微波光子雷达低相噪探测性能分析

0 引 言

雷达作为探测预警的主要装备，在信息化战争中的作用越来越显著。从雷达面对的探测对象来看，强威胁目标体现出超隐身和低小慢的特点。目前，世界各个军事强国正积极开展包括人工电磁材料、频率选择表面、高性能吸波器在内的各种新型隐身技术的研究，以进一步提升雷达天线的隐身性能，提高战机的生存及突防能力。据报道，美国现役的四代隐身战机搭载的有源相控阵雷达天线大量应用高性能吸波材料，结合阵面斜置、阵列外形设计、单元匹配设计等天线隐身技术，还在雷达罩上加载了频选罩，使得其宽频带隐身性能得以实现。未来空战场的高威胁目标除了隐身化的主力战机外，各类无人机也逐渐开始影响战场态势。2022年以来俄乌冲突双方已使用多类型无人机执行目标探测、战场侦察等作战任务。无人机技术凭借其自身优势，正改变着传统有人战斗机主导的空战格局。无人机特点为低空飞行，飞行速度较慢，并且小目标通常具备较低的雷达有效散射截面积，给传统脉冲多普勒雷达探测带来了极大的挑战［1］。从雷达面临的探测环境来看，由于存在天空云雨、海面波浪以及地面山川、湖泊、城镇等各类散射物，雷达的回波信号中包含大量的杂波。为了应对未来隐身目标和低小慢目标的探测挑战，雷达的功率孔径积将不断增大，同时由于杂波以及杂波残余功率会随着雷达发射功率增大而变强，可以预见未来强杂波将是影响雷达探测威力的主要因素之一［2］。

近年来，微波光子技术凭借其在低损耗、高速性、并行性以及电磁兼容性等方面的优势，被视为支撑下一代雷达发展的关键使能技术，并且微波光子技术在雷达、通信和电子战多功能一体化中的可行性得到了充分验证，例如雷达-通信一体化［3］、雷达-激光雷达一体化［4］、雷达成像-电子战测频一体化［5］。微波光子技术基于微波与光波相互作用，在光频段进行微波信号的产生、处理、传输与测量等过程的交叉技术［6］。在雷达应用方面，微波光子技术具有大工作带宽和低相噪信号产生的突出优势［7］。微波光子大带宽的优势主要体现在成像工作模式下，宽带微波光子成像雷达能够获得高分辨率的图像，进而得到精细的目标轮廓信息［8］。电子科大和空军预警学院提出了一种微波光子逆合成孔径雷达高精度成像方法，实现了对舰船的超高分辨成像［9］。除了带宽外，相位噪声也是雷达系统的重要参数。相位噪声是以载波为参考，在一定频率偏移下的单边带相对噪声功率。由于微波光子技术的低损耗特点，因此具备产生超低相噪本振信号的能力。基于微波光子技术的光电振荡器（Opto-Electronic Oscillator, OEO）是一种新型的光电混合振荡器，其突破了电子学产生微波信号的“电子瓶颈”限制。OEO采用了低损耗的长光纤，使得该环路具备较高的能量储存能力，具有较高的品质因数。因此OEO可以产生超低相位噪声的高频率微波信号。目前，美国OEwaves公司科研人员Maleki等将16 km长的光纤应用于单环OEO中，产生了相位噪声为-163dBc/Hz@6kHz的10 GHz微波信号，其相噪值处于世界领先水平［10-11］。在OEO的小型化应用方面，美国OEwaves公司推出了微型、紧凑型OEO产品［12］。其中，微型OEO是一种单片集成产品，尺寸仅为硬币大小，输出频率范围为34~36 GHz，相位噪声低于-108dBc/Hz@10kHz。紧凑型OEO输出频率为10 GHz，相位噪声性能优于-140dBc/Hz@10 kHz，目前这两款产品都是美国政府禁止出口的产品。近年来，为推动OEO的实际应用，研究人员针对OEO的集成化和模式调控开展了大量研究工作。在集成OEO研究方面，研究人员开展了绝缘体上硅OEO、磷化铟OEO、硫化物OEO和薄膜铌酸锂OEO的设计［13］。在各类集成材料中，薄膜铌酸锂由于大线性电光系数和低损耗特性，产生高频、频率可调和低相噪的射频信号潜力较大。在新型OEO结构研究方面，研究人员基于宇称-时间对称OEO实现了无滤波器的单模振荡［14］；基于傅里叶锁模的扫频OEO实现了快速扫频微波信号的自激振荡产生［15］；基于随机分布反馈OEO产生了宽带随机信号［16］。上述各类OEO方案通过引入合适的模式调控技术，实现了传统OEO难以实现的振荡特性。在国内，各个科研单位不仅在微波光子本振源低相位噪声［17-19］和可调谐性方面［20］开展攻关，同时在应用方面也开展了本振信号相位噪声对雷达系统的影响研究。例如，中国船舶重工集团电子信息与对抗研究院理论研究了频率源相位噪声对雷达动态范围和改善因子的影响［21］。

