微波光子雷达技术综述

田跃龙，刘志国

(西安导航技术研究所 雷达部，陕西 西安 710068)

微波光子雷达技术综述

田跃龙，刘志国

(西安导航技术研究所 雷达部，陕西 西安 710068)

传统的雷达系统受制于电子学速率瓶颈，在高速微波毫米波生成和采样等方面遇到很多问题。微波光子雷达运用光子学手段和合成器件，替代传统雷达系统中的一些关键部件，可以以光子学方法解决这些问题，生成雷达的射频发射信号，对射频信号进行上变频，对射频接收信号直接进行光采样，对射频信号进行下变频，对射频接收信号进行微波光子滤波，进行光学真时延控制，和用光子射频移相器替代传统移相器。文中对微波光子雷达这些方面的替代和改进分别进行了介绍，指出它们的优势，并重点对目前最新的光子学软件化定义相干雷达和多相干波段光子学相干雷达做了核心结构的分析。光控相控阵雷达和多相干波段光子学雷达以大带宽的优势，有望引领新一代雷达发展方向。

微波光子雷达；多相干波段光子学相干雷达；光子学上下变频；光采样；光学真时延；光子射频移相器

用传统的电子学方法，难以解决高速微波毫米波的生成、采样与其它一些问题。微波光子相控阵雷达具有大带宽、不受电磁干扰、质量轻、体积小、无相互辐射干扰的优势，有望革新各种军用雷达系统，特别是环境受限条件下雷达系统。单波段和多波段软件定义全相干雷达，具有大带宽，低功耗的优势，为相干脉冲多普勒处理提供稳定相位，还可以以最小的计算开销，通过多波段数据融合提高多倍的系统探测分辨率，实现可配置软件化定义信号生成，有望引领新一代雷达发展方向。

1 微波光子雷达的关键技术

1.1 微波毫米波的光学产生方法

最简单的微波毫米波光学产生方法是光外差法[1]。微波光子雷达选择光外差法直接生成高频射频信号并直接发射，因其具有很多优势：频率可以很高，理论上只受光检测器带宽的限制；信号功率大；采用基带信号或中频信号来传输，色散效应小。因此，光外差法被广泛应用于光子学软件化定义相干雷达和多相干波段光子学相干雷达，有望引领新一代雷达，替换原有的电子上下变频方法。

光外差法原理如下。两束偏振态相同的光波同时射入高频光检测器上，因其平方律检波，这两个光信号将拍频，产生频率为两光波频率之差的射频信号。将基带信号或中频信号调制在其中一路光信号上。两束光只有具有很高的相干性，才能产生低相位噪声和高稳定度的信号。

1.2 微波毫米波的光域处理

微波毫米波的光域处理解决了传统电子学方法存在的速率瓶颈问题，具有低损耗、高带宽、不受电磁干扰，采样频率高的优势，适合应用于微波光子雷达。其采样频率更是高达数百GHz，带宽高达数十GHz[1]。而电子模数转换器由于采样时钟抖动、采样保持电路稳定时间，和比较器的处理速度的限制，很难实现数百GHz高速模数采样。微波光子滤波、频率变换、模数转换和光域放大是主要的光域处理手段

。1.3 微波光子滤波器

相较传统的微波滤波器，微波光子滤波器具有调谐性、可重构性、抗电磁干扰等优点，可以广泛应用于雷达射频系统中。微波光子滤波器原理如下。

数字滤波器的系统传递函数可以表示为

(1)

采用非递归结构，即ak=0(k=1，2，3，…)

(2)

线性差分方程为

(3)

因此，与电子滤波器一样，微波光子滤波器由几种基本的运算单元组成：采样抽头、常数乘法器、加法器和单位延时单元。

表1 微波光子滤波器中基本运算单元对应的光元件[1]

1.4 射频任意波形产生技术

与电子学射频任意波形产生技术相比，光子学射频任意波形产生技术宽带宽、高频率、低相位噪声、易调谐、成本低、体积小、质量轻，抗电磁干扰能力强，在雷达射频信号产生上具有巨大潜力。基于傅里叶变换光脉冲整形的光学任意波形产生技术是基本的光子学射频任意波形产生技术[1]，原理如下。

