0 引言
未来战争将是地、海、空、天一体化的多维空间立体战，是以打击特定目标为主的信息化局部战争，精确制导类武器弹药以其射程远、精度高等特点成为现代化战争中的主战武器，得到广泛的应用，其数量比例从第一次海湾战争的10%一跃增加到伊拉克战争中的90%以上。实战证明,精确制导武器的先进程度、装备数量对作战的战略战术、兵力兵器对比乃至战争结局都会产生至关重要的影响。
精确制导武器采用高精度探测、控制及制导技术，能够有效从复杂背景中探测、截获、识别及跟踪目标。雷达导引头作为导弹的“眼睛”，是实现精确制导的关键设备，自诞生以来就被广泛研究[1-2]。然而，随着雷达技术的发展和日趋复杂的作战环境，要求雷达导引头能够在复杂电磁干扰环境背景下进行远距离多目标搜索、跟踪与制导。为满足未来的作战需求，目前制导技术发展趋势朝着更高更宽发展:高是更高的工作频率，利于雷达导引头实现精确制导；宽是更宽带的工作频率，能够提升雷达导引头抗干扰能力。然而，受限于电子系统自身瓶颈现象，即高频特效不好，电子技术难以实现宽带信号的产生、控制和处理，严重制约了制导技术的进一步发展。
近年来，雷达研究开始引入越来越多的微波光子技术解决上述问题。微波光子技术可以产生稳定的毫米波信号，频段高，相噪低。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。将其应用在雷达导引头上，可采用脉内调频、脉间跳频技术来实现抗干扰，采用脉冲压缩及合成宽带算法来实现距离高分辨。微波光子系统通过利用光电子器件替代电子器件,解决了传统电子学信号处理中的“电子瓶颈”问题。微波光子系统同时具有光子技术和微波技术的优势，与传统的微波系统相比具有带宽大、抗电磁干扰、传输损耗低、重量轻、体积小等优点[3-5]。因此，基于微波光子技术的新体制雷达制导系统，能够改善和提高传统微波雷达的多项技术性能，为雷达制导装备技术发展带来新的变革。
1 国内外发展现状
1.1 国外研究发展现状
国外，从上世纪80年代开始，便有人提出将光技术应用于宽带天线阵列，光纤技术的军事应用受到美、欧等国军方的重视。
1970年代末在位于美国洛杉矶北面莫哈韦沙漠中的“深空网络”[6]如图1所示，是一个分布在数十公里范围内的由10多个大型碟形天线组成的集群，其中最大天线的直径达70 m。这些天线之间建立了一个光纤传输系统以传递微波参考信号，所有天线单元由这一频率同步，利用相控阵技术使它们工作得像一个巨大的天线一样，从而能够与外太空的空间飞船保持通信和跟踪。
图1 建立光纤传输系统的天线集群
(a) 光学多波束实验系统
(b) 芯片化光学波束形成网络
图2 法国泰勒斯公司研制的S波段光学多波束形成演示实验系统
90年代以来，随着光调制技术和半导体光电子集成电路技术的迅猛发展，国外许多公司和学者对该应用领域进行了广泛的研究，实验系统覆盖L波段到毫米波的整个雷达工作频段。休斯飞机公司在美国国家高级计划研究局(DARPA)的帮助下，开发了具有光纤波束形成网络的宽带共形阵列，天线具有500 MHz的带宽，扫描范围 ±60°，用于机载监视雷达[7]。西屋公司还利用光学波分复用技术，研制出光纤真实时间延迟系统，并在一轻型2×16单元宽带相控阵上进行了实验，在整个0.6～1.5 GHz的有限天线频带内，实现 ±45°范围内的无偏斜波束扫描[8]。法国泰勒斯公司研制了S波段光学多波束形成演示实验系统，如图2所示。演示系统天线单元数为4个，电光转换器件为4只2.5 GHz的直调式激光器，工作波长分别为1 510,1 530,1 550和1 570 nm，光学波束形成网络采用粗波分复用技术，通过色散系数为17 ps/(nm·km)的色散光纤构建，色散光纤长度为0，34，68和102 m，分别对应0°，3.6°，7.2°和10.8°四个不同的指向角度。该演示系统最大的特点是光学波束形成网络中的直调式激光器、波分复用器、色散光纤及光电探测器全部为普通商用器件，标志着宽带光控天线阵列技术已经可以进入工程应用。
2014年，Nature杂志报导了意大利国家光子网络实验室的Bogoni团队完成的全光数字相干雷达,如图3所示。该团队成功实现了微波光子雷达系统的全光拉通，并用其对民航飞机进行了跟踪，受到了国际上的一致关注，并被评论为“微波光子照亮未来雷达”的高度赞誉[9]。
图3 意大利研究团队完成的全光数字相干雷达
弹载微波光子雷达技术在美国发展较早，上世纪90年代末期，随着美国OE Wave公司发明了光电振荡器之后，美国已经开展相关研究工作。同时美国还开展了光控相控阵、收发一体、快速二维扫描的光控相控阵雷达技术研究并已经达到实用水平，结合光子和电子集成技术，已经基本满足弹载制导的要求。
