微波光子技術在制導領域中的應用研究

尚 震，馬曉華

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088;2.火箭軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，江蘇南京 210000)

0 引言

未來戰(zhàn)爭將是地、海、空、天一體化的多維空間立體戰(zhàn)，是以打擊特定目標為主的信息化局部戰(zhàn)爭，精確制導類武器彈藥以其射程遠、精度高等特點成為現代化戰(zhàn)爭中的主戰(zhàn)武器，得到廣泛的應用，其數量比例從第一次海灣戰(zhàn)爭的10%一躍增加到伊拉克戰(zhàn)爭中的90%以上。實戰(zhàn)證明,精確制導武器的先進程度、裝備數量對作戰(zhàn)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術、兵力兵器對比乃至戰(zhàn)爭結局都會產生至關重要的影響。

精確制導武器采用高精度探測、控制及制導技術，能夠有效從復雜背景中探測、截獲、識別及跟蹤目標。雷達導引頭作為導彈的“眼睛”，是實現精確制導的關鍵設備，自誕生以來就被廣泛研究[1-2]。然而，隨著雷達技術的發(fā)展和日趨復雜的作戰(zhàn)環(huán)境，要求雷達導引頭能夠在復雜電磁干擾環(huán)境背景下進行遠距離多目標搜索、跟蹤與制導。為滿足未來的作戰(zhàn)需求，目前制導技術發(fā)展趨勢朝著更高更寬發(fā)展:高是更高的工作頻率，利于雷達導引頭實現精確制導；寬是更寬帶的工作頻率，能夠提升雷達導引頭抗干擾能力。然而，受限于電子系統自身瓶頸現象，即高頻特效不好，電子技術難以實現寬帶信號的產生、控制和處理，嚴重制約了制導技術的進一步發(fā)展。

近年來，雷達研究開始引入越來越多的微波光子技術解決上述問題。微波光子技術可以產生穩(wěn)定的毫米波信號，頻段高，相噪低。利用微波光子技術在實現大帶寬的任意波形信號上表現出優(yōu)異的性能。將其應用在雷達導引頭上，可采用脈內調頻、脈間跳頻技術來實現抗干擾，采用脈沖壓縮及合成寬帶算法來實現距離高分辨。微波光子系統通過利用光電子器件替代電子器件,解決了傳統電子學信號處理中的“電子瓶頸”問題。微波光子系統同時具有光子技術和微波技術的優(yōu)勢，與傳統的微波系統相比具有帶寬大、抗電磁干擾、傳輸損耗低、重量輕、體積小等優(yōu)點[3-5]。因此，基于微波光子技術的新體制雷達制導系統，能夠改善和提高傳統微波雷達的多項技術性能，為雷達制導裝備技術發(fā)展帶來新的變革。

1 國內外發(fā)展現狀

1.1 國外研究發(fā)展現狀

國外，從上世紀80年代開始，便有人提出將光技術應用于寬帶天線陣列，光纖技術的軍事應用受到美、歐等國軍方的重視。

1970年代末在位于美國洛杉磯北面莫哈韋沙漠中的“深空網絡”[6]如圖1所示，是一個分布在數十公里范圍內的由10多個大型碟形天線組成的集群，其中最大天線的直徑達70 m。這些天線之間建立了一個光纖傳輸系統以傳遞微波參考信號，所有天線單元由這一頻率同步，利用相控陣技術使它們工作得像一個巨大的天線一樣，從而能夠與外太空的空間飛船保持通信和跟蹤。

