基于微波光子技術(shù)的實(shí)時(shí)高分辨雷達(dá)成像

潘時(shí)龍，張方正，葉星煒，高彬棟，郭清水

(南京航空航天大學(xué) 雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

雷達(dá)成像是利用微波毫米波照射目標(biāo)，并根據(jù)回波計(jì)算得到目標(biāo)微波像的一種先進(jìn)技術(shù)。利用微波毫米波頻段電磁波對(duì)雨、雪、煙和霧霾的穿透性，以及雷達(dá)的主動(dòng)探測(cè)工作模式，雷達(dá)成像已在航天測(cè)控、遙感和戰(zhàn)場(chǎng)偵查等方面取得了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著無人駕駛、快速安檢、精確制導(dǎo)等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)成像分辨率和實(shí)時(shí)性要求不斷提升，傳統(tǒng)電子雷達(dá)遇到了巨大挑戰(zhàn)。一方面，由于雷達(dá)距離向分辨率與信號(hào)帶寬之間成反比關(guān)系，高分辨成像所需的厘米級(jí)或亞厘米級(jí)分辨率需要雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生帶寬達(dá)數(shù)吉赫茲甚至數(shù)十吉赫茲的微波毫米波信號(hào)，且所產(chǎn)生的寬帶信號(hào)需要具有相參性。另一方面，為提升雷達(dá)成像的實(shí)時(shí)性，并減輕后端數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的處理壓力與功耗，雷達(dá)收發(fā)機(jī)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)大帶寬微波信號(hào)的模擬域?qū)崟r(shí)處理。以上兩方面需求對(duì)傳統(tǒng)的基于純電子技術(shù)的雷達(dá)收發(fā)機(jī)提出了巨大挑戰(zhàn)。此外，為了提升雷達(dá)成像的方位向/角向分辨率，在合成孔徑雷達(dá)(SAR)或逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)技術(shù)之外，多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)也被引入雷達(dá)成像系統(tǒng)中。這表明：多路正交寬帶信號(hào)的產(chǎn)生與處理需要在多個(gè)通道并行完成。因此，雷達(dá)成像系統(tǒng)迫切需要一種新型技術(shù)來構(gòu)建多通道、大帶寬收發(fā)信機(jī)，以適應(yīng)實(shí)時(shí)高分辨微波毫米波成像的發(fā)展需求。

近年來取得廣泛關(guān)注的微波光子技術(shù)，可借助光子學(xué)手段實(shí)現(xiàn)微波或射頻信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸及處理等功能，具有高頻、寬帶、體積小、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢(shì)[2-4]，被認(rèn)為是突破傳統(tǒng)電子系統(tǒng)頻率與帶寬限制的有效手段。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微波光子技術(shù)已經(jīng)在超低相位噪聲微波源、寬帶微波信號(hào)的產(chǎn)生、幅度相位延時(shí)控制、上下變頻、低損耗穩(wěn)相傳輸、大帶寬模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換等方面顯示出了明顯優(yōu)勢(shì)，并逐步成為先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)途徑。目前，研究人員已提出并驗(yàn)證了許多基于微波光子技術(shù)的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生與處理方案[5-8]，并構(gòu)建了若干微波光子雷達(dá)的系統(tǒng)方案[9-13]，研究結(jié)果充分證明了微波光子技術(shù)在雷達(dá)應(yīng)用中的巨大潛力。

本文介紹了一種新的具備高分辨率探測(cè)與實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力的微波光子雷達(dá)架構(gòu)，詳細(xì)闡述其系統(tǒng)構(gòu)成、原理及特點(diǎn)，并展示其在實(shí)時(shí)高分辨率微波成像上的應(yīng)用。以此為基礎(chǔ)，本文還將介紹微波光子雷達(dá)在MIMO體制下的改進(jìn)與優(yōu)化。

1 微波光子雷達(dá)系統(tǒng)

