微波光子技術(shù)在制導(dǎo)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

尚 震，馬曉華

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088;2.火箭軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，江蘇南京 210000)

0 引言

未來戰(zhàn)爭將是地、海、空、天一體化的多維空間立體戰(zhàn)，是以打擊特定目標(biāo)為主的信息化局部戰(zhàn)爭，精確制導(dǎo)類武器彈藥以其射程遠(yuǎn)、精度高等特點成為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的主戰(zhàn)武器，得到廣泛的應(yīng)用，其數(shù)量比例從第一次海灣戰(zhàn)爭的10%一躍增加到伊拉克戰(zhàn)爭中的90%以上。實戰(zhàn)證明,精確制導(dǎo)武器的先進(jìn)程度、裝備數(shù)量對作戰(zhàn)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)、兵力兵器對比乃至戰(zhàn)爭結(jié)局都會產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

精確制導(dǎo)武器采用高精度探測、控制及制導(dǎo)技術(shù)，能夠有效從復(fù)雜背景中探測、截獲、識別及跟蹤目標(biāo)。雷達(dá)導(dǎo)引頭作為導(dǎo)彈的“眼睛”，是實現(xiàn)精確制導(dǎo)的關(guān)鍵設(shè)備，自誕生以來就被廣泛研究[1-2]。然而，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和日趨復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境，要求雷達(dá)導(dǎo)引頭能夠在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境背景下進(jìn)行遠(yuǎn)距離多目標(biāo)搜索、跟蹤與制導(dǎo)。為滿足未來的作戰(zhàn)需求，目前制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展趨勢朝著更高更寬發(fā)展:高是更高的工作頻率，利于雷達(dá)導(dǎo)引頭實現(xiàn)精確制導(dǎo)；寬是更寬帶的工作頻率，能夠提升雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾能力。然而，受限于電子系統(tǒng)自身瓶頸現(xiàn)象，即高頻特效不好，電子技術(shù)難以實現(xiàn)寬帶信號的產(chǎn)生、控制和處理，嚴(yán)重制約了制導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

近年來，雷達(dá)研究開始引入越來越多的微波光子技術(shù)解決上述問題。微波光子技術(shù)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的毫米波信號，頻段高，相噪低。利用微波光子技術(shù)在實現(xiàn)大帶寬的任意波形信號上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。將其應(yīng)用在雷達(dá)導(dǎo)引頭上，可采用脈內(nèi)調(diào)頻、脈間跳頻技術(shù)來實現(xiàn)抗干擾，采用脈沖壓縮及合成寬帶算法來實現(xiàn)距離高分辨。微波光子系統(tǒng)通過利用光電子器件替代電子器件,解決了傳統(tǒng)電子學(xué)信號處理中的“電子瓶頸”問題。微波光子系統(tǒng)同時具有光子技術(shù)和微波技術(shù)的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的微波系統(tǒng)相比具有帶寬大、抗電磁干擾、傳輸損耗低、重量輕、體積小等優(yōu)點[3-5]。因此，基于微波光子技術(shù)的新體制雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)，能夠改善和提高傳統(tǒng)微波雷達(dá)的多項技術(shù)性能，為雷達(dá)制導(dǎo)裝備技術(shù)發(fā)展帶來新的變革。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀

國外，從上世紀(jì)80年代開始，便有人提出將光技術(shù)應(yīng)用于寬帶天線陣列，光纖技術(shù)的軍事應(yīng)用受到美、歐等國軍方的重視。

1970年代末在位于美國洛杉磯北面莫哈韋沙漠中的“深空網(wǎng)絡(luò)”[6]如圖1所示，是一個分布在數(shù)十公里范圍內(nèi)的由10多個大型碟形天線組成的集群，其中最大天線的直徑達(dá)70 m。這些天線之間建立了一個光纖傳輸系統(tǒng)以傳遞微波參考信號，所有天線單元由這一頻率同步，利用相控陣技術(shù)使它們工作得像一個巨大的天線一樣，從而能夠與外太空的空間飛船保持通信和跟蹤。

圖1 建立光纖傳輸系統(tǒng)的天線集群

(a) 光學(xué)多波束實驗系統(tǒng)

