0 引 言
雷达(radar)广泛应用于交通、通信和国防等领域[1]。它通过发射电磁波对目标进行照射并接收处理回波信号，由此获得目标的距离、速度和方位等信息。自1935年雷达首次应用以来，微波、半导体和数字集成电路等领域的发展推动着雷达技术不断进步，当前雷达的探测手段包括微波、红外光、激光等多种形式，实现的功能包括搜索、识别、跟踪、成像和分类等，且目前已经具备了多功能、多频段和数字化等工作特征。
随着新一代雷达朝宽带化、小型化和可重构的方向发展，传统微波技术设计及工艺所面临的渡越时间、电磁串扰和时间抖动等问题成为限制器件性能的“电子瓶颈”，严重制约了雷达系统工作频率(～GHz量级)和带宽(～MHz量级)的提升，系统需要采用大量复杂繁琐的流程和重复冗余的部件。例如，受限于直接数字合成器(DDS)和模拟数字转换器(ADC)的性能，雷达发射机和接收机内必须经历多次频率变换的过程以及采用多通道复合的架构，由此引入了大量的杂散与噪声，严重恶化了雷达系统的探测性能[1]。相比之下，微波光子技术有机结合光子技术高速宽带的优势和微波技术精细灵活的特征，通过借助光器件实现高频微波信号的调制、操控和探测[2]，完成微波系统中难以甚至不可实现的功能，同时有效减小系统的损耗、尺寸、重量和成本等，为新一代雷达系统宽带化、小型化和可重构的发展过程中提供了新的技术途径[3]。
1 微波光子雷达发展现状
目前，微波光子技术在雷达信号产生、接收和处理等方面均实现了应用，图1展示了微波光子雷达的发展思路与趋势，通过将不同功能的微波光子技术有机融合在一起，发挥各自的优势，提升系统整体性能，最终实现全光微波雷达，满足下一代雷达对于宽带化、小型化和具备可重构性特性的要求。
图1 微波光子雷达系统的发展趋势
当前微波光子雷达系统主要有脉冲体制、调频连续波体制和全光体制3种，表1列出了这3种雷达体制的主要特征和性能参数。一般来说，脉冲波体制雷达具有时间带宽积优势，因而具有较远的探测距离和较高的探测分辨率，而连续波体制雷达在测量距离存在上限。就信号质量来讲，数字基带结合光子变频的方式产生的雷达信号稳定性好，但带宽受到限制，而全光体制雷达能够产生不受限制的跨频宽带信号，但是信号稳定性还需要改善。在接收端，当前微波光子雷达接收方案一般均是利用微波光子技术将微波信号转换为低速数字信号后，再在数字域进行处理。
表1 不同体制微波光子雷达的主要特性及性能参数对比
单位(时间)雷达体制雷达主要功能信号产生方式信号接收方式信号带宽/Hz工作频段距离分辨率/cm比萨大学(2014)[4]脉冲测距纵模拍频频率变换+ADC0.2X、S75清华大学(2018)[6]脉冲测距直接产生宽带PADC1.6X9.4上海交大(2018)[11]脉冲测距电光转换ADC8Ka2.8中科院电子所(2017)[12]调频连续波测距和ISAR成像载波2倍频产生LFM信号微波光子接收拉伸预处理0.6Ku25南航(2017)[13]调频连续波测距和ISAR成像载波4倍频产生LFM信号微波光子接收预处理8K<2空军预警学院(2018)[14]调频连续波ISAR/SAR成像载波6倍频产生LFM信号微波光子接收预处理10Ka1.68清华大学(2018) [15]调频连续波测距和ISAR成像光数模转换产生LFM信号电学接收8W1.9普渡大学(2014) [16]全光测距脉冲整形+波长时间映射混频降频35W3.9上海交大(2016) [17]全光测距全光产生LFM信号光子时间拉伸PADC4X5.4上海交大(2018) [23]全光测距全光产生LFM信号混频+光子时间拉伸PADC12W1.48
2 微波光子雷达典型方案
2.1 相干微波光子雷达方案