一種典型的微波光子雷達(dá)系統(tǒng)如圖1所示[10]。其發(fā)射機(jī)利用微波光子倍頻技術(shù)產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，接收機(jī)利用微波光子混頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)回波去斜處理。半導(dǎo)體激光器(LD)發(fā)出的直流光被送入一個(gè)平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(DPMZM)。由低速電信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的中頻線性調(diào)頻信號(hào)(IF-LFM)經(jīng)過一個(gè)90°電橋后，得到的兩路信號(hào)分別加載于雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器的兩個(gè)射頻輸入口。通過設(shè)置雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器的偏置電壓并控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度，經(jīng)過雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器調(diào)制的光信號(hào)僅存在±2階調(diào)制邊帶[14]。此信號(hào)經(jīng)過光耦合器(OC)分為兩路，其中一路經(jīng)過寬帶光電探測(cè)器(PD1)得到線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)，其載波與帶寬均為中頻線性調(diào)頻信號(hào)的4倍，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)中頻線性調(diào)頻信號(hào)的四倍頻操作。得到的線性調(diào)頻信號(hào)由電放大器(EA1)進(jìn)行功率放大，隨后經(jīng)過發(fā)射天線發(fā)射至探測(cè)空間。經(jīng)目標(biāo)反射后的雷達(dá)回波信號(hào)由接收天線收集，經(jīng)過低噪聲放大器放大后用于驅(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器(PM)對(duì)光耦合器輸出的另一路信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。此過程中，輸入相位調(diào)制器的光信號(hào)包含兩個(gè)掃頻光載波，經(jīng)過雷達(dá)回波信號(hào)調(diào)制后，會(huì)在兩個(gè)初始光載波附近產(chǎn)生新的調(diào)制邊帶。產(chǎn)生的調(diào)制邊帶與初始載波的頻率差取決于雷達(dá)回波延時(shí)量，因此使用光帶通濾波器(OBPF)濾出一個(gè)初始光載波及其附近的調(diào)制邊帶，經(jīng)過光電探測(cè)器(PD2)拍頻后，得到電信號(hào)的頻率正比于雷達(dá)回波信號(hào)延時(shí)，即正比于目標(biāo)與雷達(dá)間的距離[15]。此過程利用微波光子混頻實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的去斜處理。經(jīng)過去斜處理后，接收機(jī)僅需采用低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即可進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

圖1 一種典型微波光子雷達(dá)的原理框圖Fig.1 Schematic diagram of proposed microwave photonics-based radar

此雷達(dá)能克服電子器件在工作帶寬方面的限制，在保證超高分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理?；谝陨显恚晒?gòu)建了工作帶寬為8 GHz(18～26 GHz)的K波段雷達(dá)樣機(jī)及工作帶寬為12 GHz(28～40 GHz)的Ka波段雷達(dá)樣機(jī)[15-16]。其中Ka波段雷達(dá)的實(shí)測(cè)分辨率高達(dá)1.3 cm，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中，待測(cè)目標(biāo)為2個(gè)三角形角反射器(2個(gè)目標(biāo)之間的擺放距離為1.3 cm，測(cè)試結(jié)果為1.4 cm)，其與雷達(dá)天線間的距離約為0.8 m。

圖2 探測(cè)角反射器的實(shí)驗(yàn)裝置及去斜后信號(hào)的頻譜Fig.2 Experimental setup for detecting angular reflector and frequency spectrum of de-chirped signals

2 實(shí)時(shí)高分辨ISAR成像

利用構(gòu)建的微波光子雷達(dá)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)高分辨ISAR成像實(shí)驗(yàn)。利用K波段雷達(dá)(帶寬8 GHz)進(jìn)行ISAR成像的結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中探測(cè)目標(biāo)是由若干2 cm×2 cm×2 cm角反射器分別擺放而成的字母“N”“U”“A”“A”。圖3(a)為實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)擺放的實(shí)物圖，擺放面板以約30°傾角安裝在轉(zhuǎn)速為360 (°)/s的轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)與雷達(dá)天線間的距離約為1.2 m。圖3(b)為雷達(dá)樣機(jī)的成像結(jié)果，成像結(jié)果可以清晰地顯示出“N”“U”“A”“A”四個(gè)字母。