90年代以來，隨著光調(diào)制技術(shù)和半導(dǎo)體光電子集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外許多公司和學(xué)者對該應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，實驗系統(tǒng)覆蓋L波段到毫米波的整個雷達(dá)工作頻段。休斯飛機(jī)公司在美國國家高級計劃研究局(DARPA)的幫助下，開發(fā)了具有光纖波束形成網(wǎng)絡(luò)的寬帶共形陣列，天線具有500 MHz的帶寬，掃描范圍 ±60°，用于機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)[7]。西屋公司還利用光學(xué)波分復(fù)用技術(shù)，研制出光纖真實時間延遲系統(tǒng)，并在一輕型2×16單元寬帶相控陣上進(jìn)行了實驗，在整個0.6～1.5 GHz的有限天線頻帶內(nèi)，實現(xiàn) ±45°范圍內(nèi)的無偏斜波束掃描[8]。法國泰勒斯公司研制了S波段光學(xué)多波束形成演示實驗系統(tǒng)，如圖2所示。演示系統(tǒng)天線單元數(shù)為4個，電光轉(zhuǎn)換器件為4只2.5 GHz的直調(diào)式激光器，工作波長分別為1 510,1 530,1 550和1 570 nm，光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)采用粗波分復(fù)用技術(shù)，通過色散系數(shù)為17 ps/(nm·km)的色散光纖構(gòu)建，色散光纖長度為0，34，68和102 m，分別對應(yīng)0°，3.6°，7.2°和10.8°四個不同的指向角度。該演示系統(tǒng)最大的特點是光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)中的直調(diào)式激光器、波分復(fù)用器、色散光纖及光電探測器全部為普通商用器件，標(biāo)志著寬帶光控天線陣列技術(shù)已經(jīng)可以進(jìn)入工程應(yīng)用。

2014年，Nature雜志報導(dǎo)了意大利國家光子網(wǎng)絡(luò)實驗室的Bogoni團(tuán)隊完成的全光數(shù)字相干雷達(dá),如圖3所示。該團(tuán)隊成功實現(xiàn)了微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的全光拉通，并用其對民航飛機(jī)進(jìn)行了跟蹤，受到了國際上的一致關(guān)注，并被評論為“微波光子照亮未來雷達(dá)”的高度贊譽(yù)[9]。

圖3 意大利研究團(tuán)隊完成的全光數(shù)字相干雷達(dá)

彈載微波光子雷達(dá)技術(shù)在美國發(fā)展較早，上世紀(jì)90年代末期，隨著美國OE Wave公司發(fā)明了光電振蕩器之后，美國已經(jīng)開展相關(guān)研究工作。同時美國還開展了光控相控陣、收發(fā)一體、快速二維掃描的光控相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)研究并已經(jīng)達(dá)到實用水平，結(jié)合光子和電子集成技術(shù)，已經(jīng)基本滿足彈載制導(dǎo)的要求。

1.2 國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀

我國在微波光子學(xué)領(lǐng)域的研究起步較晚，雖然相比發(fā)達(dá)國家在微波光子學(xué)系統(tǒng)研究還是器件的制作工藝方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，但發(fā)展極為迅速。中國電科38所在“十五”期間，重點在寬帶光控陣列領(lǐng)域開展了相關(guān)技術(shù)研究，突破了寬帶光纖延時線設(shè)計、寬帶陣列天線設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，并完成了寬帶光控相控陣天線演示驗證系統(tǒng)的研制，系統(tǒng)在國內(nèi)首次實現(xiàn)了陣列天線寬帶、寬角無指向偏斜的波束掃描，驗證了光控天線陣列的寬帶特性。南京航空航天大學(xué)成立了雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點實驗室，先后開展了基于光纖連接的分布式雷達(dá)、超寬帶噪聲雷達(dá)等系統(tǒng)研究，完成了小目標(biāo)實時成像的微波光子雷達(dá)驗證系統(tǒng)[5]。清華大學(xué)研制成功一種用于測距和成像的光子雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用1個4位光數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生了一個中心頻率10 GHz、帶寬4 GHz的線性調(diào)頻信號，能夠獲取目標(biāo)的距離和速度等信息。該雷達(dá)系統(tǒng)的測距精度為5 cm，測速精度為2 m/s[10]。

