微波光子雷達及關鍵技術（三）

圖7、PHODIR 與商用SEAEAGLE 成像對比
Fig. 7 Imaging result comparison between the PHODIR and SEAEAGLE

（a）目標的圖像；（b）S 波段探測到的一維距離像；（c）X 波段探測到的一維距離像；（d）利用上述融合算法合成的一維距離像；（e）空中非合作目標波音737；（h）海上非合作目標輪船；（f）和（g）分別為S 波段和X 波段對（e）的成像結果；（i）和（j）分別為S 波段和X 波段對（h）的成像結果

圖8、PHODIR 雙波段雷達外場測試結果
Fig. 8 Field test results of the dual-band PHODIR

除了對全光多波段雷達樣機的探索，Bogoni團隊還研究了雷達/通信雙用途原型機^[18]，基本框圖如圖9所示。系統中通過一個雷達發射機產生并發射中心頻率為2.4 GHz、帶寬為20 MHz的雷達信號測試動目標“汽車”的距離和速度，同時通過1個通信發射機發射4.9 GHz的64-QAM信號用于無線通信。兩信號通過相互獨立的天線發射，但被同一個開槽波導陣列雙波段天線接收，輸入到同一個射頻接收機中進行處理。通過同時對兩信號進行光下變頻處理。一方面測得了汽車的行駛速度約為50 km/h，距離約為13.8 m，另一方面，在雷達信號存在的情況下，通信信號的誤差矢量幅度并沒有什么變化，說明兩分系統之間不會互生干擾。與沒有光電下變頻，直接接收電信號對比，僅有光電電光轉換引入的3 dB左右損耗。上述系統的實現，說明未來該原型機能夠利用同一個光子收發信機和天線完成多波段、多制式信號的產生、發射、接收和檢測，實現真正意義上軟硬件共享的雷達/通信一體化系統。除此以外，該研究小組還研究了激光雷達和射頻雷達的綜合系統^[19]，利用同一個鎖模激光器分別為激光雷達和射頻雷達提供高穩定的光源，在節省硬件資源的同時，也使得兩雷達系統可以互為補充，增加了雷達系統在作戰環境中的魯棒性。

圖9、雷達/通信雙用途原型機原理及測試結果

Fig. 9 Schematic diagram and the experimental results of the integrated radar and communication system

1.3 俄羅斯微波光子雷達研究進展

俄羅斯也一直在發展微波光子雷達技術，由于其主要論文均由俄文撰寫，國際社會對其研究進展了解甚少，直至2014年俄羅斯最大的無線電子設備制造商無線電電子技術聯合集團（KRET）公開宣布，受俄羅斯政府資助開展“射頻光子相控陣”（ROFAR）項目研究。該項目旨在開發基于光子技術的通用技術和核心器件，制造射頻光子相控陣樣機，用于下一代雷達和電子戰系統。根據俄羅斯塔斯社最新報道稱，ROFAR 采用分布式系統，可以發射帶寬高達100 GHz的信號，發射機能效大于60%，可以對幾百km外的物體實現3D成像^[20]。相對于傳統雷達，ROFAR雷達的系統質量降低50%，分辨率可以提升數10倍。未來，這些射頻光子相控陣單元有望用于俄羅斯“智能蒙皮”計劃中和第六代戰斗機上，實現集無源偵收、有源探測、電子對抗和安全通信多功能于一體的360°全覆蓋掃描以及機上資源的一體化調度；ROFAR也有可能安裝在俄羅斯正在研制的飛艇上，利用飛艇大表面優勢，將天線陣列分布于蒙皮上，為俄羅斯提供導彈預警（圖10）。

圖10、ROFAR 雷達及其可能應用的飛艇與戰斗機
Fig. 10 Photos of ROFAR radar, the seaplane and the fighter

1.4 國內微波光子雷達研究進展

從公開的報道來看，國內微波光子雷達的研究可以追溯至21世紀初，雖然相比美國和歐盟起步略晚，但發展極為迅速。2013年南京航空航天大學成立了雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室，先后開展了基于光纖連接的分布式雷達^[21-22]、超寬帶噪聲雷達^[23-25]、無源雷達^[26]等雷達系統研究。2017年6月，南京航空航天大學聯合中國電子科技集團第14研究所研制出了可實現小目標實時成像的微波光子雷達驗證系統^[27]，如圖11所示。該系統發射端利用微波光子倍頻技術將4.5~6.5 GHz 的線性調頻信號倍頻到K 波段（18~26GHz），由天線輻射到自由空間。該寬帶信號經待測目標反射后，由接收天線收集并與參考信號進行光混頻去斜，得到僅包含目標距離，多普勒頻移等信息的低速信號。通過數字信號處理實現對待測目標的實時成像。該系統利用微波光子技術對接收信號進行預處理，在不損失信息量的前提下極大地壓縮了數據量，成功實現了對小尺寸目標的實時高分辨成像，成像精度優于2 cm。此技術突破了電子技術對帶寬與處理速度的限制，能為高精度實時雷達目標監測提供可靠的技術支持。課題組還對小型非合作目標無人機進行了高清實時成像。同期，中國科學院電子學研究所微波成像技術國家重點實驗室的研究團隊也完成了基于微波光子技術的SAR成像研究^[28]，其雷達發射信號帶寬為600 MHz，對應成像分辨率25 cm。該系統實現了大型非合作目標波音737的成像，如圖12所示，有效論證了微波光子雷達的可行性。清華大學也報道了一種用于測距和成像的光子雷達系統^[29]，該系統利用1個4位光數模轉換器（DAC）產生了1個中心頻率10 GHz，帶寬4 GHz的線性調頻信號，經發射天線發射、目標反射及接收天線接收后，攜帶上目標的距離和速度等信息。該光子雷達系統的距離精度為5 cm，測速精度為2 m/s。此外，2015年上海交通大學還報道了基于鎖模激光器的光子雷達系統，用于測距^[30]，該系統原理如圖13所示，發射機利用兩路啁啾的光脈沖拍頻得到中心頻率和帶寬可調諧的線性調頻信號，經過待測目標反射回接收天線，所接收的信號經過光電調制器調制到光信號的幅度上，再經過一段色散光纖進行時域拉伸后輸入光電探測器進行包絡探測，得到攜帶距離信息的信號。在測距實驗中，所產生的線性調頻信號中心頻率為10 GHz，帶寬為4 GHz，成功區分出4 m外相距6 cm的2個目標。

圖11、南京航空航天大學實時成像光子雷達系統及實驗結果

Fig. 11 Schematic diagram and the experimental results of the real-time imaging microwave photonics radar of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA)

圖12、中國科學院電子學研究所波音737 外場測試ISAR 成像結果

Fig. 12 ISAR imaging results of Boeing 737 with the microwave photonics radar developed by Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences

圖13、上海交通大學光子雷達樣機
Fig. 13 Photonics radar prototype developed by Shanghai Jiao Tong Univeristy

從上述若干典型微波光子雷達系統可以看出，微波光子技術的引入可以大大提升了雷達系統的性能，例如探測精度得到提升、多波段多功能實現融合等，但大部分雷達系統還只是能力演示，難以真正實用，因此，對微波光子雷達系統中關鍵技術的研究與提升仍然是當前關鍵。