圖3 成像實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)實(shí)物與雷達(dá)樣機(jī)成像結(jié)果Fig.3 Photographs of targets and imaging results of prototype radar in experiment

為進(jìn)一步驗(yàn)證微波光子雷達(dá)的實(shí)時(shí)高分辨成像特性，利用構(gòu)建的K波段(帶寬8 GHz)雷達(dá)樣機(jī)，對(duì)葉片裹有錫箔紙的1臺(tái)五葉小風(fēng)扇進(jìn)行ISAR成像實(shí)驗(yàn)。圖4(a)為小風(fēng)扇的靜態(tài)圖，每個(gè)扇葉的長度和寬度分別為16 cm和6 cm。成像實(shí)驗(yàn)中，雷達(dá)天線與目標(biāo)風(fēng)扇間的距離為2.35 m，所用轉(zhuǎn)臺(tái)在水平面內(nèi)以2 (°)/ms 的角速度旋轉(zhuǎn)。經(jīng)微波光子去斜處理后，回波信號(hào)中目標(biāo)對(duì)應(yīng)的頻譜分量位于26 MHz附近。該信號(hào)以100 MSa/s的速率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。總時(shí)長為100 ms的信號(hào)得以存儲(chǔ)，其中每一幀圖像對(duì)應(yīng)的相參累積時(shí)間為10 ms，對(duì)應(yīng)的成像速率為100 幀/s。圖4(b)～4(d)分別為第1幀、第2幀與第5幀的成像結(jié)果。以上成像結(jié)果的二維分辨率優(yōu)于2 cm×2 cm，5個(gè)葉片可以清晰地加以區(qū)分?？紤]到目前的數(shù)字雷達(dá)接收機(jī)已經(jīng)能對(duì)采樣率為100 MSa/s的數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，快速甚至實(shí)時(shí)ISAR成像可在搭建的微波光子雷達(dá)樣機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。若通過對(duì)雷達(dá)樣機(jī)的簡單調(diào)節(jié)使LFM 信號(hào)的啁啾率減小，去斜后信號(hào)的頻率可進(jìn)一步降低，這將減小實(shí)時(shí)成像的難度。

圖4 實(shí)時(shí)高分辨ISAR成像實(shí)驗(yàn)的成像目標(biāo)與成像結(jié)果Fig.4 Imaging target and results in imaging experiment based on real-time high-resolution ISAR

圖5 外場(chǎng)ISAR成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及多幀成像結(jié)果Fig.5 Setup and imaging results of prototype ISAR in field experiment

利用構(gòu)建的K波段微波光子雷達(dá)樣機(jī)(帶寬8 GHz)，進(jìn)一步對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行外場(chǎng)ISAR成像實(shí)驗(yàn)[17]，結(jié)果如圖5所示。此實(shí)驗(yàn)中，成像目標(biāo)為低空飛行的小型無人機(jī)，其機(jī)身長150 cm，翼展為180 cm，機(jī)翼寬度為20 cm。進(jìn)行ISAR圖像的計(jì)算重構(gòu)時(shí)，每一幀圖像的相參累積時(shí)間為40 ms，對(duì)應(yīng)的多普勒頻率分辨率為25 Hz。圖5中4幀連續(xù)的圖像由總時(shí)寬為160 ms的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。從圖5可看出，無人機(jī)與雷達(dá)天線間的距離約為17 m。無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)可通過4幀圖像中主要部分對(duì)應(yīng)的多普勒頻率，即方位向坐標(biāo)的變化得到證實(shí)。實(shí)驗(yàn)中ISAR成像速率高達(dá)25 幀/s，這證明所構(gòu)建的微波光子雷達(dá)在實(shí)時(shí)高分辨雷達(dá)成像實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