從國內(nèi)外典型微波光子雷達(dá)系統(tǒng)研究中可以看出，微波光子技術(shù)的引入可以大大提升雷達(dá)系統(tǒng)的性能，因此研究基于微波光子技術(shù)的新體制雷達(dá)具有先進(jìn)性和挑戰(zhàn)性，且具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。

2 基于微波光子技術(shù)的制導(dǎo)系統(tǒng)效能提升分析

微波光子系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微波系統(tǒng)相比具有帶寬大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸損耗低等優(yōu)點。

2.1 多頻段工作

傳統(tǒng)微波雷達(dá)通過頻率源產(chǎn)生雷達(dá)基準(zhǔn)信號，波形產(chǎn)生電路根據(jù)雷達(dá)工作模式產(chǎn)生系統(tǒng)所需的線性調(diào)頻信號，經(jīng)過上變頻和功率放大后送到二維有源相控陣天線，經(jīng)T/R組件放大并通過陣面輻射，在空間合成大功率發(fā)射信號，工作頻段單一，工作帶寬較窄。

微波光子雷達(dá)通過以光電振蕩器為基礎(chǔ)的光子頻率合成器能夠輸出多種頻率，結(jié)合波形產(chǎn)生裝置根據(jù)系統(tǒng)工作模式產(chǎn)生任意需要的激勵信號通過光載波調(diào)制器加載到光域，然后通過光波束形成網(wǎng)絡(luò)送到二維有源相控陣天線，經(jīng)T/R組件放大并通過陣面輻射，在空間合成大功率發(fā)射信號。通過超寬帶高速射頻開關(guān)和射頻窄帶帶通濾波器組等實現(xiàn)頻率信號的寬帶快速跳頻，其中射頻窄帶帶通濾波器組各通道中心載頻分別為10，20和30 GHz。較遠(yuǎn)距離時系統(tǒng)低頻段工作，在制導(dǎo)末段高頻段工作，以低頻段工作為主，高頻段為輔，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

2.2 更大的瞬時帶寬

傳統(tǒng)微波相控陣?yán)走_(dá)無法擺脫其天線陣列孔徑效應(yīng)的限制，不能在瞬時大帶寬下工作，目前常用微波雷達(dá)瞬時帶寬能夠做到240 MHz左右。光子波束采用真實延時技術(shù)抵消陣列天線的孔徑渡越時間，使其各陣元的波前處于同一時刻，從而實現(xiàn)在瞬時大帶寬信號下信號無失真地向空間輻射或者被陣列接收。微波光子雷達(dá)的瞬時帶寬能夠達(dá)到4 GHz以上，可大大提高雷達(dá)對多目標(biāo)的搜索和跟蹤能力，以及目標(biāo)識別和成像能力。

3 微波光子雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

考慮到彈載平臺惡劣的工作環(huán)境及精確制導(dǎo)使用需求，逐步攻關(guān)微波光子技術(shù)應(yīng)用于彈載平臺的可實現(xiàn)性技術(shù)及在工程實現(xiàn)上所需考慮的技術(shù)難題具有重要意義。

3.1 制導(dǎo)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計技術(shù)

基于微波光子技術(shù)的新體制雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)，不同于常規(guī)的雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)，新體制下微波光子制導(dǎo)系統(tǒng)采用微波光子元器件，在傳統(tǒng)雷達(dá)的主要部件或分部件上，完全或部分替代原來的電學(xué)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的應(yīng)用平臺是結(jié)構(gòu)空間十分有限的彈載平臺，對新體制雷達(dá)系統(tǒng)空間電子設(shè)備的電路設(shè)計、熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等集成化水平要求非常高。

綜合考慮導(dǎo)引頭的性能需求以及彈體空間的限制等因素，高低頻段導(dǎo)引頭均采用相控陣天線體制，高低頻段有源天線采用高集成度共口徑設(shè)計，提高天線口徑利用率。較遠(yuǎn)距離時導(dǎo)引頭低頻段工作，在制導(dǎo)末段高頻段工作，以低頻段工作為主，高頻段為輔，提高系統(tǒng)抗干擾能力。微波光子雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)組成如圖4所示，主要由天線單元、綜合射頻單元、綜合處理與控制單元和二次電源等部分組成。

