摘 要：提出基于微波光子技術的新體制雷達構成，分析其工作原理，提煉新體制雷達研究需要解決的關鍵技術。從光生微波、微波光子延時和移相、微波光子濾波和全光采樣量化等關鍵技術入手，總結當前國內(nèi)外最新研究進展，分析微波光子新體制雷達研究與實現(xiàn)的可行性，展望微波光子新體制雷達的發(fā)展和應用前景。

1 引言
近年來，雷達研究開始引入越來越多的微波光子技術[1]。利用微波光子技術在實現(xiàn)大帶寬的任意波形信號上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[2-7]。微波光子移相技術可以通過選擇光纖真時延遲線的長短來控制延時量，也可以用矢量和的方法實現(xiàn)微波相移，還可以借助慢光技術實現(xiàn)超過360 度的微波相移[8-10]。微波光子技術可以實現(xiàn)從幾十MHz 到幾GHz 的可調濾波器[11][12]。全光采樣和全光模數(shù)轉換是利用鎖模激光器產(chǎn)生高重復頻率的采樣光脈沖序列，然后采樣光脈沖對模擬電信號進行電光采樣[13][14]。利用光子技術對采樣后的光脈沖進行全光量化和編碼，最終得到與之對應的數(shù)字信號。
2014 年，意大利比薩大學開展了 “基于光子學的全數(shù)字雷達”項目[15]，該項目利用一個單脈沖激光產(chǎn)生可調諧雷達信號，并接收回波，避免了射頻的上、下變頻處理，確保了軟件定義方法和高分辨率。
本文從微波雷達概念出發(fā)，將光生微波技術、微波光延時與移相技術、微波光子濾波技術和全光采樣量化技術引入到雷達研究中，組成射頻前端由全光完成的新體制雷達系統(tǒng)。本文對各主要技術的發(fā)展水平進行總結，分析微波光子新體制雷達研究與實現(xiàn)的可行性，展望微波光子新體制雷達的發(fā)展和應用前景。

2 微波光子雷達構想
微波光子新體制雷達利用微波光子技術已實現(xiàn)的成果，在傳統(tǒng)雷達的主要部件或分系統(tǒng)上，完全或部分代替原來的電學分系統(tǒng)，以便充分利用微波光子技術在雷達組件的重量、體積、帶寬、抗電磁干擾等方面的優(yōu)勢，構建性能優(yōu)越的雷達系統(tǒng)。微波光子新體制雷達的構想與設計，如圖1 所示。傳統(tǒng)雷達的發(fā)射機，尤其是寬帶雷達信號的發(fā)射機，需要經(jīng)過多次變頻、混頻，才能實現(xiàn)雷達信號的產(chǎn)生，再經(jīng)過功率放大后輸送到天線進行發(fā)射。光生微波技術可以直接產(chǎn)生高頻、大帶寬的微波信號，而且無須借助外部電學器件。

圖1 微波光子新體制雷達概念框圖

該微波信號根據(jù)體制需要，可以直接在光域完成功率和信號的分配與延時，還可以在光域完成微波信號的移相。在進入射頻前端之前進行光電轉換，將光信號中的微波雷達信號提取出來，然后到達天線發(fā)射出去。接收時，電信號進入接收前端后，被光載波調制，在光域利用微波光子技術進行濾波。之后進入全光采樣量化系統(tǒng)，完成微波信號的大帶寬、高頻直接采樣，避免傳統(tǒng)接收機需要經(jīng)過多次下變頻轉換的復雜節(jié)。所得到的數(shù)字信號進入DSP 進行處理。

3 微波光子體制雷達關鍵技術研究

3.1 光生微波技術
利用微波光子技術，可以非常方便地實現(xiàn)大帶寬線性調頻信號的產(chǎn)生，這是微波領域難以突破的技術瓶頸。
2009 年美國普渡大學研究組在硅光子芯片上利用譜整形方法實現(xiàn)了載波60GHz，帶寬8GHz 的啁啾信號[2]。2011 年，***中央大學研究組利用一個主激光器和一個頻率線性掃描的從激光器進行差頻，實現(xiàn)載波97GHz，帶寬14GHz 的啁啾信號光產(chǎn)生[3]。2011 年，加拿大姚建平課題組利用鎖模激光器和啁啾光纖光柵，產(chǎn)生帶寬達40GHz 的啁啾信號[5]。
2013 年，清華大學的謝世鐘課題組利用飛秒脈沖激光器和一個固定頻率的連續(xù)輸出激光器的拍頻，實現(xiàn)脈沖輸出的啁啾信號，其中心頻率約為20GHz，帶寬達30GHz[6]。實驗結果如圖2 所示，圖2（a）為波形時域圖，圖2（b）為信號時頻分析圖。

圖2 光生微波線性調頻信號實驗結果[6]

2015 年，上海交通大學陳建平課題組開展了線性調頻信號光產(chǎn)生技術研究，產(chǎn)生電信號帶寬超過30GHz，時寬達到幾十ns[7]。當然，從目前的實驗結果來看，利用光學方法產(chǎn)生線性調頻信號時寬非常短，僅在ns 量級。

