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微波光子雷达构成和工作原理

1 引言
近年来,雷达研究开始引入越来越多的微波光子技术。利用微波光子技术在实现大带宽的任意波形信号上表现出优异的性能。微波光子移相技术可以通过选择光纤真时延迟线的长短来控制延时量,也可以用矢量和的方法实现微波相移,还可以借助慢光技术实现超过360 度的微波相移。微波光子技术可以实现从几十MHz 到几GHz 的可调滤波器。全光采样和全光模数转换是利用锁模激光器产生高重复频率的采样光脉冲序列,然后采样光脉冲对模拟电信号进行电光采样[13][14]。利用光子技术对采样后的光脉冲进行全光量化和编码,最终得到与之对应的数字信号。
2014 年,意大利比萨大学开展了 “基于光子学的全数字雷达”项目[15],该项目利用一个单脉冲激光产生可调谐雷达信号,并接收回波,避免了射频的上、下变频处理,确保了软件定义方法和高分辨率。
本文从微波雷达概念出发,将光生微波技术、微波光延时与移相技术、微波光子滤波技术和全光采样量化技术引入到雷达研究中,组成射频前端由全光完成的新体制雷达系统。本文对各主要技术的发展水平进行总结,分析微波光子新体制雷达研究与实现的可行性,展望微波光子新体制雷达的发展和应用前景。

2 微波光子雷达构想
微波光子新体制雷达利用微波光子技术已实现的成果,在传统雷达的主要部件或分系统上,完全或部分代替原来的电学分系统,以便充分利用微波光子技术在雷达组件的重量、体积、带宽、抗电磁干扰等方面的优势,构建性能优越的雷达系统。微波光子新体制雷达的构想与设计,如图1 所示。传统雷达的发射机,尤其是宽带雷达信号的发射机,需要经过多次变频、混频,才能实现雷达信号的产生,再经过功率放大后输送到天线进行发射。光生微波技术可以直接产生高频、大带宽的微波信号,而且无须借助外部电学器件。


图1 微波光子新体制雷达概念框图

该微波信号根据体制需要,可以直接在光域完成功率和信号的分配与延时,还可以在光域完成微波信号的移相。在进入射频前端之前进行光电转换,将光信号中的微波雷达信号提取出来,然后到达天线发射出去。接收时,电信号进入接收前端后,被光载波调制,在光域利用微波光子技术进行滤波。之后进入全光采样量化系统,完成微波信号的大带宽、高频直接采样,避免传统接收机需要经过多次下变频转换的复杂节。所得到的数字信号进入DSP 进行处理。

3 微波光子体制雷达关键技术研究

3.1 光生微波技术
利用微波光子技术,可以非常方便地实现大带宽线性调频信号的产生,这是微波领域难以突破的技术瓶颈。
2009 年美国普渡大学研究组在硅光子芯片上利用谱整形方法实现了载波60GHz,带宽8GHz 的啁啾信号[2]。2011 年,台湾中央大学研究组利用一个主激光器和一个频率线性扫描的从激光器进行差频,实现载波97GHz,带宽14GHz 的啁啾信号光产生[3]。2011 年,加拿大姚建平课题组利用锁模激光器和啁啾光纤光栅,产生带宽达40GHz 的啁啾信号[5]。
2013 年,清华大学的谢世钟课题组利用飞秒脉冲激光器和一个固定频率的连续输出激光器的拍频,实现脉冲输出的啁啾信号,其中心频率约为20GHz,带宽达30GHz[6]。实验结果如图2 所示,图2(a)为波形时域图,图2(b)为信号时频分析图。

图2 光生微波线性调频信号实验结果[6]

2015 年,上海交通大学陈建平课题组开展了线性调频信号光产生技术研究,产生电信号带宽超过30GHz,时宽达到几十ns[7]。当然,从目前的实验结果来看,利用光学方法产生线性调频信号时宽非常短,仅在ns 量级。

3.2 微波光子真时延迟和移相技术

光控相控阵技术利用光学方法(主要基于光纤或光波导)完成馈电。多波长延时网络因为波长数和子阵天线单元数对应,具有同时控制子阵多单元延时的功能。为了实现多波长延时网络,主要可以采用波分复用器(WDM)和光栅完成。

以色列特拉维夫大学的Moshe Tur 课题组从2005 年提出多波长、分延时的方法,采用预先制作好光纤真时延迟线和波分复用器,可以实现多波长的延时网络[8]。姚建平课题组在利用光纤光栅进行光控相控阵雷达方面开展研究较早也较多[9]。2014年,上海航天电子技术研究所与上海交通大学研究了波分复用级联光延时网络,利用光开关实现多延时的调谐[10]。