1.2 国内研究发展现状
我国在微波光子学领域的研究起步较晚，虽然相比发达国家在微波光子学系统研究还是器件的制作工艺方面都远远落后，但发展极为迅速。中国电科38所在“十五”期间，重点在宽带光控阵列领域开展了相关技术研究，突破了宽带光纤延时线设计、宽带阵列天线设计等关键技术，并完成了宽带光控相控阵天线演示验证系统的研制，系统在国内首次实现了阵列天线宽带、宽角无指向偏斜的波束扫描，验证了光控天线阵列的宽带特性。南京航空航天大学成立了雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室，先后开展了基于光纤连接的分布式雷达、超宽带噪声雷达等系统研究，完成了小目标实时成像的微波光子雷达验证系统[5]。清华大学研制成功一种用于测距和成像的光子雷达系统，该系统利用1个4位光数模转换器产生了一个中心频率10 GHz、带宽4 GHz的线性调频信号，能够获取目标的距离和速度等信息。该雷达系统的测距精度为5 cm，测速精度为2 m/s[10]。
从国内外典型微波光子雷达系统研究中可以看出，微波光子技术的引入可以大大提升雷达系统的性能，因此研究基于微波光子技术的新体制雷达具有先进性和挑战性，且具有很强的应用背景。
2 基于微波光子技术的制导系统效能提升分析
微波光子系统与传统的微波系统相比具有带宽大、抗电磁干扰能力强、传输损耗低等优点。
2.1 多频段工作
传统微波雷达通过频率源产生雷达基准信号，波形产生电路根据雷达工作模式产生系统所需的线性调频信号，经过上变频和功率放大后送到二维有源相控阵天线，经T/R组件放大并通过阵面辐射，在空间合成大功率发射信号，工作频段单一，工作带宽较窄。
微波光子雷达通过以光电振荡器为基础的光子频率合成器能够输出多种频率，结合波形产生装置根据系统工作模式产生任意需要的激励信号通过光载波调制器加载到光域，然后通过光波束形成网络送到二维有源相控阵天线，经T/R组件放大并通过阵面辐射，在空间合成大功率发射信号。通过超宽带高速射频开关和射频窄带带通滤波器组等实现频率信号的宽带快速跳频，其中射频窄带带通滤波器组各通道中心载频分别为10，20和30 GHz。较远距离时系统低频段工作，在制导末段高频段工作，以低频段工作为主，高频段为辅，提高系统抗干扰能力。
2.2 更大的瞬时带宽
传统微波相控阵雷达无法摆脱其天线阵列孔径效应的限制，不能在瞬时大带宽下工作，目前常用微波雷达瞬时带宽能够做到240 MHz左右。光子波束采用真实延时技术抵消阵列天线的孔径渡越时间，使其各阵元的波前处于同一时刻，从而实现在瞬时大带宽信号下信号无失真地向空间辐射或者被阵列接收。微波光子雷达的瞬时带宽能够达到4 GHz以上，可大大提高雷达对多目标的搜索和跟踪能力，以及目标识别和成像能力。
3 微波光子雷达制导系统关键技术
考虑到弹载平台恶劣的工作环境及精确制导使用需求，逐步攻关微波光子技术应用于弹载平台的可实现性技术及在工程实现上所需考虑的技术难题具有重要意义。
3.1 制导系统总体架构设计技术
基于微波光子技术的新体制雷达制导系统，不同于常规的雷达制导系统，新体制下微波光子制导系统采用微波光子元器件，在传统雷达的主要部件或分部件上，完全或部分替代原来的电学系统。整个系统的应用平台是结构空间十分有限的弹载平台，对新体制雷达系统空间电子设备的电路设计、热设计、结构设计等集成化水平要求非常高。
综合考虑导引头的性能需求以及弹体空间的限制等因素，高低频段导引头均采用相控阵天线体制，高低频段有源天线采用高集成度共口径设计，提高天线口径利用率。较远距离时导引头低频段工作，在制导末段高频段工作，以低频段工作为主，高频段为辅，提高系统抗干扰能力。微波光子雷达制导系统组成如图4所示，主要由天线单元、综合射频单元、综合处理与控制单元和二次电源等部分组成。
图4 基于微波光子技术的雷达制导系统组成框图
图5 基于微波光子的雷达系统原理框图
导引头工作时，以光电振荡器为基础的光子频率合成器能够输出多种频率，如图5所示，包括基准时钟、采样的激励信号通过光载波调制器加载到光域，然后经过光波束形成网络送到二维有源相控阵天线，在天线中信号经分布式光子T/R组件放大并通过阵面辐射，在空间合成大功率发射信号；回波由天线接收送到接收机中，在接收机中经光子变频、放大、滤波、解调，再经A/D采样、量化送到后端进行信号处理及相关信息的提取。综合处理单元完成不同工作模式的信号处理任务，信号处理的相关信息按要求传送到弹上飞控计算机。控制单元一方面控制雷达按要求有条不紊地工作，另一方面负责和弹上控制系统进行信息交换，接收弹上控制系统的命令和相关信息，同时将雷达设备的工作状态信息报给弹上控制系统。