圖4 基于微波光子技術(shù)的雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)組成框圖

圖5 基于微波光子的雷達(dá)系統(tǒng)原理框圖

導(dǎo)引頭工作時，以光電振蕩器為基礎(chǔ)的光子頻率合成器能夠輸出多種頻率，如圖5所示，包括基準(zhǔn)時鐘、采樣的激勵信號通過光載波調(diào)制器加載到光域，然后經(jīng)過光波束形成網(wǎng)絡(luò)送到二維有源相控陣天線，在天線中信號經(jīng)分布式光子T/R組件放大并通過陣面輻射，在空間合成大功率發(fā)射信號；回波由天線接收送到接收機(jī)中，在接收機(jī)中經(jīng)光子變頻、放大、濾波、解調(diào)，再經(jīng)A/D采樣、量化送到后端進(jìn)行信號處理及相關(guān)信息的提取。綜合處理單元完成不同工作模式的信號處理任務(wù)，信號處理的相關(guān)信息按要求傳送到彈上飛控計算機(jī)。控制單元一方面控制雷達(dá)按要求有條不紊地工作，另一方面負(fù)責(zé)和彈上控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，接收彈上控制系統(tǒng)的命令和相關(guān)信息，同時將雷達(dá)設(shè)備的工作狀態(tài)信息報給彈上控制系統(tǒng)。

3.2 寬帶相控陣天線技術(shù)

相控陣天線首先要考慮單元排列形式及間距，排列形式一般采用矩形柵格，且行列間距的選擇要考慮在工作頻帶內(nèi)掃描時不出現(xiàn)柵瓣，為保證方位向具有寬角掃描能力而不出現(xiàn)柵瓣，輻射元的方位向間距dx須滿足：

(1)

式中，λ為天線的最小工作波長，θmax為天線偏離陣面法向的最大掃描角，Δ為輻射單元數(shù)目的倒數(shù)。假設(shè)制導(dǎo)雷達(dá)工作在Ka頻段，方位/俯仰向具有±45°的掃描角。根據(jù)上述條件可確定dx=4.8 mm，能夠保證相控陣?yán)走_(dá)天線具有大掃描角能力并且同時不出現(xiàn)柵瓣。

傳統(tǒng)的超寬帶天線，如對數(shù)周期天線、錐形天線、平面螺旋天線和圓錐螺旋天線等由于底部體積較大，不適合用于超寬帶陣列組陣。而利用互耦來展寬帶寬的超寬帶陣列,包括超寬帶Vivaldi陣列、長槽陣列天線和碎片孔徑陣列天線等緊耦合超寬帶陣列能夠獲得3∶1以上的帶寬，且能夠?qū)崿F(xiàn)±45°以上的寬角度掃描。Vivaldi填寫仿真模型如圖6所示，它是由線性漸變或指數(shù)漸變等方式的槽線饋電，將介質(zhì)上的槽線寬度加大，形成輻射喇叭口向外發(fā)射電磁波或向內(nèi)接收目標(biāo)回波。在不同的頻率點上，它的不同組成部位發(fā)射或接收電磁波，較低頻率由最寬的喇叭口尺寸決定，而高頻成分則由最窄喇叭口的精細(xì)結(jié)構(gòu)決定。但各個輻射部分對應(yīng)的不同頻率的波長電長度是不變的，所以從理論上講，它有超寬帶特性，并在此頻率范圍內(nèi)有著相同的波束寬度。同時它的輻射場有幾乎相同的波束寬度,具有非常好的對稱性,有著很低的旁瓣和交叉極化電平。

圖6 Vivaldi天線單元仿真模型

初步采用Vivaldi天線仿真得到天線法向波束三維方向圖(16 GHz、32 GHz)及陣列增益為26.38 dB(16 GHz)、 32.27 dB(32 GHz)，仿真結(jié)果如圖7所示。