从上述研究现状可以看出，现阶段微波光子雷达的应用研究大多聚焦于宽带成像模式，已经充分验证了微波光子雷达的宽带特性可提升对目标的精细识别能力。然而由于光电转换损耗以及微波光子器件的非线性效应，目前宽带微波光子雷达系统接收机动态范围严重受限，因此现阶段难以直接应用于机载火控雷达的探测场景。机载火控雷达主要以窄带模式工作，因此本文开展窄带探测模式下微波光子本振的低相噪特性对机载火控雷达探测性能的影响研究，符合实际应用背景。

1 雷达收发模型

为了分析本振相位噪声对雷达目标探测结果的影响，根据本振信号的参与过程将雷达模型分为发射和接收两部分。在发射部分，利用本振信号对基带信号上变频产生激励信号后进行雷达辐射。在接收部分，本振信号对雷达阵面接收到的回波信号进行下变频，得到基带回波信号。考虑本振相位噪声的雷达收发模型如图1所示。

假设基带信号产生的是理想的线性调频波形，可以表示为

式中，rect表示矩形函数，T表示脉冲宽度，B表示信号带宽。考虑相位噪声的本振信号可表示为

式中，ω0表示本振信号的角频率，φ(t)表示相位噪声。本振信号与基带信号上变频后，得到的雷达激励信号可以表示为

令雷达激励照射到目标后散射回阵面的时间为τ，雷达与目标的径向速度为v，则回波信号可表示为

式中，α表示雷达信号的双程传播损耗以及目标的雷达散射系数。本振信号与回波信号下变频后，得到基带回波，可以表示为

2 雷达信号处理

在雷达信号处理部分，为获得接收机的最高信噪比，通常采用脉冲压缩的方式［22］。首先建立基带信号反褶共轭的匹配滤波器，然后输入基带回波得到脉冲压缩结果，用γ表示如下:

式中，*表示卷积运算，λ表示载波波长。化简第一项得到

因此脉冲压缩结果可化简为

从上述脉冲压缩表达式可以看出，前半部分为本振无相噪时的脉冲压缩结果，后半部分为本振相噪引起的脉冲压缩结果。

脉冲压缩时，可将时域计算转化为频域计算提高计算效率，因此需要将后半部分的φ(t-τ)-φ(t)项转化为频域表征。首先令相位噪声φ(t)的功率谱密度为Sφ(f)，然后可以根据如图2所示的相干解调原理，求得φ(t)到φ(t-τ)-φ(t)的传递函数，再将Sφ(f)转换为φ(t-τ)-φ(t)的功率谱密度，即得到φ(t-τ)-φ(t)的频域表征Sφ(f)。

首先将φ(t-τ)-φ(t)表示为

这里得到φ(t)和φ(t-τ)-φ(t)的传递函数为exp(-j2πfφτ)-1，两者的谱密度传递函数为传递函数的模的平方，其数学表达式为

因此，相参解调后得到φ(t-τ)-φ(t)的相位噪声谱Sφ*(f)与本振源相位噪声谱Sφ(f)的关系为

3 仿真试验

存在相位噪声的条件下，发射的雷达激励信号和接收的回波信号可以视为一系列具有不同频偏的线性叠加，本文基于这种等价关系开展仿真研究。针对雷达实际应用情况，分别进行雷达系统一维快时间域的脉冲压缩仿真以及二维相参积累仿真。

3.1 一维快时间域脉冲压缩仿真

雷达系统仿真中，在相同仿真场景下分别采用电子本振和微波光子低相噪本振进行对比分析。实际工程中通常用归一化单边带相位噪声谱密度来描述相位噪声，电子本振参数参考TEXAS INSTRUMENTS公司生产的频率综合器芯片LMX2595、ADI公司生产的ADRV9009以及Xilinx公司生产的RFSoC频率源的相位噪声曲线［23］，如图3所示。OEO参数参考美国OEwaves公司推出的OEO的相位噪声曲线［10-11］，如图4所示。

仿真中采用的两种本振信号的主要参数设置如表1所示。雷达系统其他仿真参数如表2所示。在实际应用中，虽然OEO直接输出的信号相位噪声较低，但系统各种混频器、放大器等有源微波器件仍然可能会引入附加相位噪声，最终恶化雷达发射信号的相位噪声。本文为简化分析，并未考虑系统附加相位噪声的影响。图5和图6分别给出了匹配滤波器和雷达回波仿真结果。