任一连续周期信号都可以分解为一系列余弦谐波相加

(4)

式中，Ak为幅度，φk为相位。采用具有足够多谱线数量N的相干光源，分别控制每条谱线的幅度和相位，(即控制Ak和φk)，来合成任意周期信号。相干光源可选用增益开关激光器、半导体锁模激光器等。

2 微波光子相控阵雷达

微波光子相控阵雷达具有如下优势：大带宽、不受电磁干扰、易远程控制、质量轻、体积小、无相互辐射干扰、带宽相对光载波频率小、传输稳定。其有望革新各种军用雷达系统，特别是环境受限条件下雷达系统，例如机载(或舰载)共形相控阵雷达。

微波光子相控阵雷达是微波阵列天线采用光真时延迟线代替传统真时延的新型雷达。光真时延迟线进行粗真时延控制，结合光子射频移相器进行真时延的精确控制，从而控制微波阵列天线的波束方向。

2.1 光真时延迟线的实现方法

光真时延迟线的优势包括：损耗低、色散低、质量轻、体积小、不受电磁干扰。故光真时延迟线可逐步替代传统真时延。

光真时延分为两种方式：改变光纤物理长度和改变光波波长[1]。改变光纤长度这种方法优势为对激光器要求不高，劣势为需要大量元器件，无法实现高精度连续扫描；而改变光波波长这种方法通过不同的色散元件来改变波长，优势为可实现高精度大角度扫描，劣势为对器件和工艺要求高。

图1 基于光开关和固定长度光纤的真时延示意图[1]

图1为5 bit单通道光时延示意，由2×2光开关切换信号传输光路，经固定长度光纤实现32个不同的时延量。

2.2 基于外差混频技术的光子射频移相器

此种光子射频移相器的优势为可以对相位连续精确控制、集成度高、体积小、质量轻、损耗低，是移相器未来的发展方向。其原理如下：中间的马赫-曾德尔干涉仪后光路分为两路。光路M1经移频器，信号频率由激光器发光角频率ωc变为ωc+ω，其中，ω为RF信号角频率。光路M2经过移相器后移相Φ(VDC)。Vout频率为M3与M4之差

Vout=C{1+cos[ωt+Φ(VDC)]}

(5)

其中，C为常数；Vout相较RF移相Φ(VDC)。

图2 基于外差混频技术的光子射频移相器原理图[1]

3 基于光子学的软件化定义相干雷达

单波段光子学软件定义全相干雷达具有如下优势：大带宽、低功耗，为相干脉冲多普勒处理、目标成像和杂波抑制提供稳定相位；系统基于锁模激光器(Mode-Lock Laser，MLL)，具有内在相位和幅度稳定性，光子学射频收发器可以在极宽的频率范围内生成高质量宽带载波，特别是极高频载波[3-5]；以极高的精度直接数字化高频信号；可重构和软件定义射频信号生成。单波段光子学软件定义全相干雷达，以大带宽和高频率等一系列优势有望引领新一代雷达发展方向。

3.1 基于光子学的射频收发器

基于光子学的软件化定义相干雷达的核心是光子学射频收发器，优势有：基于单个锁模激光器，具有极小的整体开销；脉冲激光源内在相位锁定，可生成极高频载波，具有极低的相位噪声；锁模激光器低时间抖动，光子学射频接收器克服电子学模拟数字转换器探测高频信号的不足，可以对高达40 GHz载波信号进行高于7个有效位的直接采样，射频信号下变频无需电子混频和本振，其架构如图3所示。

图3 基于光子学的射频收发器结构[2]

图3的下部分是光子学射频接收器[2]。由于锁模激光器具有低时延抖动，对克服电子高频采样极限具有重要意义。天线前端接收到的射频信号调制于锁模激光器光脉冲上，直接被采样，避免了多级本地振荡器下变频。采样可以高达40 GHz。之后，对采样脉冲进行光电探测，通过电子模数转换器与具有锁相环电路的锁模激光器同步，数字化采样脉冲极值[15]。如果如图3虚框所示，在光采样后插入串并转换器(Serial-to-Parallel Converter，S/P)来减小光脉冲速率，之后，就可以使用窄带宽高精度电子模数转换器数字化采样脉冲极值。该光子学射频接收器可以实现高于7个有效位精度的数字化[35]。文献[16～17]介绍了基于光子学的超宽带射频接收器。

