相干光带雷达技术研究

陈华础

(1. 中国电子科技集团公司 智能感知技术重点实验室, 南京 210039) (2. 南京电子技术研究所, 南京 210039)

·总体工程·

相干光带雷达技术研究

陈华础1,2

(1. 中国电子科技集团公司 智能感知技术重点实验室, 南京 210039) (2. 南京电子技术研究所, 南京 210039)

对DARPA提出的相干光带雷达的概念、方法和工作原理做了阐述。首先，介绍了具有非频变特性的等角螺旋天线及其在纳米尺度的制作工艺；其次，讨论了系统架构设计，通过参考源的扫频方式实现对宽波段信号的相干接收和处理，从而获得场景和目标的全电磁频谱特征；最后，探讨了天线单元的阵列形式，通过阵列的分组和单元尺寸的控制，使得相干光带雷达的频率检测范围从X射线到毫米波。

相干光带；螺旋天线；扫描光栅；微动补偿

0 引 言

美国国防部先进研究计划局(DARPA)在总结雷达的过去、现在和将来一文中，提到了雷达未来发展的四个方向，包括先进的无人机雷达、认知雷达、知识辅助雷达和相干光带雷达[1]。其中，相干光带雷达的概念是由美国宾夕法尼亚州大学提出的，目的是兼顾雷达与光电子学领域的双重优势，通过二者的技术融合实现雷达系统架构设计的优化，从而提高未来雷达系统的探测性能。

在可见光领域，大多数电子成像器件都是光子型的，只能响应光的强度，区分不了光的颜色(波长)。要想获得彩色图像，需通过红、绿、蓝三色带通滤波组合而成。从能量的谱分布看，合成的颜色是失真的，而且总能量损失三分之二。如果在光域采用波长敏感器件并且能够响应很宽的波段，再通过相应的系统设计就有可能获得场景/目标大范围的连续光谱信息。等角螺旋天线具有超带宽的非频变特性，是波长敏感器

件合适的选择，而纳米技术的发展为研制光波段的螺旋天线阵列提供了基础。

在系统设计层面上，DARPA提出了相干光带雷达的实现原理，即采用衍射光栅将参考光分解成连续光谱，并使谱线按照顺序逐个汇聚到天线上；同时目标的辐射能量通过镜头汇聚到螺旋天线上，两个光频信号在天线上进行混频产生基带信号；再由传统的电子设备接收和处理，从而获得目标的电磁频谱分量。

如果将几个不同尺寸螺旋天线单元进行组合，则可通过波段拼接实现从X射线到毫米波的全电磁频谱探测；而如果将多个螺旋天线单元制作成焦平面阵列时，系统就能够实现图谱合一的超光谱成像。

1 螺旋天线及其制作工艺

等角螺旋天线能在很大的频程范围内(比如fmax/fmin>10)工作，且阻抗、特性基本上不变化，因而称为非频变天线[2]。平面等角螺旋天线由两个对称臂组成，如图1所示，它可看成是一变形的传输，两个臂的四条边由下述关系确定

(1)

图1 平面等角螺旋天线

在螺旋天线的起始端由电压激励激起电流并沿两臂传输。当电流传输到两臂之间近似等于半波长区域时，便在此发生谐振，对外产生很强的辐射，而在此区域之外，电流和场很快衰减。当增加或降低工作频率时，天线上有效辐射区沿螺旋线向里或向外移动，但有效辐射区的电尺寸不变，使得方向图和阻抗特性与频率几乎无关。实验证明：臂上电流在流过约一个波长后迅速衰减到20 dB以下，因此其有效辐射区就是周长约为一个波长以内的部分。

平面等角螺旋天线的辐射场是圆极化的，且双向辐射即在天线平面的两侧各有一个主波束，如果将平面的双臂等角螺旋天线绕制在一个旋转的圆锥面上，如图2所示，则可以实现锥顶方向的单向辐射，而方向图仍然保持宽频带和圆极化特性。平面和圆锥等角螺旋天线的频率范围可以达到20倍额程或者更大。

图2 圆锥等角螺旋天线

通过调整天线的尺寸和参数，等角螺旋天线能够接收毫米波、红外、可见光、紫外、X射线等各自的整个谱段。2009年美国公布的专利介绍了在可见光波段纳米尺寸螺旋天线的制作工艺，现做一简要描述[3]。