2014年，意大利比萨大学的A.Bogoni团队在Nature上报道了第一个微波光子雷达系统的整体方案[4]，如图2所示。发射机采用飞秒脉冲的纵模拍频产生微波信号，避免了传统混频过程中相位噪声的恶化。接收机将回波信号通过电光调制、频率变换和光电转换后变成基带信号，再进行采样量化，雷达系统的信噪比达到50 dB，时间抖动为12 fs(1 kHz～1 MHz)。雷达对非合作的飞行目标进行了探测，探测性能与传统微波雷达相当。该团队进一步对雷达工作波段和MIMO多天线功能进行了拓展，使雷达系统能够同时工作在S和X波段[5]。虽然该微波光子雷达展现了极大的应用潜力，但是仍然存在以下问题需要解决。首先，雷达系统中基带信号的产生需要借助直接数字合成器，利用锁模激光器产生微波信号将严重限制信号带宽(～MHz量级)。其次，由于雷达回波信号对较低频偏范围内载波信号的相位噪声要求极高，该雷达不适合远距离长时延探测。
图2 基于脉冲体制的微波光子雷达架构[4]
2018年，清华大学郑小平提出和验证了一种应用于X波段雷达接收机的宽带光子模数转换器(PADC)[6]，可以同步采样和处理具有任意波形和2 GHz带宽的X波段信号。将其应用于ISAR系统中，雷达发射信号采用以9 GHz为中心频率、带宽为1.6 GHz的线性调频信号，经过采样和下变频后，宽带PADC的SNR为7.20 dB，接收机噪声系数为11.3 dB，进一步利用差分检测和实时数字后处理提高系统精度，实现了9.4 cm的距离分辨率。
上海交通大学邹卫文团队长期开展光子模数转换的基础原理研究和关键技术攻关，并开发出高速高精度PADC系统样机，性能居于国际先进水平[7-10]。在此基础上，2018年，团队对脉冲体制的微波光子雷达架构进行扩展[11]，进一步将雷达系统的工作带宽提升到8 GHz，极大地拓展雷达系统的信号带宽，但是仍然存在回波信号的接收和处理难题，当前ADC的采样速率、量化精度以及数据存储器件的容量很难满足要求。2016年，该团队报道了基于光子时间拉伸技术的带宽、载频可重构的全光雷达方案。雷达系统借助光子技术实现线性调频信号的产生与接收，不需要用到传统电子技术中上变频、下变频过程。通过简单调节光子器件，即可实现在不同工作波段间快速切换，实现频率捷变和工作频段可重构。在雷达接收部分，回波信号通过光子时间拉伸技术实现了在时域上的拉伸，即在频域上进行了压缩，不仅省略了下变频过程，也大大降低了后端所使用ADC的采样率[17]。
2.2 调频连续波微波光子雷达方案
在脉冲体制的雷达架构下，微波信号频率和带宽的提升会带来海量数据的处理难题，目前还没有合适的解决办法，于是部分研究团队将目光转移到调频连续波体制上。调频连续波体制的雷达系统通过测量回波信号与参考信号的频率差与相位差，推断出目标位置与速度等信息。
2017年，中科院电子所李王哲[12]和南京航空航天大学潘时龙[13]分别提出了利用电光调制器的非线性特性对调制的基带信号进行倍频的微波光子雷达方案，并对飞行目标进行了逆合成孔径成像。电子所通过2倍频的方式产生了Ku波段、带宽为600 MHz的线性调频信号，信号持续时间为500 μs，雷达成像分辨率为25 cm[12]。南航通过4倍频的方式产生了K波段、带宽为8 GHz的线性调频信号，信号持续时间为200 μs，雷达成像分辨率为1.8 cm[13]。图3为南航提出的微波光子雷达实验架构。2018年，武汉电子研究所余岚等基于该方案进一步将雷达系统的工作波段和带宽提升到Ka波段、10.02 GHz带宽，雷达成像精度达到0.017 m[14]。同年，清华大学周炳琨课题组利用自制的光子数模转换器(PDAC)和光频率梳，对PDAC产生的宽带信号进行了频率搬移，实现了W波段、带宽8 GHz的雷达系统[15]。
图3 K波段微波光子逆合成孔径雷达系统的实验架构[13]
借助于直接数字合成器的使用，上述方案产生的微波信号相位稳定性很高，可以实现成像功能，但是调频连续波体制的雷达系统需要单独的发射和接收天线，且随着探测距离的提升，对微波放大器的增益要求和处理组件的频率偏移处理能力也会相应增大。此外，目前基于电光强度调制器的倍频方案受限于器件性能，插入损耗较大，往往达到50 dB。
2.3 光子辅助产生或接收的微波雷达方案