3.2 微波光子真時延遲和移相技術

光控相控陣技術利用光學方法（主要基于光纖或光波導）完成饋電。多波長延時網(wǎng)絡因為波長數(shù)和子陣天線單元數(shù)對應，具有同時控制子陣多單元延時的功能。為了實現(xiàn)多波長延時網(wǎng)絡，主要可以采用波分復用器（WDM）和光柵完成。

以色列特拉維夫大學的Moshe Tur 課題組從2005 年提出多波長、分延時的方法，采用預先制作好光纖真時延遲線和波分復用器，可以實現(xiàn)多波長的延時網(wǎng)絡[8]。姚建平課題組在利用光纖光柵進行光控相控陣雷達方面開展研究較早也較多[9]。2014年，上海航天電子技術研究所與上海交通大學研究了波分復用級聯(lián)光延時網(wǎng)絡，利用光開關實現(xiàn)多延時的調諧[10]。

3.3 微波光子濾波技術

微波光子學濾波器[11]，利用由光纖以及其它光器件構成的光信號處理器在光域內(nèi)實現(xiàn)信號濾波，代替由電學元件構成的微波電路在電域內(nèi)實現(xiàn)信號濾波。微波信號經(jīng)過調制后經(jīng)過時域抽樣，接著被送入由光纖延遲線、光纖耦合器、光纖光柵及光放大器等組成的光學系統(tǒng)中進行信號的加權、相加等處理。在輸出端，處理后的光信號在一個或多個光電探測器上進行光電轉換，然后恢復為輸出信號So(t)。其數(shù)學過程如下:輸出電信號和輸入電信號之間的脈沖響應可以由脈沖序列在濾波器每路間經(jīng)歷相等的延時 T 來表示：

其中ar 濾波器的權值系數(shù)，r 表示濾波器的路數(shù)或者抽頭數(shù)。因此，對上式的脈沖響應做傅里葉變換，就可以得到濾波器的頻率響應為：

按其抽頭數(shù)的多少可以分為有限脈沖響應(FIR)濾波器和無限脈沖響應(IIR)濾波器。與FIR 濾波器相對應的另一種微波光子學濾波器就是無限脈沖響應(IIR)濾波器，這種濾波器在式(2)所體現(xiàn)的就是M，N 都是趨近于無窮大的。

3.4 光AD 技術

光學模數(shù)轉換器一般由采樣部分與量化部分構成[13]。采樣部分的功能是對信號進行采樣，并將采集的信號保持一段時間；量化部分的主要功能是內(nèi)對采集的信號在數(shù)值上進行量化、編碼，使之成為數(shù)字信號。光學采樣保持主要是利用光時鐘的低抖動與超短的脈沖寬度來設計采樣保持電路，已有報道達到采樣速度為1.003Gs/s，11.8 比特的SFDR 精度與9.6 比特的SNR 精度。光學復制方案是利用光纖環(huán)路將采樣得到的RF 信號進行復制，以使用低速度的電ADC 來采樣與量化。光時間拉伸方案的是通過色散的方法將光脈沖進行展寬，由于光脈沖序列已加載了微波信號，因此后端探測到的是時域展寬的微波電信號，再進行電子采樣與量化。

美國UCLA 的Jalali 教授的課題組在此方面的研究取得了矚目的成果，實現(xiàn)了10Ts/s 采樣率的光模數(shù)轉換系統(tǒng)[14]。光學量化方案利用電信號來控制激光源輸出的波長，在后端將多波長的信號進行量化。

圖3 光采樣電量化的光模數(shù)轉換器結構圖

光學采樣ADC 是目前常見的方式。這種方式主要是采用鎖模激光器產(chǎn)生高速穩(wěn)定的光脈沖序列并作為采樣時鐘；然后利用高性能的電光調制器將微波信號加載到光脈沖的的幅度(或相位)上，經(jīng)過高速的光電轉換器將調制器后端的信號轉變?yōu)殡娦盘枺蛔詈笸ㄟ^電模數(shù)轉換器進行量化編碼，生成數(shù)字信號。圖3 為一種典型的利用鎖模激光器實現(xiàn)模擬信號光采樣的原理框圖。

在光學模數(shù)轉換系統(tǒng)中，要想達到很好的性能，一方面要使用性能優(yōu)良的器件與優(yōu)化的系統(tǒng)結構，另一方面也要盡可能減小光纖鏈路引入的噪聲。隨著硅基光子學技術的不斷成熟，集成是光模數(shù)轉換可行的方向。

4 微波光子部組件小型化、集成化發(fā)展動態(tài)分析

隨著硅基光子集成技術的發(fā)展，微波光子器件的集成化研究也取得了許多成果[16]。如圖4 所示，為集成化的光電振蕩器，其尺寸僅一塊硬幣大小[17]。圖4（左）為外觀尺寸，圖4（右）為其內(nèi)部構造圖。而其他能夠應用到光子集成技術的微波光子元器件也正在研究中，例如硅基光子調制器、硅基激光器、硅基光子可調延遲線等。

