面向高分辨率雷達的微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)研究進展①

張 武，譚慶貴，蔣 煒，梁 棟，王 迪，龔靜文

(中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)國家級重點實驗室，西安 710100)

0 引言

早期的脈沖雷達，發(fā)射的是固定載頻的脈沖，其距離分辨力反比于發(fā)射脈沖的時寬，而作用距離卻正比于發(fā)射脈沖的時寬，雷達探測距離和距離分辨能力之間存在相互矛盾的問題。脈沖壓縮雷達利用匹配濾波的原理可很好地解決這一矛盾，實現(xiàn)兼具遠探測距離與高距離分辨率的雷達探測。

脈沖壓縮雷達的距離分辨率不再取決于發(fā)射脈沖時寬，而是與所發(fā)射脈沖的帶寬有關(guān)。為了實現(xiàn)高精度的探測，未來雷達系統(tǒng)正朝著大帶寬的方向發(fā)展。脈沖壓縮信號主要包括線性調(diào)頻(LFM)信號和相位編碼信號兩類，目前的雷達系統(tǒng)大多采用LFM信號，受到電子瓶頸限制，單路帶寬僅在2 GHz左右，難以滿足高精度探測的技術(shù)需求。由于相位編碼雷達具有反隱身特性、良好的抗干擾性和低截獲概率，相位編碼信號也具有較好的應(yīng)用場景，相位編碼信號帶寬與編碼速率相對應(yīng)，但目前的相位編碼的速率大多在幾百Mbps的量級，在信號時寬一定的條件下，限制了相位編碼信號的編碼位數(shù)，進而限制了雷達系統(tǒng)的探測分辨率。

微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)，是采用光學(xué)方法實現(xiàn)微波信號的生成，可直接生成大帶寬的脈沖壓縮信號。2014年，意大利國家光子網(wǎng)絡(luò)實驗室的Bogoni團隊完成了結(jié)合微波光子多載波產(chǎn)生、發(fā)射和接收的光子雷達收發(fā)信機PHODIR的研究[1]，展現(xiàn)了微波光子雷達在帶寬方面技術(shù)優(yōu)勢，圖1為該雷達收發(fā)信機的樣機照片和外場測試結(jié)果。自此，微波光子雷達逐漸成為國內(nèi)外研究熱點。目前報道的微波光子雷達的瞬時帶寬可達10.02GHz，實現(xiàn)分辨率為1.68cm的高分辨率探測[2]。作為微波光子雷達系統(tǒng)中一項關(guān)鍵技術(shù)，微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)已在多個微波光子雷達系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，實現(xiàn)了厘米級的高分辨率測距與成像[3-4]。

(a) (b)

文章主要闡述微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)，分類介紹微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)的工作原理、主要實現(xiàn)方法及研究進展。最后對各類微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)進行了對比分析，并分析限制其實際應(yīng)用的具體問題。

1 微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)可主要分為基于微波光子倍頻、基于電光相位調(diào)制、基于光譜整形和頻時映射、基于光注入半導(dǎo)體激光器、基于光脈沖延時拍頻、基于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換等多種技術(shù)類型，下面分類介紹不同技術(shù)類型的工作原理、主要實現(xiàn)方法及研究進展。

1.1 基于微波光子倍頻的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

微波光子倍頻技術(shù)是將電域生成的低頻窄帶線性調(diào)頻(LFM)信號調(diào)制到光域，利用電光調(diào)制器的非線性來實現(xiàn)微波光子倍頻，增加LFM的載頻和帶寬。該方法利用電域成熟的技術(shù)產(chǎn)生窄帶信號，利用光子技術(shù)的大帶寬特性來拓寬其載頻和帶寬，產(chǎn)生高頻、大帶寬的LFM信號。

