生成直到毫米波的極高頻信號，具有極高的相位穩(wěn)定性，能根據(jù)天氣、目標(biāo)距離、目標(biāo)材質(zhì)、所需精度來選擇載波頻段；基于單個光子學(xué)射頻收發(fā)器，簡化多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)，花銷低。

圖5 傳統(tǒng)和光子學(xué)多頻段射頻生成器[21]

以雙頻段射頻生成器為例。傳統(tǒng)的雙頻段射頻生成器中，中頻波形生成器產(chǎn)生的兩路中頻信號需要經(jīng)過多級上變頻后才能分別被兩個射頻前端發(fā)送出去。而基于光子學(xué)的射頻信號生成器則不需要多級上變頻[30]。首先從鎖模激光器中濾出3條譜線[6-10]，頻率分別為v0，v0+NΔv和v0+MΔv。中頻波形生成器產(chǎn)生的兩個中頻信號同時被調(diào)制到一路鎖模激光 譜線上，與另兩路頻率分別為v0，v0+NΔv和v0+MΔv的鎖模激光合路后經(jīng)光電二極管外差拍頻，上變頻產(chǎn)生兩個頻段的射頻信號[29]，分別經(jīng)兩個射頻前端發(fā)出[11-13]。鎖模激光器具有內(nèi)在鎖相功能，因此直到極高頻段的載波都具有極低的相位噪聲[14]。光子學(xué)多頻段射頻接收器與光子學(xué)多頻段射頻生成器結(jié)構(gòu)類似。文獻(xiàn)[19]和[31]介紹了相干雷達(dá)的雙波段光子學(xué)射頻收發(fā)器和測量目標(biāo)的多普勒頻移結(jié)果。

4.2 光子學(xué)相干雙波段雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合

光子學(xué)雙波段相干雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的優(yōu)勢在于，基于光子學(xué)射頻收發(fā)帶來的雙波段數(shù)據(jù)相干特性，以極低的計算復(fù)雜度，增加接收目標(biāo)的分辨率[32-34]和靈敏度。而傳統(tǒng)的雙波段雷達(dá)數(shù)據(jù)由于不相干，數(shù)據(jù)融合的計算復(fù)雜度大幅增加。

圖6 光子學(xué)相干雙波段雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合[25]

光子學(xué)雙波段相干雷達(dá)數(shù)據(jù)融合與光子學(xué)多波段相干雷達(dá)數(shù)據(jù)融合類似，以光子學(xué)雙波段相干雷達(dá)數(shù)據(jù)融合為例。光子射頻接收器接收到的雙波段信號首先經(jīng)模數(shù)采樣和現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)數(shù)字下變頻。而后，可以分別對S波段和X波段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也可以將S波段和X波段數(shù)據(jù)融合后進(jìn)行處理。其中，M是雷達(dá)信號個數(shù)，N是每個雷達(dá)信號的采樣點數(shù)，M×N矩陣就是雷達(dá)數(shù)據(jù)。融合處理過程分兩步：第一步，對兩波段的M×N矩陣做多普勒頻移修正和時間窗對齊；第二步，由于兩波段信號是相干信號，只需將兩波段的M×N矩陣直接相加，得到的新矩陣將具有雙倍雷達(dá)分辨率。如果不是兩相干信號，非相干信號的數(shù)據(jù)融合需要信號對齊的迭代算法，增加了繁重的計算時間。

5 結(jié)束語

本文針對微波光子雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)和微波光子雷達(dá)對傳統(tǒng)雷達(dá)關(guān)鍵部件的替代與改進(jìn)，以及替代與改進(jìn)的優(yōu)勢做了分析，并重點介紹了最新的光子學(xué)軟件化定義相干雷達(dá)和多相干波段光子學(xué)相干雷達(dá)。微波光子雷達(dá)以光子學(xué)上下變頻、光采樣、光學(xué)真時延和光子射頻移相器解決了傳統(tǒng)雷達(dá)由于電子速率瓶頸造成的不足、高頻率、大帶寬，可以在多方面提升雷達(dá)整體性能，有望引領(lǐng)新一代雷達(dá)發(fā)展方向。

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A Review of Photonics-Based Radar Techniques

TIAN Yuelong，LIU Zhiguo

(Radar Division, 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Xi’an 710068, China)

As traditional radar system is subject to the electronic speed bottleneck, there are many problems in high speed microwave and millimeter wave generation and sampling. With photonics and photonic microwave devices, photonics-based radars can replace some key components of the traditional radar system, and can solve problems above. By photonics, RF signals of radar for transmission can be generated, up-conversion and down-conversion of RF signals can be achieved, optical sampling of received RF signals can be completed, received RF signals can be filtered, optical true time delay can be achieved, and the traditional RF phase shifter can be replaced by the photonic RF phase shifter. Replacement and improvement above are introduced in this paper with their advantages pointed out, and the core structure of latest photonics-based software-defined coherent radar and photonics-based multiband coherent radar are discussed. Optically controlled phased array radars and photonics-based multiband coherent radars, with advantages of huge bandwidth, are expected to lead to the radar of the next generation.

photonics-based radar; photonics-based multiband coherent radar; photonics-based up and down conversion; optical sampling; optical true time delay; photonic RF phase shifter

2017- 03- 08

國家自然科學(xué)基金(61403311)

田躍龍(1988-)，男，博士，助理工程師。研究方向：微波光子雷達(dá)，雷達(dá)系統(tǒng)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.052

TN958

A

1007-7820(2017)05-193-06