微波光子技术在信号情报侦察中的应用研究

冀贞海，侯文栋，宁 勇，田 达，朱伟强

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)



微波光子技术在信号情报侦察中的应用研究

冀贞海，侯文栋，宁 勇，田 达，朱伟强

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

由于微波光子技术的宽带特性、低损耗和抗干扰等优势，微波光子技术在信号情报侦察领域已经引起了强烈关注，尤其在微波信号的产生、处理、控制及传输等方面。着重对微波光子中光学真延时光控阵列技术和光学模数转换技术在宽带信号情报侦察系统中的应用进行了研究。分析了当前信号情报侦察系统面临的问题以及利用微波光子技术的解决框架思路，阐述了光学真延时技术和光学高速模数转换技术的基本原理及关键技术实现途径，并对应用前景进行了分析，最后给出结论。

微波光子；光学模数转换；光学真延时

0 引言

随着雷达、通信等电子信息技术不断发展进步，电磁信号环境越来越复杂，无线电技术侦察应用对多功能阵列、宽带大动态接收处理的技术需求日益增加，对宽带相控阵天线以及宽带/超宽带信号数字化的采样速率和量化精度提出了很高的要求。与此同时，随着光纤、激光技术、电光调制器、光电探测器以及各种光学元器件的发展和日趋成熟，光学处理技术在信号情报侦察领域的应用前景不断扩大。微波光子学是研究微波和光信号之间的交叉学科，已广泛应用于宽带无线接入网络、传感器网络、雷达、卫星通信及设备、电子战系统等。微波光子学的研究内容非常广泛，其中微波和毫米波信号的光子方法产生及处理、光控阵列处理技术、基于光纤的射频传输以及光学A/D模数转换是当前的研究热点。本文主要针对光学真延时光控阵列和光学/光电混合高速模数转换技术两个方向在信号情报侦察系统中的应用进行了探讨。

1 信号情报侦察系统现状及解决思路1.1 信号情报侦察系统现状

当前日益复杂的空间电磁信号环境对信号情报侦察有效载荷的技术能力提出了更高的要求。随着电子技术的不断进步，现代雷达、通信、导航、测控等系统发射的信号越来越多地采用了高效调制和低截获概率技术，信号样式越来越复杂、新体制不断出现；无线电信号的频率使用范围不断变宽，信号密度不断增大，信号环境越来越复杂。与地面相比，空间信号情报侦察由于视场范围大，在某些频段，系统面对的信号环境可能比地面更复杂，而且目标距离远，感兴趣的信号更微弱。在这样的环境下，要有效地进行信号截获测量、分选识别、解调解译和测向定位，对有效载荷的灵敏度、动态范围、信号处理能力等都提出了更高的要求。此外，与地面或舰载等应用相比，空间应用往往对载荷体积、质量、功耗有严格限制，而为了在空间辐射环境下可靠工作，必须考虑抗辐照设计，器件选择余地小，这些因素进一步增加了有效载荷的设计难度。

光学真延时的光控阵列具有增益高、波束指向精确、抗干扰能力强、体积小、质量轻等优势，是解决传统信号情报侦察系统的重要技术途径。目前，光纤延迟线的延迟精度可达ps量级，为宽带/超宽带相控阵天线开辟了另一条新的技术途径，可以大大提高宽带/超宽带信号情报侦察系统的灵敏度、测向定位能力(测向精度、测向速度和截获能力)、抗干扰能力和对宽带/超宽带信号的适应能力，具有广泛的发展前景和应用价值，是当前一个前沿、热门的研究课题。

另外，对于宽带信号情报侦察系统，数字信号处理是其中重要的、必不可少的组成部分。数字信号处理实现的前提是首先将模拟信号完成到数字信号的转变。近二十年来，传统电学模数转换的制造工艺建立在硅集成电路技术基础上已非常成熟，但高采样速率和高有效位数二者不可兼得，采样速率每增加1倍，位数就降低1位。现在位数为4位最好的电ADC采样速率达到10GSA/s左右；而14位电ADC采样速率仅为1GSA/s左右。电ADC性能的进一步提高遇到了重大的技术难题，特别是：①将孔径抖动降低到1ps 以下；②最大采样速率超过10GSA/s；③在满足①②的基础上功耗降低到小于5W，而近6～8年来,电ADC 在这方面的进步是微乎其微。与传统的电学模数转换技术相比，光学模数转换可以适应很高的信号带宽，可以直接对射频信号进行采样处理。另外，光学模数转换还可以充分利用光纤在传输上带宽大、损耗低、无干扰的优点，实现对采样信号的远距离传输，实现前端探测与后端处理的分离，因此可以应用于更加广泛的科研和军事领域。同时，光学器件的集成化和模块化也促进了光学器件体积的不断缩小，系统集成度不断提高，使得光学模拟数字转换系统具有小型化、集成化的发展潜力和趋势。