在制作平面螺旋天线时，用蚀刻的方式将导电材料沉积在硅片上；而在制作圆锥体的螺旋天线时，则将导电材料分层沉积，锥体高度按待测波长的1/4到约12倍呈奇数增加。天线中间的孔隙用电解方法形成，孔隙尺寸和密度由电解时的电流密度、溶液的化学成分和沉浸在电解溶液中的长度来确定。电解后，这些孔隙再用适合光波检测的材料进行充填，充填后的棒长与检测的波长相匹配。充填材料为铝的氧化物，当该氧化物以水晶形式存在时就是俗称的蓝宝石，其折射率为1.76，对200 nm～5 000 nm波长来说是透明的。

当螺旋天线单元组成阵列时，通过改变天线的尺寸分别调谐到不同的频率范围。每组天线单元在顶部都有自己指定的电连接，但所有天线单元都有共同的铝基底连接。

该发明的意义在于借助纳米技术能够制作光波段尺寸维度的天线，而这些天线具有的超宽带和高信噪比特性，这为全光谱探测系统的设计带来了机遇和挑战。

2 系统架构及其工作原理

相干光带雷达系统工作在可见光波段(约400 THz～700 THz)，带宽接近一个倍频程，要接收和处理这样大的信息量，传统的雷达架构难以满足。DARPA中给出了相干雷达的系统架构[1]，如图3所示。

图3 相干光带雷达原理示意图

图3仅是一个概念图，缺乏对细节的描述。本文结合文献[3]将其细化并整理成具有可操作性的系统功能框图，如图4所示。

图4 系统功能框图

系统采用钨卤素灯作为信号参考源，这是一个全光谱光源，它的光线被准直后通过一狭缝，然后聚焦在可调的衍射光栅上。光栅的作用是把混合光分解成一个连续的光谱。把光栅固粘在一个压电晶体材料的基底上，通过电压控制光栅的角度位置，从而移动光栅反射光的谱线位置，再通过狭缝选择所需要的谱线，聚焦到天线单元上。因此，当压电光栅采用锯齿波控制时，就可以在天线单元上产生一个连续的光域扫频信号。扫频范围和周期由施加在压电晶体上的锯齿波电压范围和周期确定。

来自目标或场景的光信号和参考光在天线单元上产生混频，其中瞬时差频信号采用100 MHz的低通滤波进行选择。100 MHz带宽对应的线宽约为0.001 nm。相对传统光子探测器的好处是能够通过频率分割得到一个极窄的线宽，而光滤波器是难以达到的。

通过扫频和外差作用，得到目标的基带信号，再经窄带滤波、低噪声放大和门限检测，输出两路信号：一路是与扫描电压对应的频率字；另一路是通过模数(AD)采样获得该频率的数字分量，从而获得目标的频谱分布。在参考信号的扫频范围(可见光约400 THz～700THz)，100MHz的检测窗口是非常小的，约占扫频范围的1/3000000。若扫描400THz～700THz需1 s，则时间窗口为333 ns。对于一个静态场景，捕获时间不是问题，可以低速重复扫描，但对瞬时图像以及移动目标，快速扫描所获得的能量过低，不利于检测。另一方面，在整个光频带范围平均分配扫描时间也不合理，因为一个特定目标的频谱范围可能集中在某个局部区域。

图4的系统设计采用“微扫描”技术来实现对较低光谱能量的捕获。经滤波后的光谱能量存储在“微动补偿”模块，为第二次扫描在该频率附近做一个修正。例如，在该频率上下200 MHz时，对锯齿波电压进行补偿，将扫频速率降低到原来的万分之一。图5给出了将原锯齿波电压叠加上补偿电压所得到的合成扫描信号。当待测频率检测后，可恢复到原来的工作模式。若发现有多个频率，则可分段进行补偿，而每一个补偿段又可进行若干次微循环扫描来加强该频率信号的检测强度，以保证高于门限检测电平。

图5 参考源扫描微动补偿

图4所列系统架构包含的主要部件和关键技术有全光谱光源以及它的谱分解和均衡技术；纳米螺旋天线的材料和制作工艺；光谱扫描装置设计及其新技术应用；微动补偿的系统控制和有效性验证。其中，全光谱光源除了钨卤素灯外，也可采用飞秒激光器，即把飞秒激光器发射的超短脉冲聚焦到透明介质上，介质受到瞬间激发从而产生全光谱的相干光[4]。光谱扫描装置除了采用压电晶体和反射光栅的组合体外，也可采用数字微镜(DMD)技术来实现谱线的扫描。