在上述两种方案中，基带信号的产生都需要借助直接数字合成器，然后利用微波光子技术实现微波信号频率变换，本质上难以摆脱微波器件自身的带宽限制。而直接利用光器件与光信号产生微波信号的全光微波雷达系统能够突破带宽限制，是下一代宽带雷达系统最有潜力的实现方案之一。
2014年，美国普渡大学Andrew Weiner与台湾国立中央大学Jin-wei Shi合作，实现了W波段35 GHz带宽微波信号的收发系统[16]，实验架构如图4所示。发射机通过可编程光滤波器对锁模激光器的光谱形状进行编辑，进而利用色散效应的波长时间映射来产生线性调频信号和相位编码信号。接收机使用微波混频器对信号进行降频处理并直接观测记录，收发系统的距离分辨率为3.9 mm，为当前收发系统中的最高性能，体现了全光微波雷达的优势。然而，由于没有匹配的W波段宽带微波信号接收方案，这并不能算是全光雷达系统。
图4 超高距离分辨率的W波段测距实验的实验架构[16]
3 光子时间拉伸相干雷达(PTS-CR)
3.1 PTS-CR基本原理和架构
2016年，本课题组提出了一种频率可调谐、带宽可编程的全光微波雷达系统架构[17]，即光子时间拉伸相干雷达系统(Photonic Time-Stretched Coherent Radar, PTS-CR)。主要原理是发射机采用基于谱滤波和非平衡色散的宽带线性调频信号产生方法，接收机采用光子时间拉伸技术降低电信号频率，压缩电信号带宽，实现超宽带信号采样。该雷达系统架构中只利用了一台锁模激光器，一般采用被动锁模光纤激光器[18-20]，以保证发射机与接收机的相参特性，在发射机内对光脉冲一分为二，引入不同的色散系数，将耦合后的差频项信号转换为宽带微波信号，两路间的延时量和色散系数差异决定了产生信号的频率和带宽；接收机利用时间拉伸技术进行预处理，成倍降低待处理回波信号的带宽与频率，降低采样量化与处理过程对器件的性能需求。图5展示了光子时间拉伸相干雷达系统的实验架构。
图5 PTS-CR系统的系统架构[17]
雷达系统工作在脉冲体制下，能够产生64 GHz的超宽带信号，覆盖X、Ku、K、Ka等多个频段，实现的信号时间带宽积最高可达1 295。利用脉宽2 ns带宽4 GHz的线性调频信号对单目标平板进行探测，对回波信号进行5倍的时间拉伸接收与处理，实现了5.4 cm的距离分辨率。同时还对不同目标间距的双目标进行了探测，如图6(a)是当距离约为6.3 cm时时间拉伸后的时域波形，图6(b)是当距离约为15.0 cm时时间拉伸后的时域波形。图中横轴表示发射信号在天线和目标之间距离传播两次的时间。可以看出当两个目标之间距离较近(约为6.3 cm)时，两个目标的反射回波信号存在交叠，但是能够分辨出存在两个回波信号。当两个目标之间距离增大到约为15.0 cm时，可以明显看出存在两个回波信号。图6(c)和图6(d)分别是图6(a)和图6(b)的匹配滤波结果。
图6 双目标探测结果[17]
3.2 PTS-CR探测距离延拓技术
远距离雷达系统需要探测几千公里外的目标，需要脉冲重复频率达到几十Hz。如果目标回波信号的往返时间超过了雷达设定的脉冲重复周期，在下一个脉冲发射前无法实现接收，就会导致与时间模糊相应的距离模糊，即目标可能来源于两个不同的距离位置[1]。此外，在雷达接收过程中，为了实现与探测距离相对应的接收范围，需要划分多个接收窗口。对于宽带雷达系统，所划分的接收窗口必须足够精细且数量众多，光纤延时线方案无法同时实现大调节范围与高调节精度，因而无法实现远距离测量下的高距离分辨率。
针对上述问题，本课题组利用光开关同步降频技术延拓探测距离，同时采用时间拉伸PADC中时间分段技术扩大接收机的接收窗口[21]。雷达系统实验方案如图7所示。将进入发射机的激光脉冲分出约5%的能量作为降频部件的同步参考，通过光电转换和放大后进入到FPGA中。FPGA对脉冲重复频率进行检测并输出重复频率为十万分之一、满足TTL电平的脉冲微波信号作为任意波形发生器的同步触发信号，驱动MZM实现开关功能。在接收端时间拉伸过程中，光脉冲串经过第一段色散介质后，会在时域上展宽形成具有特定脉冲重复频率的处理窗口。由于色散效应的波长—时间映射，光脉冲串的处理窗口和波长范围之间存在对应关系，不同波长范围的输出结果即为不同时间段的处理窗口中所接收的信号，通过构建连续的波长范围通道就可以对连续信号进行时间拉伸与恢复重建。