将雷达回波与匹配滤波器进行脉冲压缩处理的结果如图7所示。由于雷达探测中副瓣过高容易引起雷达虚警或者遮盖距离副瓣处的小目标，脉冲压缩效果由主副瓣比表征。采用低相噪的微波光子本振时的主副瓣功率用红色圆圈标注，从仿真结果可以看出，主瓣功率大小与采用电子本振时都为54.647 9，而副瓣功率大小为18.149 3，比采用电子本振时的18.149 4略微降低，可知本文中的两种相位噪声条件对一维脉冲压缩结果影响很小。

3.2 二维相参积累仿真

实际脉冲-多普勒雷达系统发射的并不是单个脉冲，而是多个周期性脉冲序列。因此信号处理时，进行上述一维脉冲压缩后，再于多个脉冲之间进行相参处理以增强目标信噪比。二维相参积累仿真场景和仿真参数分别如图8和表3所示。

采用电子本振和微波光子本振进行二维相参积累后的结果分别如图9和图10所示，图中左侧多普勒速度较低的区域主要为主杂波，右侧为清晰区［24］。观察清晰区噪底的功率水平，此时噪底功率即为本振信号相位噪声引起的杂波残余功率。选择频率维的多普勒门等于1 000，700和400的噪底功率进行对比，电子本振噪底约为-67.77 dB，-66.75 dB和-64.96 dB，而微波光子本振约为-111.32 dB，-111.30 dB和-111.29 dB。可以看出，采用微波光子本振在清晰区显著降低了杂波残余功率。

4 结束语

本文首先理论分析了在机载脉冲多普勒雷达体制中，本振相位噪声对脉冲压缩的影响。进一步通过仿真研究，验证了在进行二维相参积累时，微波光子本振低相噪的优势能够显著降低杂波残余功率。下一步计划将微波光子本振进行机载振动条件下的相位噪声测试，再带入仿真验证，可获得接近实际使用场景下的探测性能，为微波光子本振在机载雷达领域的应用推进提供技术支撑。

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Detection Performance Analysis of Microwave Photonic Radar with Low Phase Noise

JIANG Xin1,2， HE Yifei3， ZHANG Daoming1， YANG Yue1， LUO Ding1

（1. AVIC Leihua Electronic Technology Research Institute , Wuxi 214063, China;2. Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3. Aviation Military Representative Office of Army Equipment Department in Shanghai, Shanghai 200031, China）

Abstract： The confrontation in the future air battlefield is becoming increasingly fierce, super stealth targets represented by the fourth generation stealth fighter, together with low-altitude small slow targets represented by drones,have become important threats to the air battlefield. When airborne radar detects such targets by increasing the transmit power, the target echo will be submerged in strong clutter and difficult to be detected. Because the residual clutter power is strongly affected by the phase noise of the frequency source, detection performance is expected to be improved by implementing the microwave photonic oscillator with low phase noise. A pulse-Doppler radar transceiver model in the presence of the phase noise is established in this paper. Further the impact of the phase noise on the pulse compression is theoretically analyzed. Simulation experimental results verify that microwave photonic oscillator with low phase noise can significantly reduce the residual clutter power during two-dimensional coherent accumulation, which is beneficial for airborne radar to detect stealth and low-altitude small slow targets.

Key words： airborne radar; phase noise; opto-electronic oscillator; residual clutter power; pulse compression;coherent accumulation

DOI: 10.3969/j.issn.1672-2337.2026.02.006

中图分类号：TN957

文献标志码：A

文章编号：1672-2337（2026）02-0164-07

引用格式：蒋鑫，贺轶斐，张道明，等.微波光子雷达低相噪探测性能分析［J］.雷达科学与技术，2026，24（2）：164-170.

JIANG Xin, HE Yifei, ZHANG Daoming, et al. Detection Performance Analysis of Microwave Photonic Radar with Low Phase Noise［J］. Radar Science and Technology, 2026, 24（2）：164-170.

收稿日期: 2025-05-21；

修回日期: 2025-07-04

基金项目: 江苏省卓越博士后计划（2024ZB773）

作者简介：
蒋 鑫 男，博士，工程师，主要研究方向为微波光子雷达。
贺轶斐 男，硕士，主要研究方向为信号与信息处理。
张道明 男，博士，高级工程师，主要研究方向为微波光子雷达。
杨 悦 男，博士，工程师，主要研究方向为微波光子雷达。
罗 钉（通信作者） 男，研究员，主要研究方向为雷达先进射频架构。