2014年日本國立信息通信技術(shù)研究所Atsμshi Kanno等人提出了基于雙平行馬增調(diào)制器(DPMZM)的光學(xué)四倍頻的LFM信號生成方案[5]。該方案的結(jié)構(gòu)如圖2所示，任意波形發(fā)生器(AWG)生成載頻為2.890635GHz、帶寬為1.09375GHz、時寬為1μs的LFM信號，先經(jīng)過電八倍頻器倍頻為載頻為23.125GHz、帶寬為8.75GHz、時寬為1μs的LFM信號。該信號經(jīng)由DPMZM調(diào)制到光載波上，由于DPMZM的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性，DPMZM會產(chǎn)生各階光邊帶。通過調(diào)節(jié)DPMZM調(diào)制器的偏壓點在最大工作點來抑制奇數(shù)階光邊帶，使得DPMZM輸出只包含光載波和偶數(shù)階光邊帶。DPMZM輸出端的光譜如圖2(a)所示，主要包含光載波和±2階光邊帶(功率較小的高階邊帶可忽略不計)。然后用光陷波濾波器(OBEF)濾除光載波，只保留±2階光邊帶，光濾波器的輸出如圖2(b)所示。最后將濾波后的信號輸入到光電探測器(PD)中進行拍頻，實現(xiàn)信號的四倍頻。四倍頻信號的時頻曲線如圖2(c)所示，可以看出所生成的LFM信號的載頻為92.5GHz、帶寬為35GHz、時寬為1μs。

圖2 基于DPMZM光學(xué)四倍頻的LFM信號生成技術(shù)

該類方法多基于單個電光調(diào)制器即可實現(xiàn)LFM信號的倍頻，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。目前的微波光子雷達多采用該方法生成大帶寬的LFM信號。但是該類方法仍然需要電子技術(shù)提供低頻窄帶的LFM信號，未完全擺脫電子瓶頸的限制。

1.2 基于電光相位調(diào)制的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于電光相位調(diào)制的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)中，首先將光載波分為兩路，對其中一路進行頻移，另一路進行電光相位調(diào)制。最后將兩路信號耦合后輸入光電探測器進行拍頻，即可生成載頻為兩路信號頻差、帶寬為編碼速率的相位編碼信號。

2014年西安電子科技大學(xué)陳陽等人提出了一種基于DPMZM與相位調(diào)制器(PM)并聯(lián)的相位編碼信號生成方案[6]。該方案的結(jié)構(gòu)如圖3所示，激光器生成的光載波經(jīng)光分路器(OC)分為兩路，其中一路信號利用DPMZM完成光載波的頻移(采用90度電橋?qū)㈩l率為f的本振電信號分為兩路，分別加載到DPMZM的兩個子MZM上，并將子調(diào)制器的偏壓點均設(shè)置在最小點，主調(diào)制器偏壓設(shè)置在正交點，即可對光載波完成頻率間隔為f的頻移)。另一路利用PM對光載波的相位進行調(diào)制。然后將兩路光信號進行偏振耦合，耦合之后的信號經(jīng)過起偏器投射到同一偏振方向上，最后輸入到PD中進行拍頻。本方案采用頻率為20GHz的本振信號來驅(qū)動DPMZM，碼率為500Mb/s的二進制相位編碼信號來驅(qū)動PM，生成了載頻為20GHz，帶寬為500MHz的相位編碼信號。

該類技術(shù)支持通過改變本振信號的頻率(最大可到70GHz)、相位編碼信號的速率(最大可到40 Gb/s)，即可對所生成相位編碼信號的載頻、帶寬進行調(diào)節(jié)，具有靈活可調(diào)的優(yōu)勢。此外，可通過對PM加載拋物線信號來生成LFM信號[7]。但是由于該技術(shù)需要多個電光調(diào)制器，結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜。此外，該方法還需要電信號源來提供本振信號，也未完全擺脫電子瓶頸的限制。

圖3 基于DPMZM和PM的相位編碼生成方案

1.3 基于光譜整形和頻時映射的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于光譜整形和頻時映射的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)中的光譜整形指的是將鎖模激光器輸出光脈沖的光譜進行整形，使光譜中幅度分量呈現(xiàn)脈沖壓縮信號的波形。但是此時光譜的橫軸仍為頻率，需要經(jīng)過頻時映射將橫軸從頻率映射到時間，即可實現(xiàn)脈沖壓縮信號的生成。頻時映射多基于色散效應(yīng)實現(xiàn)，基本原理是不同頻率的光經(jīng)過相同的色散介質(zhì)后會有不同的時延，分別在不同時刻到達光電探測器，由此可將其光譜映射為時域波形。