借助成熟的集成電路工藝可以創(chuàng)造低成本的大規(guī)模集成光路。硅基光子集成結構對光的限制能力很強，從而使得光子器件的尺寸能降到幾百個納米。同時，光子不受電磁干擾，相比純的集成電路，電磁干擾嚴重限制了帶寬。而另一方面，光場是以指數(shù)衰減，因此相距 2-4 微米的波導之間的交叉干擾能小-30dB。其次，光子能提供小于1fs 的時間抖動，大約比電子低 2-3 個數(shù)量級。硅基光電集成電路在帶寬為 40Gb/s 時，模數(shù)轉換器還能提供超過 8bit 的精度。

圖4 集成化的光電振蕩器[17]

5 微波光子新體制雷達技術分析

微波光子元器件、由這些元器件組成的微波光子系統(tǒng)，以及其背后的微波光子技術能否彼此“兼容”，從而搭建一部性能優(yōu)越的微波光子新體制雷達，仍有待將分系統(tǒng)的技術參數(shù)進行梳理。

由表1 中分析可以看出，隨著光子集成技術不斷發(fā)展、光電集成度不斷提高，微波光子器件及系統(tǒng)的成本不斷下降，為微波光子新體制雷達奠定了堅實的礎。

表1 微波光子技術主要指標

6 結論
本文提出基于微波光子技術的新體制雷達構想，從微波光子技術入手梳理與分析支撐微波光子技術發(fā)展的基礎。通過研究微波光子雷達的分系統(tǒng)的發(fā)展水平和技術指標，論證微波光子雷達的可行性、需要解決的關鍵問題和面臨的技術障礙，為將來大帶寬、網(wǎng)絡化、數(shù)字化雷達的發(fā)展提供參考。

國內(nèi)相關成果和報道：

中國科學院電子學研究所成功研制出國內(nèi)第一臺基于微波光子技術的雷達樣機，并進行了外場非合作目標的逆合成孔徑成像測試，獲得了國內(nèi)第一幅微波光子雷達成像圖樣，推動了新技術新體制雷達研究的發(fā)展。首部微波光子雷達采用雙站雷達體制和光子架構，在發(fā)射機和接收機的射頻前端分別引入雷達信號微波光子產(chǎn)生和去調頻接收技術，能夠支持寬帶工作，具有提升距離向分辨率的潛力。外場獲得的圖像分辨率比已知報道的國際同類微波光子雷達提高一個數(shù)量級，圖像清晰度也有明顯提升。

第一部國內(nèi)微波光子雷達樣機的研制成功微波光子雷達研究是結合了微波光子技術和雷達技術的一個多學科交叉領域，是電子所面向新技術新體制雷達研究的重點培育方向之一。微波光子雷達的研究，依托于電子所一室，得到了中科院科技創(chuàng)新重點部署項目、中科院率先行動計劃、微波光子成像雷達技術驗證測試平臺修購項目的支持；同時電子所引進具有微波光子學背景的海外青年千人研究員李王哲和李若明入所開展工作，結合電子所在雷達技術方面的專業(yè)力量和研究經(jīng)驗，通過不同學科間的碰撞融合、不同專業(yè)技術人員間的交流協(xié)作，有力推動了微波光子雷達研究的發(fā)展。

從2015年下半年開始，相關專業(yè)團隊協(xié)同創(chuàng)新，先后完成了微波光子成像雷達系統(tǒng)設計論證、寬帶雷達信號的光子產(chǎn)生和光子去調頻接收等關鍵技術攻關，以及相關成像算法研發(fā)。在經(jīng)過實驗室原理驗證、暗室點目標成像實驗和系統(tǒng)集成聯(lián)調后，最終實現(xiàn)了在外場對非合作目標的成像測試，成功驗證了該部微波光子雷達的可行性。研究成果已經(jīng)被國際期刊《光學快訊》（Optics Express）接收，即將發(fā)表。

在此次外場測試中，對包含波音737飛機在內(nèi)的不同機型、不同距離、不同視角下進行了成像測試。得益于微波光子雷達架構，以及光子技術在寬帶信號產(chǎn)生、處理以及系統(tǒng)雜散抑制等方面的獨特優(yōu)勢，微波光子雷達成像圖像能夠清晰地識別目標的結構細節(jié)，比如飛機發(fā)動機、尾翼以及襟翼導軌等結構，展示了微波光子雷達對目標結構特征的辨識能力，對比發(fā)表在《自然》雜志上的國外微波光子雷達系統(tǒng)所進行的外場成像結果，如圖2所示，電子所的微波光子雷達系統(tǒng)成像結果具有明顯的改善。接下來該方向的研究工作將進一步提升微波光子雷達成像性能，并繼續(xù)探索微波光子技術在不同體制雷達中的應用價值。

第一部國內(nèi)微波光子雷達樣機的研制成功填補了國內(nèi)在該研究領域的空白，推動了光子技術同傳統(tǒng)的微波系統(tǒng)尤其是雷達系統(tǒng)的融合，標志著未來的雷達技術和系統(tǒng)的新的發(fā)展階段，為未來新體制雷達系統(tǒng)的誕生奠定基礎。