图7 探测距离延拓技术方案的PTS-CR系统架构[21]
图8(a)为采用MZM作为光开关降频后的脉冲重复频率，可以看到脉冲重复周期为1 ms。图8(b)为接收机不同接收窗口实现的覆盖范围，由于不同中心波长的处理窗口线性排列，结合高重频特性可以覆盖了整个探测距离。
图8 光开关同步降频和时间分段实验结果[21]
利用金属平板(30 cm×30 cm)作为目标进行了雷达系统收发实验。考虑到实验环境的空间限制和放大器的有限增益，在发射机内添加了一段约42 m长的光纤模拟远距离，回波信号时延产生了约200 ns的相对变化。通过调节接收机内光滤波器的中心波长，选取合适的接收窗口对回波信号进行接收处理。图9分别展示了单目标和双目标的回波信号和匹配滤波后的输出结果，单目标情况下实现的距离分辨率达到5.1 cm，双目标情况下能够对相距约为4 cm的目标进行区分。
图9 单目标和双目标的回波信号与匹配滤波实验结果[21]
3.3 PTS-CR宽带补偿均衡技术
PTS-CR中时间拉伸技术会导致频率选择性功率衰落现象发生，也称为色散功率代价(dispersion power penalty)。当微波信号被调制到MZM的输入光信号后，调制信号位于频率ωsb=ωcarrier±ωRF处，当调制光信号经过色散介质后，由于色散系数在不同频率处的差值，会导致边带相对于载波携带有特定的相位，在进行光电转换时导致微波信号的幅度增强或衰减。对于雷达系统而言，频率选择性功率衰落可能会导致接收信号产生幅度失真，进而影响雷达系统的距离分辨率。
针对上述问题，本课题组利用正交相位双通道复合技术进行了宽带性能补偿[22]。实验架构如图10所示。不同于原有的系统架构(图5和图7)，接收机内超短光脉冲经过滤波、色散和放大后进入单臂式双输出调制器作为载波信号，回波信号被调制到载波信号上。双通道输出的调制光信号分别进入两个环形器和同一段色散介质，确保通道时延量和色散系数一致。光信号通过能量补偿后输入到双平衡PD中，确保通道信号幅度一致。雷达系统发射和接收的线性调频信号如图11所示，产生信号的脉冲宽度约为2 ns(图11(a))，信号频率从12 GHz变到8 GHz。接收到的双通道中单通道的结果如图11(c)和图11(d)所示，信号的脉冲宽度约为8 ns(图11(c))，信号频率变为3～2 GHz，带宽和频率被压缩了4倍，从图中可以看到信号幅度受到了色散效应的严重影响。
图10 实现目标收发宽带性能补偿的PTS-CR系统架构[22]
图11 产生和接收信号的时域及短时傅里叶变换[22]
根据实验采集数据对匹配滤波后的输出结果进行计算，并与仿真情况下的理论结果进行对比。在图12(a)的仿真结果中，单通道接收导致8.2 dB的峰值功率损失和8 cm的距离分辨率。在图12(b)中，实验结果经过计算后产生6.7 dB的峰值功率损失和8.4 cm的距离分辨率，等效的系统带宽损失了42.5%，而经过双通道复合后，等效距离分辨率恢复到4.8 cm，说明正交相位双通道复合能够有效实现PTS-CR的宽带性能补偿。
图12 匹配滤波后的输出结果[22]
最后利用两块面积为10 cm×15 cm的金属平板作为探测目标进行实验验证，两块金属板与天线相隔约70 cm，互相间隔约为6 cm，如图13(a)所示。匹配滤波后的输出结果如图13(b)所示，由于目标相隔很近，单通道的输出结果会有虚假的峰值出现，很容易被误判为目标，而对于双通道复合的结果，虚假的峰值消失了，能够对相隔6 cm的目标进行精准分辨。
图13 实验场景与匹配滤波结果[22]
3.4 PTS-CR多波段探测技术