3.3 低相噪頻率源技術(shù)

低相噪的頻率源的產(chǎn)生可以通過光電振蕩器等多種方式產(chǎn)生，相位噪聲能夠比一般微波頻率源低1～3個數(shù)量級，這對于提升雷達(dá)的改善因子有重要作用。對于寬頻段低相噪跳頻射頻信號發(fā)生器，高穩(wěn)定光電振蕩器是實現(xiàn)低相噪微波頻率信號產(chǎn)生的核心，通過光電振蕩技術(shù)和高品質(zhì)光學(xué)儲能介質(zhì)能夠產(chǎn)生高頻低相噪射頻信號，同時利用窄帶射頻帶通濾波器選擇振蕩模式，濾除無用雜散模式。

圖8為低相噪寬帶跳頻光電振蕩器的方案結(jié)構(gòu)示意圖，激光器產(chǎn)生穩(wěn)定低噪聲的連續(xù)光，經(jīng)電光調(diào)制器將振蕩射頻信號調(diào)制后通過高Q值光儲能介質(zhì)，然后進(jìn)入寬帶光電探測器恢復(fù)產(chǎn)生射頻信號。電信號經(jīng)過第一級射頻放大器后，通過寬帶射頻開關(guān)、射頻窄帶帶通濾波器組和寬帶射頻4路合路器，高速射頻開關(guān)可以快速切換選擇射頻帶通濾波器，進(jìn)而實現(xiàn)模式選擇和振蕩頻率跳變，最后選擇的跳頻射頻信號經(jīng)過寬帶射頻功分器后分成兩路，一路重新進(jìn)入電光調(diào)制器形成正反饋環(huán)路，另一路作為低相位噪聲射頻信號輸出。

(a) 中心頻率16 GHz

圖8 低相噪寬頻段跳頻光電振蕩器方案架構(gòu)圖

3.4 光子波束形成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

光子波束形成的基礎(chǔ)是寬帶光學(xué)真延時技術(shù)，對于同樣的相位誤差來說，不同頻率對應(yīng)的長度誤差是有很大區(qū)別的，頻率越高，對應(yīng)的長度精度要求越嚴(yán)格。為形成不同波束指向，就需要高精度的快速光學(xué)真延時切換網(wǎng)絡(luò)。我們利用光纖精密切割獲得一定精度的延時量，再通過精密微型連續(xù)光纖延遲線提高波束延時的精度。

圖9為光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)，可用于接收網(wǎng)絡(luò)波束形成。將N通道光載波通過合束器合成從寬帶光學(xué)波束合成器的右端輸入，經(jīng)過光纖延時矩陣后被分為N通道，并形成通道間相位延時，通過幅相調(diào)節(jié)后經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換為微波信號，通過天線發(fā)射，在空域中干涉形成波束。

圖9 光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)

通過光載波的輸入方向的改變還可以達(dá)到收發(fā)復(fù)用的目的，并且在寬帶光學(xué)波束合成網(wǎng)絡(luò)后連接一個多路光移相器，可成倍擴(kuò)展通道數(shù)，具有通道擴(kuò)展功能。

4 結(jié)束語

導(dǎo)引頭是導(dǎo)彈等精確制導(dǎo)武器的“眼睛”，為提高精確制導(dǎo)武器的制導(dǎo)技術(shù)，下一代雷達(dá)導(dǎo)引頭向著高頻率、超寬帶、多功能一體化方向發(fā)展，希望在提高作用距離、距離分辨率等諸多性能的同時，又能提高雷達(dá)的隱蔽性與抗干擾性能。微波光子技術(shù)具有超寬帶、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，必將會逐步取代部分傳統(tǒng)電子技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的作用。為推進(jìn)基于微波光子技術(shù)的新體制雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)從單元研究向系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)變，但是微波光子技術(shù)與微波雷達(dá)技術(shù)的融合、系統(tǒng)指標(biāo)的優(yōu)化提升、可靠性、小型化等方面還需要進(jìn)一步提高，以滿足彈載平臺的嚴(yán)格要求，為新體制的彈載制導(dǎo)系統(tǒng)積累技術(shù)基礎(chǔ)。