3.2 宽带相控阵天线技术
相控阵天线首先要考虑单元排列形式及间距，排列形式一般采用矩形栅格，且行列间距的选择要考虑在工作频带内扫描时不出现栅瓣，为保证方位向具有宽角扫描能力而不出现栅瓣，辐射元的方位向间距dx须满足：
(1)
式中，λ为天线的最小工作波长，θmax为天线偏离阵面法向的最大扫描角，Δ为辐射单元数目的倒数。假设制导雷达工作在Ka频段，方位/俯仰向具有±45°的扫描角。根据上述条件可确定dx=4.8 mm，能够保证相控阵雷达天线具有大扫描角能力并且同时不出现栅瓣。
传统的超宽带天线，如对数周期天线、锥形天线、平面螺旋天线和圆锥螺旋天线等由于底部体积较大，不适合用于超宽带阵列组阵。而利用互耦来展宽带宽的超宽带阵列,包括超宽带Vivaldi阵列、长槽阵列天线和碎片孔径阵列天线等紧耦合超宽带阵列能够获得3∶1以上的带宽，且能够实现±45°以上的宽角度扫描。Vivaldi填写仿真模型如图6所示，它是由线性渐变或指数渐变等方式的槽线馈电，将介质上的槽线宽度加大，形成辐射喇叭口向外发射电磁波或向内接收目标回波。在不同的频率点上，它的不同组成部位发射或接收电磁波，较低频率由最宽的喇叭口尺寸决定，而高频成分则由最窄喇叭口的精细结构决定。但各个辐射部分对应的不同频率的波长电长度是不变的，所以从理论上讲，它有超宽带特性，并在此频率范围内有着相同的波束宽度。同时它的辐射场有几乎相同的波束宽度,具有非常好的对称性,有着很低的旁瓣和交叉极化电平。
图6 Vivaldi天线单元仿真模型
初步采用Vivaldi天线仿真得到天线法向波束三维方向图(16 GHz、32 GHz)及阵列增益为26.38 dB(16 GHz)、 32.27 dB(32 GHz)，仿真结果如图7所示。
3.3 低相噪频率源技术
低相噪的频率源的产生可以通过光电振荡器等多种方式产生，相位噪声能够比一般微波频率源低1～3个数量级，这对于提升雷达的改善因子有重要作用。对于宽频段低相噪跳频射频信号发生器，高稳定光电振荡器是实现低相噪微波频率信号产生的核心，通过光电振荡技术和高品质光学储能介质能够产生高频低相噪射频信号，同时利用窄带射频带通滤波器选择振荡模式，滤除无用杂散模式。
图8为低相噪宽带跳频光电振荡器的方案结构示意图，激光器产生稳定低噪声的连续光，经电光调制器将振荡射频信号调制后通过高Q值光储能介质，然后进入宽带光电探测器恢复产生射频信号。电信号经过第一级射频放大器后，通过宽带射频开关、射频窄带带通滤波器组和宽带射频4路合路器，高速射频开关可以快速切换选择射频带通滤波器，进而实现模式选择和振荡频率跳变，最后选择的跳频射频信号经过宽带射频功分器后分成两路，一路重新进入电光调制器形成正反馈环路，另一路作为低相位噪声射频信号输出。
(a) 中心频率16 GHz
(b) 中心频率32 GHz
图7 Vivaldi天线方向图仿真结果
图8 低相噪宽频段跳频光电振荡器方案架构图
3.4 光子波束形成网络技术
光子波束形成的基础是宽带光学真延时技术，对于同样的相位误差来说，不同频率对应的长度误差是有很大区别的，频率越高，对应的长度精度要求越严格。为形成不同波束指向，就需要高精度的快速光学真延时切换网络。我们利用光纤精密切割获得一定精度的延时量，再通过精密微型连续光纤延迟线提高波束延时的精度。
图9为光学波束形成网络，可用于接收网络波束形成。将N通道光载波通过合束器合成从宽带光学波束合成器的右端输入，经过光纤延时矩阵后被分为N通道，并形成通道间相位延时，通过幅相调节后经探测器转换为微波信号，通过天线发射，在空域中干涉形成波束。
图9 光学波束形成网络
通过光载波的输入方向的改变还可以达到收发复用的目的，并且在宽带光学波束合成网络后连接一个多路光移相器，可成倍扩展通道数，具有通道扩展功能。
4 结束语
导引头是导弹等精确制导武器的“眼睛”，为提高精确制导武器的制导技术，下一代雷达导引头向着高频率、超宽带、多功能一体化方向发展，希望在提高作用距离、距离分辨率等诸多性能的同时，又能提高雷达的隐蔽性与抗干扰性能。微波光子技术具有超宽带、抗电磁干扰能力强的优势，必将会逐步取代部分传统电子技术在雷达系统中的作用。为推进基于微波光子技术的新体制雷达制导技术的发展，我们已经从单元研究向系统研究转变，但是微波光子技术与微波雷达技术的融合、系统指标的优化提升、可靠性、小型化等方面还需要进一步提高，以满足弹载平台的严格要求，为新体制的弹载制导系统积累技术基础。
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