此外，本文構(gòu)建了Ka波段微波光子成像雷達(dá)(帶寬12 GHz)，并對(duì)小型飛機(jī)模型進(jìn)行了ISAR轉(zhuǎn)臺(tái)成像實(shí)驗(yàn)[16]。實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為360 (°)/s，飛機(jī)模型機(jī)身長為29.2 cm，翼展為32 cm。雷達(dá)接收機(jī)對(duì)去斜信號(hào)的采樣率為2.5 MSa/s，進(jìn)行ISAR成像時(shí)的相參累積時(shí)間為200 ms。成像結(jié)果清晰地顯示出飛機(jī)模型的輪廓。

3 微波光子MIMO雷達(dá)成像

基于以上微波光子雷達(dá)架構(gòu)，本文提出了一種MIMO微波光子雷達(dá)系統(tǒng)，目的是利用空間采樣代替時(shí)間采樣，能在相同的累積時(shí)間內(nèi)獲得更高的方位向分辨率[18]。微波光子MIMO雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中：OC為光耦合器; WDM為波分復(fù)用器; EDFA為摻鉺光纖放大器; PD為光電探測(cè)器; EA為電放大器; PA為功率放大器; LNA為低噪聲放大器; MZM為馬赫-曾德爾調(diào)制器; LPF為電低通濾波器; ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

該MIMO雷達(dá)由M個(gè)發(fā)射機(jī)和N個(gè)接收機(jī)基于波分復(fù)用結(jié)構(gòu)組合而成。其中M個(gè)激光器提供不同中心波長的激光作為光源，分別送入M個(gè)DPMZM中。利用低速的任意波形發(fā)生器產(chǎn)生M個(gè)帶寬和啁啾率相同但中心頻率不同的中頻線性調(diào)頻信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)M個(gè)DPMZM，并調(diào)節(jié)DPMZM的偏壓使其工作在四倍頻模式。M個(gè)DPMZM輸出的光信號(hào)通過波分復(fù)用器(WDM)合并為一路，并送入摻鉺光纖放大器(EDFA)中進(jìn)行放大。放大后的光信號(hào)經(jīng)過光耦合器分成兩路，上路送入寬帶光電探測(cè)器中完成光電轉(zhuǎn)換，下路則經(jīng)過光纖傳輸后送入接收機(jī)作為參考信號(hào)。上路光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器拍頻后產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過電放大器放大后分成M個(gè)分別送入不同中心頻率的電帶通濾波器中，產(chǎn)生M個(gè)帶寬相同、中心頻率不同的線性調(diào)頻信號(hào)。最后，這些線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過功率放大后分別由M個(gè)發(fā)射天線發(fā)射，被探測(cè)目標(biāo)反射后由N根接收天線接收。每個(gè)接收天線接收到回波信號(hào)后，在接收機(jī)中對(duì)其進(jìn)行去斜處理、多路分離和數(shù)字采樣，獲得M個(gè)數(shù)字信號(hào)。因?yàn)橛蠳根接收天線，所以最終可以得到M×N個(gè)數(shù)字信號(hào)。在該MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的每個(gè)接收機(jī)中，為了確保多通道的去斜信號(hào)能被無干擾地分離出來，發(fā)射的M個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的頻率范圍應(yīng)該滿足以下條件：1)相鄰?fù)ǖ谰€性調(diào)頻信號(hào)的起始頻率間的差值應(yīng)遠(yuǎn)大于去斜后信號(hào)的頻率值；2)發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)頻率值應(yīng)大于相鄰?fù)ǖ篱g線性調(diào)頻信號(hào)的初始頻率差值。由于去斜后的信號(hào)頻率一般都很低，對(duì)寬帶雷達(dá)系統(tǒng)來說上述兩個(gè)條件都很容易滿足。