图3的上部分是光子学射频生成器，可参考多相干波段光子学相干雷达射频生成器一节。如果只是简单地外差锁模激光器的两条谱线，得到的发射信号频率和接收信号频率将是锁模激光器重复频率的整数倍。而采样频率恰好是锁模激光器的重复频率。根据带通采样理论，这将导致无法实现采样。因此需要将锁模激光器生成的两条谱线中的一条进行微小频移。通过高精度直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)生成中频信号，并将其相位和幅度调制在一条谱线上，从而对该谱线进行微小频移[18]。

3.2 微波光子相干雷达系统

微波光子相干雷达系统具有如下优势：光子学射频接收器具有工作在极高频段的数字后端，系统可靠可重构，使得电子模数采样部分的噪声和损耗小；光子学射频收发器生成的信号可以幅相调制于任何波形，有效支持脉冲压缩技术；光子学集成电路使得系统大小和质量大幅下降。而相比之下，电子学方法很难直接生成稳定的调制信号，多次上变频增大了信号的相位噪声。电子学射频接收器受限于模数转换器的输入带宽，速度和精度。

图4 微波光子相干雷达系统[20]

该微波光子相干雷达如图4所示。锁模激光器供给接收模块和发射模块。锁模激光在发射模块被分为两路，一路经DDS生成的100 MHz脉冲调制，再经光电二极管外差拍频，产生9.9 GHz雷达脉冲，送入射频前端；另一路经DDS生成的100 MHz载波参考信号调制，再经光电二极管外差拍频，产生9.9 GHz载波参考信号，送入接收模块。射频前端收到的9.9 GHz回波信号被送入接收模块，经马赫-曾德尔调制器调制于一路锁模激光，对回波信号直接采样。采样后回波信号变为100 MHz光信号，经光电二极管光电转换后，送入模数转换器继续采样。接收模块收到来自发射模块的9.9 GHz载波参考信号。该载波参考信号经马赫-曾德尔调制器调制于一路锁模激光，被直接采样，变为100 MHz光信号，经光电二极管光电转换后，送入模数转换器，作为模数转换器的采样参考。由于相干雷达原理上基于回波信号的微小多普勒频移，故模数转换器需要100 MHz的载波参考信号。

4 多相干波段的光子学相干雷达

多相干波段光子学相干雷达具有诸多优势：多相干波段的采用使得多谱成像成为可能；高稳定性和大带宽满足了软件化定义雷达性能与灵活性的需求；低功耗；以最小的计算代价，通过多波段数据融合提高了系统探测分辨率；高灵敏度和高射频源稳定性；精确的宽带信号探测和数字化；可配置的软件化定义射频信号生成，能够产生30 GHz以上的多频段宽带毫米波波形，同时为相干脉冲多普勒处理提供稳定相位；多波段光子学接收器具有直至毫米波的数字后端。多相干波段光子学相干雷达有望在单波段光子学软件定义全相干雷达大带宽，高频率的基础上有效提升系统探测分辨率。

多相干波段光子学相干雷达基于单个光子学收发器。锁模激光器同时给多波段光子射频接收器和多波段光子射频生成器提供锁模激光信号[26-28]。生成器和接收器分别对多波段射频信号进行光子学上下变频[22]。文献[22～23]研究了基于单个光子学射频收发器的多波段软件定义相干雷达，在文献[22～24]专门展示了S和X双波段全相干雷达。

4.1 光子学多频段射频生成器

光子学多频段射频生成器相较传统射频生成器具有诸多优势：大带宽、高信噪比，不受电磁干扰；低损耗和相位噪声；灵活生成直到毫米波的极高频信号，具有极高的相位稳定性，能根据天气、目标距离、目标材质、所需精度来选择载波频段；基于单个光子学射频收发器，简化多相干波段光子学相干雷达，花销低。