毫米波雷达具有高分辨率、抗干扰和窄带波束等优点，可用于精确测距、高分辨率成像和人体检测等。毫米波雷达的发射信号具有高频带、大带宽的特点，由于受到时间抖动和噪声限制，传统模数转换技术无法处理超宽带毫米波雷达信号。基于光子时间拉伸技术能够在采样之前压缩宽带信号，因此,基于光子时间拉伸技术的PTS-CR能够接收和处理超宽带毫米波雷达信号。本课题组采用基于分立式光放大器的PTS-CR光子时间拉伸接收机，通过优化EDFA的输入光功率来改善PTS-CR接收机的SNR，实现了W波段1.48 cm的测量分辨率[23]。
图14为W波段宽带信号的PTS-CR系统架构，非平衡干涉产生的W波段带宽约12 GHz的宽带LFM信号在发射前被W波段LNA放大。回波信号先通过和飞秒激光器整形而成的高稳定单频信号进行混频下变频，再通过基于光子时间拉伸的接收系统实现带宽压缩，最后进行量化和信号处理。利用两块面积为10 cm×15 cm的金属平板作为探测目标进行实验验证，两块金属板与天线相隔约1.35 m，互相之间间隔约为5 cm。经过雷达收发后，两个探测目标下变频和时间拉伸后的回波信号如图15(a)所示。脉冲压缩后的输出结果如图15(b)所示，可以看到雷达系统能够将间隔为1.48 cm的两个目标区分开，这与根据带宽计算得到的分辨率1.25 cm十分接近。
图14 W波段的PTS-CR系统架构[23]
图15 W波段的PTS-CR系统双目标检测的测量结果[23]
除了对系统架构的理论建模与关键技术的攻关，本课题组还对光子时间拉伸相干雷达系统的原理样机进行了设计与开发，实现了一台光子时间拉伸相干雷达系统的原理样机，并对其进行了性能测试。原理样机可以分为光源、发射机和接收机3部分，封装完成后对发射机和接收机进行性能测试，论证系统性能。制作完成的发射机和接收机分别如图16(a)和图16(b)所示，发射机的尺寸为50 cm×50 cm×22 cm，接收机的尺寸为45 cm×45 cm×15 cm。
(a)发射机
(b)接收机
图16 本课题组研制的雷达系统
4 微波光子雷达的发展趋势和展望
经过十几年的迅速发展，微波光子雷达系统已经取得了令人瞩目的进展。一方面，微波光子信号产生和处理技术层出不穷，源源不断，实现的功能和性能日新月异，在实际应用中已经能够取代部分的微波器件。另一方面，各种微波光子雷达系统试图充分利用光波的优点，如大带宽、低相位噪声和抗电磁干扰等，使下一代雷达系统不断朝着宽带化、小型化和具备可重构特性的方向迈进。未来微波光子雷达的发展趋势主要有以下几方面：
1)雷达性能还需要进一步完善 以雷达信号产生为例，由于色散介质的多样性，通过设计不同的色散特性可以使产生的微波信号具有更加复杂的时频变化特性，色散介质自身的色散损耗比或色散带宽积的提升可使得雷达系统的性能得到全方面的提升。
2)雷达稳定性还需要进一步提高 当前提出了多种不同技术途径的微波光子雷达方案，也通过实验验证了方案的可行性。然而，这些性能指标是在实验室这种相对良好、稳定的环境中测试得到的。如果要实现应用，还需要解决雷达系统的稳定性问题。
3)雷达体积还需要进一步减小 现有微波光子雷达大部分基于分立器件构建，存在着重量大、体积大、可靠性差、易受环境影响等问题，严重制约了微波光子技术在雷达系统的实际应用，集成化发展会使雷达系统的性能和稳定性能够与传统微波雷达相媲美。
4)雷达功能还需要进一步拓展 目前实现的雷达系统的功能比较单一，只能够进行目标距离测量或者成像，后续可以通过器件拓展实现功能的拓展，实现诸如目标的高分辨三维成像或分布式雷达等功能，或者利用信号的相位特性完成角度测量和频率测量。
5 结束语
微波光子雷达技术是近期的研究热点，由于电子器件“带宽瓶颈”的限制，雷达系统工作频率和带宽提升受到限制，光子技术高速宽带的优势成为突破电子技术“带宽瓶颈”的关键使能技术。本文总结了国内外微波光子雷达系统的主要研究进展和存在的问题，详细介绍了光子时间拉伸相干雷达系统(PTS-CR)中的关键技术，并展望了光子雷达及其关键技术的发展趋势。
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