3.3 微波光子滤波技术

微波光子学滤波器[11],利用由光纤以及其它光器件构成的光信号处理器在光域内实现信号滤波,代替由电学元件构成的微波电路在电域内实现信号滤波。微波信号经过调制后经过时域抽样,接着被送入由光纤延迟线、光纤耦合器、光纤光栅及光放大器等组成的光学系统中进行信号的加权、相加等处理。在输出端,处理后的光信号在一个或多个光电探测器上进行光电转换,然后恢复为输出信号So(t)。其数学过程如下:输出电信号和输入电信号之间的脉冲响应可以由脉冲序列在滤波器每路间经历相等的延时 T 来表示:

其中ar 滤波器的权值系数,r 表示滤波器的路数或者抽头数。因此,对上式的脉冲响应做傅里叶变换,就可以得到滤波器的频率响应为:

按其抽头数的多少可以分为有限脉冲响应(FIR)滤波器和无限脉冲响应(IIR)滤波器。与FIR 滤波器相对应的另一种微波光子学滤波器就是无限脉冲响应(IIR)滤波器,这种滤波器在式(2)所体现的就是M,N 都是趋近于无穷大的。

3.4 光AD 技术

光学模数转换器一般由采样部分与量化部分构成[13]。采样部分的功能是对信号进行采样,并将采集的信号保持一段时间;量化部分的主要功能是内对采集的信号在数值上进行量化、编码,使之成为数字信号。光学采样保持主要是利用光时钟的低抖动与超短的脉冲宽度来设计采样保持电路,已有报道达到采样速度为1.003Gs/s,11.8 比特的SFDR 精度与9.6 比特的SNR 精度。光学复制方案是利用光纤环路将采样得到的RF 信号进行复制,以使用低速度的电ADC 来采样与量化。光时间拉伸方案的是通过色散的方法将光脉冲进行展宽,由于光脉冲序列已加载了微波信号,因此后端探测到的是时域展宽的微波电信号,再进行电子采样与量化。

美国UCLA 的Jalali 教授的课题组在此方面的研究取得了瞩目的成果,实现了10Ts/s 采样率的光模数转换系统[14]。光学量化方案利用电信号来控制激光源输出的波长,在后端将多波长的信号进行量化。

图3 光采样电量化的光模数转换器结构图

光学采样ADC 是目前常见的方式。这种方式主要是采用锁模激光器产生高速稳定的光脉冲序列并作为采样时钟;然后利用高性能的电光调制器将微波信号加载到光脉冲的的幅度(或相位)上,经过高速的光电转换器将调制器后端的信号转变为电信号;最后通过电模数转换器进行量化编码,生成数字信号。图3 为一种典型的利用锁模激光器实现模拟信号光采样的原理框图。


在光学模数转换系统中,要想达到很好的性能,一方面要使用性能优良的器件与优化的系统结构,另一方面也要尽可能减小光纤链路引入的噪声。随着硅基光子学技术的不断成熟,集成是光模数转换可行的方向。

4 微波光子部组件小型化、集成化发展动态分析

随着硅基光子集成技术的发展,微波光子器件的集成化研究也取得了许多成果[16]。如图4 所示,为集成化的光电振荡器,其尺寸仅一块硬币大小[17]。图4(左)为外观尺寸,图4(右)为其内部构造图。而其他能够应用到光子集成技术的微波光子元器件也正在研究中,例如硅基光子调制器、硅基激光器、硅基光子可调延迟线等。


借助成熟的集成电路工艺可以创造低成本的大规模集成光路。硅基光子集成结构对光的限制能力很强,从而使得光子器件的尺寸能降到几百个纳米。同时,光子不受电磁干扰,相比纯的集成电路,电磁干扰严重限制了带宽。而另一方面,光场是以指数衰减,因此相距 2-4 微米的波导之间的交叉干扰能小-30dB。其次,光子能提供小于1fs 的时间抖动,大约比电子低 2-3 个数量级。硅基光电集成电路在带宽为 40Gb/s 时,模数转换器还能提供超过 8bit 的精度。

图4 集成化的光电振荡器[17]

5 微波光子新体制雷达技术分析

微波光子元器件、由这些元器件组成的微波光子系统,以及其背后的微波光子技术能否彼此“兼容”,从而搭建一部性能优越的微波光子新体制雷达,仍有待将分系统的技术参数进行梳理。

由表1 中分析可以看出,随着光子集成技术不断发展、光电集成度不断提高,微波光子器件及系统的成本不断下降,为微波光子新体制雷达奠定了坚实的础

表1 微波光子技术主要指标

6 结论
本文提出基于微波光子技术的新体制雷达构想,从微波光子技术入手梳理与分析支撑微波光子技术发展的基础。通过研究微波光子雷达的分系统的发展水平和技术指标,论证微波光子雷达的可行性、需要解决的关键问题和面临的技术障碍,为将来大带宽、网络化、数字化雷达的发展提供参考。

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