1.2 解决思路

基于微波光子技术的宽带信号情报侦察系统组成框图如图1所示。

图1 微波光子技术的信号情报侦察系统组成框图

其中光学真延时光控阵列模块利用光学真延迟技术，将多个阵元接收下来的微波信号通过光学真延迟处理。加权合成信号与前端天线直接接收下来相比，信号质量高，更利于后续的信号处理。合成信号送入光电混合高速模数转换模块，利用光延迟线大带宽和延迟精确可调的优势，光电转换后进行高速采样处理。然后利用数字信号处理技术对相应的信息进行参数测量和分析，最终完成提取侦察截获的信息内容。

2 关键技术分析

2.1 光学真延时相控阵

2.1.1 原理

光纤是传统相控阵中庞大笨重的同轴电缆或波导理想的替代品。光控阵列阵不但具有普通相控阵的优点，其自身还有一系列明显的优势，如具有更小的体积、质量，更大的瞬时带宽，更小的传播损耗，较强的抗电磁干扰能力。光控阵列领域内射频信号的分布、延时控制、真延时波束形成和射频信号的处理都是最近20年的研究热点。

图2 光控相控阵接收系统组成示意图

光控相控阵接收系统基本组成如图2所示。通过电光调制器将微波信号调制到光波上，再将光波注入光延时阵列网络，各路激光经过延时阵列控制网络后经过不同的时间延迟，最后完成波束合成实现一定角度的波束扫描。光控相控阵的基本工作原理与传统相控阵基本相同，但是传统相控阵存在波束偏斜的现象。波束偏斜指对于不同频率的射频信号，雷达阵列的波束最大值指向随着频率的变化而发生变化。波束偏斜的原因可以通过相控阵波束扫描的原理来解释,如图3所示。

图3 相控阵波束扫描原理

A与B是相控阵接收系统的两个相邻阵元，相距为d，其波程差为ΔR，故相位差为：

Δφ=(2π/λ)ΔR=(2π/λ)dsinθ

(1)

采用电移相器对波束进行扫描时需要在A点增加Δφ相位，即

θ=arcsin(Δφλ/(2πd))

(2)

可以看到波束扫描角与射频信号的波长(频率)相关，这就是导致波束偏斜现象的根本原因。若采用光延时线来代替电移相器可以简单地消除这个现象，只需A点增加延时线使得ΔL=ΔR，此时：

θ=arcsin(ΔL/d)

(3)

图5 不同实现方式波束倾斜比较图

可以看到，波束转向角与射频信号的波长无关，只与阵元间隔和延时线长度相关。因此光控相控阵接收系统有效改进了传统相控阵接收系统有波束偏斜的缺点，只需控制光纤延时线的长度就能改变射频信号的相位，并且能保证不同频率的信号获得相同的相位延时，也被称作光学真延时。

2.1.2 技术实现

在光控相控阵接收系统中，光学真延时网络是形成大瞬时带宽、无波束偏斜的波束的关键单元。前人已经提出多种实现光学真延时网络的方法，如使用光开关控制光波通过的光纤长度、使用可调激光器或多波长激光器配合高色散光纤或者光纤布拉格光栅获得延时、使用级联谐振腔以及集成光波导等。其中基于光开关的光纤延迟线由于结构简单、延时范围和延时大小可以很大而成为现阶段应用最多的光纤延时结构。光纤延迟线有两种基本的拓扑结构：旁路结构和差分结构。在两种结构中，旁路结构比差分结构少用一个光开关，结构相对紧凑，封装也较小，但是受到光纤弯曲半径的限制，最小的延迟时间比较大，延迟精度比较低，同时损耗也较大。差分结构相对旁路结构最小延迟时间较小，损耗小且一致性好。旁路结构和差分结构的2位光纤延迟线,如图4所示。

图4 光纤延迟线的基本拓扑结构

通过控制2×2的光开关来选择光波的传输路径，可以实现0,Δt,2Δt,3Δt这四个不同的延时。类推到N位的光纤延迟线，可达到的延时最大值为：

ΔTmax=(2N-1)Δt

(4)