2013年美國普渡大學(xué)電氣與計算機工程學(xué)院Amir Dezfooliyan等人提出了基于一種基于光譜整形和頻時映射的LFM信號生成方案。該方案的結(jié)構(gòu)如圖4所示，鎖模激光器生成重復(fù)率為50MHz、波長范圍在1520 nm-1610 nm的光脈沖，光脈沖輸入到商用的光脈沖整形器中，對脈沖的光譜進行整形。整形后的光譜如圖4(a)所示，可以看出，若把橫軸看作時間軸，整形后的光譜即為一個LFM信號。整形后的脈沖經(jīng)過色散介質(zhì)(長度為10.3km的單模光纖)來實現(xiàn)頻時映射，最后輸入到光電探測器中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，得到的LFM信號的頻譜和波形如圖4(b)、如圖4(c)所示?？梢钥闯?，生成的LFM信號的載頻為20.5GHz、帶寬為41GHz、時寬為6.8ns。

圖4 基于光譜整形和頻時映射的LFM信號生成方案

該技術(shù)采用全光的方法來實現(xiàn)任意波形的生成，除可生成LFM信號外，也可將光譜整形為相位編碼的波形來生成相位編碼信號，具有大帶寬的優(yōu)勢。但是由于頻時映射要在時域夫瑯和費近似條件下才能成立，即|Φ|·τ2/2π，其中Φ表示色散量，τ表示脈沖寬度。因此，生成信號的脈沖時寬會受到色散量的限制，一般在ns級別。這也是上述方案生成的LFM信號時寬只有6.8ns的原因。

1.4 基于激光器注入的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于激光器注入的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)，是基于當(dāng)激光器注入、從激光器工作在P1態(tài)(Period-one oscillations，該狀態(tài)下從激光器的輸出呈現(xiàn)單邊帶調(diào)制的效果)時，從激光器輸出光信號的波長差可通過控制主激光器的光強來改變的特性來實現(xiàn)LFM信號的生成。2016年，南京航空航天大學(xué)雷達成像與微波光子學(xué)重點實驗室Zhou Pei等人提出了一種基于激光器注入的LFM信號生成方案。圖5為該方案的結(jié)構(gòu)和原理圖，如圖5(b)中A所示，主激光器(ML)輸出頻率為fm的光波，其經(jīng)由一個強度調(diào)制器(IM)注入到從激光器(SL)中。由圖5(b)中B可知，SL在不注入時輸出頻率為fs的光波?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)IM的工作電壓，控制從激光器的注入強度(自由工作時ML輸出光強與SL輸出光強之比)，使得SL工作在P1態(tài)。如圖5(b)中C所示，此時SL輸出的光信號主要由兩部分組成：ML輸出的光波和紅移后SL輸出的光波(頻率為fs')，兩者之間的頻率差fo可通過控制注入強度來改變。因此，可通過調(diào)節(jié)IM的偏壓點，改變SL的注入強度，使得SL輸出光的頻率差fo逐漸增大，然后通過光電探測，即可獲得LFM信號。

圖6(a)為IM的偏置電壓波形，其呈現(xiàn)一個類似鋸齒波的波形。此時，光電探測后LFM信號的波形如圖6(b)所示，其時頻曲線如圖6(c)所示。由圖可知，該方案可生成載頻為16GHz、帶寬為12GHz、時寬為1μs的LFM信號。

(a) (b)

(a) (b) (c)

該技術(shù)采用全光的方式生成LFM信號，其帶寬不再受到電子瓶頸的限制。但是由于需要SL工作在P1態(tài)，此時ML與SL頻差被限定在一定范圍內(nèi)，所以該方法的帶寬也是受限的，一般在40GHz左右。此外，該方法生成信號的線性度還需要進一步的改進，以滿足實際系統(tǒng)對線性度的要求。