3 天线阵列运用展望

将多个等角螺旋天线单元制作成阵列形式，并通过光栅扫描覆盖整个阵列，可得到阵列中每个单元的信号输出，如图6所示。输出的组合定义了这些谱分量的空间分布，即采用阵列形式能够同时获得每个单元的频谱特征及其单元组合的全光谱图像。对于可见光外的其他波段探测，可将探测结果按波长进行分割，得到若干个图层，然后再通过伪彩色处理获取所需的图像。

图6 谱线扫描及其阵列输出

这种图谱合一的成像设备目前在空间遥感领域得到广泛应用，但其中大多数设备的光谱通道数受限于探测器像元的数量，一般只有数百个光谱通道。采用本系统架构，由于电滤波器的带宽可以灵活选择，光谱通道数可以比现有设备多得多。

阵列单元也可以分组，每个组覆盖一个频率范围，而组里的每个单元又可以有不同的响应波长，这样就可以较少的单元组成超带宽的探测系统。对天线而言，只需改变组里不同单元的尺寸即可，但这样一个大带宽的系统可能需要几个参考源，如红外、可见光、紫外等波段来覆盖。而每一个参考源又要划分若干个波段的话，参考源的扫描结构就异常复杂，一个可能的途径是采用数字微镜(DMD)技术来实现，如图7所示。

DMD阵列为二维面阵，最近报道的单元数可达2 048×1 024，偏转角度为+12°、0°、-12°，各单元的偏转角可独立控制[5]。当不同参考源通过谱分解后投射到DMD阵面上，由计算机控制DMD的单元偏转来选择哪根谱线能够进入光路，再由偏转镜反射到指定天线单元。由于DMD的数据率可达数千赫兹，所以快速地控制数字微镜单元的偏转角度，就能够实现参考源的选择及其谱线的扫描。

图7 多参考源数字微镜投射示意图

4 结束语

相干光带雷达属无源雷达，其特点就是以传统的电处理方法实现极大的宽带检测能力。通过采用不同的参考源、适当尺寸的天线单元和谱线扫描装置，就能够检测和分析X-射线、紫外、红外、太赫兹到毫米波等不同辐射源的频谱结构，或者同一种物质在不同波段所表现出的反射和吸收的频谱特征。相对目前各种高光谱遥感设备[6]，本方法能将光谱分辨精度提高2～3个数量级。

[1] SABIO V. Advanced radar development at DARPA past、present and future[R]. [S.l.]: Emerging Spectrum Technology Workshop, 2010.

[2] 宋 铮, 张建华, 黄 冶. 天线与电波传播[M]. 西安：西安电子科技大学出版社, 2011. SONG Zheng, ZHANG Jianhua, HUANG Ye. Antenna and electric wave transmission[M]. Xi′an: Xidian University Press, 2011.

[3] ROSENTHA E D, SOLOMON R J, JOHNSON C E. Electromagnetic spectral-based imagine devices and methods[P]. US 7,521,680 Bl, 2009: 4-21.

[4] ROSENTHAL E, SOLOMON R J, JOHNSON C. Full spectrum color projector[P]. US 6,985,294 Bl. 2006-01-10.

[5] EASLEY D B, BENDER M, CROSBY J, et al. Dynamic infrared scene projectors based upon the DMD [C]//Emerging Digital Micromirror Device Based Systems and Applications .[S.l.]: SPIE Press, 2009, 7210:.

[6] 张 达, 郑玉权. 高光谱遥感的发展与应用[J]. 光学与光电技术, 2013, 11(3): 67-73. ZHANG Da, ZHENG Yuquan. Hyperspectral remote sensing and its development and application review[J]. Optics and Photoelectronic Technology, 2013, 11(3): 67-73.

陈华础 男，1957年生，研员级高级工程师。研究方向为雷达系统技术。

A Study on Coherent Lightband Radar Technology

CHEN Huachu1,2

(1. Key Laboratory of Intelli Sense Technology, CETC, Nanjing 210039, China) (2. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

This paper expounded on the concept, method and principle of coherent lightband radar recommended by DARPA. First, it introduced the frequency-independent equiangular spiral antenna and its fabrication technics at the nanometer scale. Next, it discussed the system design. By means of frequency sweep, the coherent receiving and processing for broad band signal could be achieved, and the full-electromagnetic spectrum characteristics would be obtained. Finally, it dealt with the antenna array forms. By grouping array and controlling element size, the frequency will be detected in the range from X-rays to millimeter-waveband.

coherent lightband; spiral antenna; scan grating; dithering compensation

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.008

陈华础 Email：chenhuachn@163.com

2016-09-20

2016-11-19

TN957.51

A

1004-7859(2016)04-0041-04