N位光纤延迟线能实现从Δt到(2N-1)Δt，间隔为Δt的离散延时。图5(a)显示了频率从10GHz变化到20GHz时，间隔为1GHz，阵列因子的远场辐射方向图变化情况。可以清楚地看到，主瓣的指向随着返回信号的频率而变，这种现象显著地降低了系统的性能。如何消除波束倾斜，一种解决的方法是利用真时延。这种方法包括引入一个时延到输出信号，来代替传统的相位步进。该时延对所有频率是常数，因此变换成与频率无关的可变的相移。图5(b)为引入真延时方法的结果。天线频率10～20GHz，这次真延时代替了传统的相移，这些阵元引入一定的时间步进，显示了参与真时延方法远场辐射模式阵列因子，可以清晰看出，主瓣没有随着反馈信号的频率而变化。

2.2 光学模数转换

2.2.1 原理

图6 光学模拟数字转换原理框图

光学模拟数字转换的基本原理框图如图6所示。锁模激光器(MLL)产生的高速稳定的光脉冲序列作为采样脉冲，该采样脉冲信号输入到电光调制器(EOM)中，宽带模拟信号作为调制信号加到电光调制器(EOM)上，在电光调制器中，宽带模拟电信号对采样光脉冲进行幅度调制，等效为采样光脉冲对宽带模拟信号的幅度进行采样。从电光调制器输出的光脉冲序列，已经含有了宽带模拟信号的强度信息。此后，通过光电探测器(PD)把光信号转化为电信号，转化后的电信号通过电子模拟数字转换器进行量化、编码处理，成为数字电信号。

2.2.2 技术实现

1)集成光学技术阶段

在20世纪70年代中期至80年代中期，主要采用集成光学技术，其主要的3种器件形式为LiNb03波导Mach-Zehnder干涉仪阵列、平衡桥式调制器和通道光波导Fabry-Perot调制器阵列。

2)光电混合模数转换

从20世纪90年代开始，通过借鉴光通信中的时分复用和波分复用技术，开始采用光电混合方式的时分复用或波分复用方式的模数转换器，通过并行处理的方式来降低所需要的采样速率。

3)基于光子拉伸的模数转换技术

美国加里福尼亚大学提出了一种利用时间拉伸(时域展宽)的方法来实现A/D模数转换器的思路，实现A/D模数转换器的思路，如图7所示。

在数字化采样之前首先降低信号的带宽，这种思路对光电转换带来了革命性的变化，构造了一个时分-波分复用的光学A/D转换系统，实验系统可以达到100GSA/s采样率，射频信号的带宽可以适应20GHz。

3 结束语

基于微波光子学的信号情报侦察技术，可以提高信号情报侦察系统的复杂电磁环境适应能力、数字化程度和高速数据处理能力，也是信号情报侦察系统建设的当务之急。研究成果的取得将有利于解决信号情报侦察领域内宽带阵列信号处理中的同类问题。另外，其应用平台适用于星载，也可用于机载、舰载、地面等宽带/超宽带信号情报侦察系统，在宽带信号接收、处理方面具有广泛的应用前景。■

图7 基于光子拉伸技术的光电混合ADC系统

[1] Heaton M,Jiang PS,Damian G.A novel wavelength division multiplexed system architecture for high resolution sampling and digitisation of broadband microwave signals[J]. Proc. of SPIE,2007,6739.

[2] Yao JP.Microwave photonics[J].Journal of lightwave Technology,2009,27(3).

[3] 张长命,等.高速光学模数转换器的分析[J].应用光学,2005,26(3):50-53.

[4] 陈颖，陈向宁. 基于孤子效应的全光模数转换方案[J].四川兵工学报，2010,31:24-27.

[5] Ikeda K, Abdul JM, Tobioka H, et al. Design considerations of all-optical A/D conversion: nonlinear fiber-optic sagnac-loop interferometer-based optical quantizing and coding[J].IEEE Lightwave Technol., 2006,24(7):2618-2628.

Research on the application of microwave photonic in the intelligence reconnaissance

Ji Zhenhai， Hou Wendong， Ning Yong， Tian Da， Zhu Weiqiang
(No.8511 Research Insititute of CASIC,Nanjing 210007,Jiangsu,China)

Broadband and low loss capability and anti-jamming of microwave photonics has led to an ever-increasing interest in its use for the generation, processing, control and distribution of microwave signals for applications in electronic intelligence reconnaissance. The techniques develope in microwave photonics are reviewed with an emphasis on the systems architectures for photonic true-time delay beam forming and photonic analog-to-digital conversion.The facing problem of current intelligence reconnaissance is analysized, the principle and key techniques in realization of optical true-time delay and photonic analog-to-digital conversion are discussed, and finally the conclusion is given.

microwave photonic；photonic analog-to-digital conversion；optical true-time delay

2016-03-28；2016-08-26修回。

冀贞海(1976-)，男，研究员，博士,主要研究方向为电子侦察与微波光子技术。

TN97

A