1.5 基于光脈沖延時拍頻的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于光脈沖延時拍頻的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)，是利用一個拋物線調(diào)頻的光脈沖，與其延時的信號相拍頻，即可得到LFM信號的原理來實現(xiàn)LFM信號的生成。2015年加拿大渥太華大學(xué)微波光子學(xué)研究實驗室的Olympio L.Coutinho等人提出了一種基于光脈沖延時拍頻的LFM信號生成方案。圖7為該方案的結(jié)構(gòu)圖，任意波形發(fā)生器(AWG)生成拋物線形狀的電脈沖，該脈沖經(jīng)由跨導(dǎo)放大器(TCA)加載到激光器(LD)上，生成拋物線調(diào)頻的光脈沖。此外，AWG還通過光衰減器(ATT)來控制光脈沖的開關(guān)。拋物線光脈沖輸入到一個馬赫增干涉儀(MZI)。在MZI中，光脈沖首先被分為兩路，其中一路經(jīng)過延時后再與另一路進行耦合。耦合后的光脈沖輸入到PD中實現(xiàn)兩路拋物線光脈沖(一路不延時、一路延時)的拍頻來生成LFM信號。該方案生成信號的載頻由MZI中的時延大小決定，帶寬由拋物線脈沖的啁啾率與用于拍頻的有效光脈沖時寬決定。此外，AWG還通過ATT來實現(xiàn)脈沖的開關(guān)，控制生成信號的時寬。

圖8(a)中上方藍色曲線為AWG生成的加載到LD上的拋物線形狀的控制信號，圖8(a)下方綠色曲線為此時PD拍頻后所生產(chǎn)的LFM信號的波形。該信號經(jīng)頻率為3.5GHz的本振信號變頻后的波形與時頻曲線如圖8(b)所示。由圖可知，該方案可生成載頻為3.5GHz、帶寬為4.2GHz、時寬為1μs的LFM信號。

圖7 基于光脈沖注延時拍頻的LFM信號生成方案的結(jié)構(gòu)圖

(a) (b)

該類技術(shù)也是采用全光的方式實現(xiàn)LFM信號的生成，其帶寬也不再受到電子瓶頸的限制。此外，也可對其進一步改進來實現(xiàn)相位編碼信號的生成[11]。但是該方案需要額外的控制電路實現(xiàn)脈沖的開關(guān)控制，在一定程度上增加了其復(fù)雜度。此外，該方法生成信號的線性度還受到拋物線脈沖質(zhì)量的限制，需要進一步改進，以滿足實際系統(tǒng)對線性度的要求。

1.6 基于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

光子數(shù)模轉(zhuǎn)換，是利用光子學(xué)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。然后通過加載不同的編碼，實現(xiàn)任意波形的生成，這其中就包括LFM、相位編碼信號的生成。2018年，清華大學(xué)集成光電國家重點實驗室Peng Shaowen等人提出一種W頻段高分辨率的逆合成孔徑微波光子雷達，該雷達中LFM信號是采用光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(LOPDAC)來生成。

圖9為LOPDAC的結(jié)構(gòu)圖。波長分別為λ1、λ2、……λn的激光器的功率分別為P、2P、……2n-1P，輸出的光載波分別輸入到多個雙驅(qū)動MZM(DMZM)中，DMZM加載的編碼信號為01碼。調(diào)制后的信號通過光耦合器(OC)進行耦合，然后輸入到光電探測器中進行光電轉(zhuǎn)換，此時不同波長的信號會相互疊加，因此可通過控制加載到DMZM上的編碼序列即可實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。然后再將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的信號再由帶通濾波器(BPF)濾除雜波和放大器(Amp)進行功率放大。本方案通過使用DMZM(具有兩個射頻口，可加載兩路時延為1/2周期的01碼)，使得該LOPDAC的采樣率翻倍。