图5 传统和光子学多频段射频生成器[21]

以双频段射频生成器为例。传统的双频段射频生成器中，中频波形生成器产生的两路中频信号需要经过多级上变频后才能分别被两个射频前端发送出去。而基于光子学的射频信号生成器则不需要多级上变频[30]。首先从锁模激光器中滤出3条谱线[6-10]，频率分别为v0，v0+NΔv和v0+MΔv。中频波形生成器产生的两个中频信号同时被调制到一路锁模激光 谱线上，与另两路频率分别为v0，v0+NΔv和v0+MΔv的锁模激光合路后经光电二极管外差拍频，上变频产生两个频段的射频信号[29]，分别经两个射频前端发出[11-13]。锁模激光器具有内在锁相功能，因此直到极高频段的载波都具有极低的相位噪声[14]。光子学多频段射频接收器与光子学多频段射频生成器结构类似。文献[19]和[31]介绍了相干雷达的双波段光子学射频收发器和测量目标的多普勒频移结果。

4.2 光子学相干双波段雷达的数据融合

光子学双波段相干雷达数据融合的优势在于，基于光子学射频收发带来的双波段数据相干特性，以极低的计算复杂度，增加接收目标的分辨率[32-34]和灵敏度。而传统的双波段雷达数据由于不相干，数据融合的计算复杂度大幅增加。

图6 光子学相干双波段雷达的数据融合[25]

光子学双波段相干雷达数据融合与光子学多波段相干雷达数据融合类似，以光子学双波段相干雷达数据融合为例。光子射频接收器接收到的双波段信号首先经模数采样和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)数字下变频。而后，可以分别对S波段和X波段数据进行处理，也可以将S波段和X波段数据融合后进行处理。其中，M是雷达信号个数，N是每个雷达信号的采样点数，M×N矩阵就是雷达数据。融合处理过程分两步：第一步，对两波段的M×N矩阵做多普勒频移修正和时间窗对齐；第二步，由于两波段信号是相干信号，只需将两波段的M×N矩阵直接相加，得到的新矩阵将具有双倍雷达分辨率。如果不是两相干信号，非相干信号的数据融合需要信号对齐的迭代算法，增加了繁重的计算时间。

5 结束语

本文针对微波光子雷达的关键技术和微波光子雷达对传统雷达关键部件的替代与改进，以及替代与改进的优势做了分析，并重点介绍了最新的光子学软件化定义相干雷达和多相干波段光子学相干雷达。微波光子雷达以光子学上下变频、光采样、光学真时延和光子射频移相器解决了传统雷达由于电子速率瓶颈造成的不足、高频率、大带宽，可以在多方面提升雷达整体性能，有望引领新一代雷达发展方向。

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A Review of Photonics-Based Radar Techniques

TIAN Yuelong，LIU Zhiguo

(Radar Division, 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Xi’an 710068, China)

As traditional radar system is subject to the electronic speed bottleneck, there are many problems in high speed microwave and millimeter wave generation and sampling. With photonics and photonic microwave devices, photonics-based radars can replace some key components of the traditional radar system, and can solve problems above. By photonics, RF signals of radar for transmission can be generated, up-conversion and down-conversion of RF signals can be achieved, optical sampling of received RF signals can be completed, received RF signals can be filtered, optical true time delay can be achieved, and the traditional RF phase shifter can be replaced by the photonic RF phase shifter. Replacement and improvement above are introduced in this paper with their advantages pointed out, and the core structure of latest photonics-based software-defined coherent radar and photonics-based multiband coherent radar are discussed. Optically controlled phased array radars and photonics-based multiband coherent radars, with advantages of huge bandwidth, are expected to lead to the radar of the next generation.

photonics-based radar; photonics-based multiband coherent radar; photonics-based up and down conversion; optical sampling; optical true time delay; photonic RF phase shifter

2017- 03- 08

国家自然科学基金(61403311)

田跃龙(1988-)，男，博士，助理工程师。研究方向：微波光子雷达，雷达系统。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.052

TN958

A

1007-7820(2017)05-193-06