為驗(yàn)證所提出的微波光子MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的可行性，搭建了一個(gè)2×2 MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，并進(jìn)行了目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)。如圖7(a)所示，2根發(fā)射天線 (T1和T2) 分別分布在 (0,0) 和 (20 cm,0)處，2根接收天線(R1和R2) 分別分布在 (90 cm,0)和 (110 cm,0)處。探測(cè)目標(biāo)是一個(gè)尺寸為6 cm×4 cm的金屬平板 (T)，目標(biāo)擺放在距天線陣列2 m左右的任意位置 (x,y)，使目標(biāo)到天線的距離遠(yuǎn)大于兩個(gè)發(fā)射(接收)天線的間距。進(jìn)行3組測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7(b) 所示。從圖中可看到，利用該2×2 MIMO雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試得到的目標(biāo)位置和實(shí)際目標(biāo)位置十分接近，3組結(jié)果的誤差都在5 cm內(nèi)。

圖7 2×2 MIMO雷達(dá)系統(tǒng)天線陣列與探測(cè)目標(biāo)坐標(biāo)位置分布與目標(biāo)定位測(cè)試結(jié)果Fig.7 Positions of antenna array and detected target and experimental results obtained with 2×2 MIMO radar

進(jìn)一步對(duì)該MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的ISAR成像功能進(jìn)行仿真研究。仿真中MIMO雷達(dá)系統(tǒng)工作在30～40 GHz頻段內(nèi)，每個(gè)發(fā)射信號(hào)都是帶寬為3 GHz、重復(fù)頻率為2 kHz的寬帶信號(hào)。雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射天線陣列采用文獻(xiàn)[19]中的線性分布：接收天線陣列中相鄰天線間距為5 m，發(fā)射天線陣列與接收天線陣列間距為60 m。探測(cè)目標(biāo)由一系列散射點(diǎn)組成，與雷達(dá)的間距為1 km，以100 m/s的速度向與天線陣列平行的方向移動(dòng)。仿真比較了25 ms相參累積時(shí)間內(nèi)傳統(tǒng)單發(fā)單收ISAR、2×2 MIMO-ISAR、2×4 MIMO-ISAR、3×4 MIMO-ISAR的成像結(jié)果，如圖8所示。由于4種情況下發(fā)射信號(hào)的帶寬相同，每個(gè)圖像的距離分辨率十分接近。在圖8(a)所示傳統(tǒng)單發(fā)單收ISAR成像結(jié)果中，不同的散射點(diǎn)在多普勒域中無法分辨，與其他圖像相比其方位向分辨率最差。在圖8(b)所示2×2 MIMO-ISAR成像結(jié)果中，方位向分辨率有一定的提升；圖8(c)中2×4 MIMO-ISAR成像結(jié)果的方位向分辨率更好；圖8(d)中3×4 MIMO-ISAR成像效果最好，能清楚地分辨出每一個(gè)散射點(diǎn)。對(duì)比上述成像結(jié)果可得出：在相同的相參測(cè)量時(shí)間條件下，與傳統(tǒng)的ISAR系統(tǒng)相比，MIMO-ISAR系統(tǒng)能得到更高的方位向分辨率，可大大提升雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)成像的性能。

圖8 傳統(tǒng)單發(fā)單收ISAR與MIMO-ISAR成像結(jié)果對(duì)比Fig.8 Imaging results obtained by conventional monostatic ISAR and MIMO-ISAR system

4 結(jié)論

本文闡述了基于微波光子倍頻與混頻實(shí)現(xiàn)寬帶微波光子雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本原理，并給出了利用此雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時(shí)高分辨雷達(dá)成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果表明：基于微波光子技術(shù)的雷達(dá)與傳統(tǒng)電子雷達(dá)相比具有明顯的帶寬優(yōu)勢(shì)，低損耗光纖分配網(wǎng)絡(luò)與高隔離度波分復(fù)用技術(shù)也有利于構(gòu)建MIMO成像雷達(dá)。微波光子技術(shù)是發(fā)展新一代具有超高分辨率與實(shí)時(shí)探測(cè)能力雷達(dá)系統(tǒng)的重要技術(shù)途徑。