圖9 基于光子DAC的LFM信號生成方案結(jié)構(gòu)圖

實驗驗證了2比特LOPDAC來生成LFM信號的能力，將四路12 Gbit/s 非歸零碼加載到兩個DMZM上，生成了圖10所示的LFM信號[12]。圖10(a)、(b)分別為所生成的LFM信號的波形和時頻曲線圖，由圖可知，該方案可生成載頻為6GHz、帶寬為8GHz、時寬為10μs的LFM信號。

由圖10 可知，該方案可生成較為理想的LFM信號，該LFM信號應(yīng)用于微波光子雷達系統(tǒng)中，實現(xiàn)了分辨率為1.54cm的高分辨率探測。此外，該技術(shù)的穩(wěn)定性也較好。但是，基于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換的方案需要多路激光器與光電探測器，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。此外，該技術(shù)還難以直接生成高頻段的脈沖壓縮信號，在實際雷達系統(tǒng)中，需要采用混頻器將其變頻到高頻段。

2 微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)對比分析

由微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，目前針對該技術(shù)的研究尚處于百花齊放的階段，技術(shù)手段多種多樣，表1對比分析了不同微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的技術(shù)要點、可生成的信號形式及其優(yōu)缺點。

圖10 采用2比特LOPDAC 生成的LFM信號：(a)波形；(b)時頻曲線圖

表1 不同微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)對比

由表1可知，采用微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)可實現(xiàn)高載頻(92.5 GHz)、大帶寬(41GHz)脈沖壓縮信號生成，在頻段、帶寬方面可很好地滿足高分辨率雷達的性能需求。但在其實際應(yīng)用中，系統(tǒng)的復(fù)雜度、穩(wěn)定性是需要重點考慮的因素。目前的微波光子雷達系統(tǒng)中，多采用基于微波光子倍頻的方法來實現(xiàn)LFM信號的生成，主要是考慮到該技術(shù)結(jié)構(gòu)相對簡單且具有良好的穩(wěn)定性。因此，微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)需要多關(guān)注限制該技術(shù)實際應(yīng)用的復(fù)雜度與穩(wěn)定性。此外，雷達作為一個整體的系統(tǒng)，需要確保各子模塊之間具有很好的相干性。需要研究光電反饋控制系統(tǒng)來解決光電系統(tǒng)間的相干性問題。

3 結(jié)束語

微波光子技術(shù)具有大帶寬的技術(shù)優(yōu)勢，微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)，可直接生成高頻、大帶寬的脈沖壓縮信號，有效解決現(xiàn)有高分辨率雷達對脈沖壓縮信號帶寬方面的技術(shù)需求。目前微波光子大帶寬生成技術(shù)，在所生成信號的載頻與帶寬方面均可很好的滿足高分辨率雷達系統(tǒng)的性能需求，但由于一般是采用離散器件搭建實驗系統(tǒng)來驗證大帶寬脈沖壓縮信號的生成能力，相較于現(xiàn)有電子技術(shù)，微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)在穩(wěn)定性、復(fù)雜性、體積、質(zhì)量、功耗等方面不占據(jù)優(yōu)勢。近年來，微波光子集成技術(shù)發(fā)展迅速，微波光子集成技術(shù)可將上述微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)集成到單芯片上，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，減低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減小系統(tǒng)的體積、重量與功耗。

微波光子技術(shù)除可實現(xiàn)大帶寬脈沖壓縮信號生成之外，也可實現(xiàn)大帶寬脈沖壓縮信號的脈壓、去斜、采樣等接收端的處理。所以，可利用微波光子集成技術(shù)，將脈沖壓縮信號的生成與接收集成到一個微波光子芯片上。該芯片結(jié)合功率放大、收發(fā)天線與電域DSP處理等技術(shù)，即可實現(xiàn)一個完整的雷達系統(tǒng)。該雷達系統(tǒng)可充分發(fā)揮微波光子技術(shù)寬帶的技術(shù)優(yōu)勢，有望實現(xiàn)亞厘米級的雷達探測，對于提高雷達系統(tǒng)的探測精度，具有重要的意義。綜上所述，集成化、芯片化應(yīng)被視為微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。