圖1 建立光纖傳輸系統的天線集群

(a) 光學多波束實驗系統

90年代以來，隨著光調制技術和半導體光電子集成電路技術的迅猛發(fā)展，國外許多公司和學者對該應用領域進行了廣泛的研究，實驗系統覆蓋L波段到毫米波的整個雷達工作頻段。休斯飛機公司在美國國家高級計劃研究局(DARPA)的幫助下，開發(fā)了具有光纖波束形成網絡的寬帶共形陣列，天線具有500 MHz的帶寬，掃描范圍 ±60°，用于機載監(jiān)視雷達[7]。西屋公司還利用光學波分復用技術，研制出光纖真實時間延遲系統，并在一輕型2×16單元寬帶相控陣上進行了實驗，在整個0.6～1.5 GHz的有限天線頻帶內，實現 ±45°范圍內的無偏斜波束掃描[8]。法國泰勒斯公司研制了S波段光學多波束形成演示實驗系統，如圖2所示。演示系統天線單元數為4個，電光轉換器件為4只2.5 GHz的直調式激光器，工作波長分別為1 510,1 530,1 550和1 570 nm，光學波束形成網絡采用粗波分復用技術，通過色散系數為17 ps/(nm·km)的色散光纖構建，色散光纖長度為0，34，68和102 m，分別對應0°，3.6°，7.2°和10.8°四個不同的指向角度。該演示系統最大的特點是光學波束形成網絡中的直調式激光器、波分復用器、色散光纖及光電探測器全部為普通商用器件，標志著寬帶光控天線陣列技術已經可以進入工程應用。

2014年，Nature雜志報導了意大利國家光子網絡實驗室的Bogoni團隊完成的全光數字相干雷達,如圖3所示。該團隊成功實現了微波光子雷達系統的全光拉通，并用其對民航飛機進行了跟蹤，受到了國際上的一致關注，并被評論為“微波光子照亮未來雷達”的高度贊譽[9]。

圖3 意大利研究團隊完成的全光數字相干雷達

彈載微波光子雷達技術在美國發(fā)展較早，上世紀90年代末期，隨著美國OE Wave公司發(fā)明了光電振蕩器之后，美國已經開展相關研究工作。同時美國還開展了光控相控陣、收發(fā)一體、快速二維掃描的光控相控陣雷達技術研究并已經達到實用水平，結合光子和電子集成技術，已經基本滿足彈載制導的要求。

1.2 國內研究發(fā)展現狀

我國在微波光子學領域的研究起步較晚，雖然相比發(fā)達國家在微波光子學系統研究還是器件的制作工藝方面都遠遠落后，但發(fā)展極為迅速。中國電科38所在“十五”期間，重點在寬帶光控陣列領域開展了相關技術研究，突破了寬帶光纖延時線設計、寬帶陣列天線設計等關鍵技術，并完成了寬帶光控相控陣天線演示驗證系統的研制，系統在國內首次實現了陣列天線寬帶、寬角無指向偏斜的波束掃描，驗證了光控天線陣列的寬帶特性。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、超寬帶噪聲雷達等系統研究，完成了小目標實時成像的微波光子雷達驗證系統[5]。清華大學研制成功一種用于測距和成像的光子雷達系統，該系統利用1個4位光數模轉換器產生了一個中心頻率10 GHz、帶寬4 GHz的線性調頻信號，能夠獲取目標的距離和速度等信息。該雷達系統的測距精度為5 cm，測速精度為2 m/s[10]。

從國內外典型微波光子雷達系統研究中可以看出，微波光子技術的引入可以大大提升雷達系統的性能，因此研究基于微波光子技術的新體制雷達具有先進性和挑戰(zhàn)性，且具有很強的應用背景。

2 基于微波光子技術的制導系統效能提升分析

微波光子系統與傳統的微波系統相比具有帶寬大、抗電磁干擾能力強、傳輸損耗低等優(yōu)點。

2.1 多頻段工作

傳統微波雷達通過頻率源產生雷達基準信號，波形產生電路根據雷達工作模式產生系統所需的線性調頻信號，經過上變頻和功率放大后送到二維有源相控陣天線，經T/R組件放大并通過陣面輻射，在空間合成大功率發(fā)射信號，工作頻段單一，工作帶寬較窄。

微波光子雷達通過以光電振蕩器為基礎的光子頻率合成器能夠輸出多種頻率，結合波形產生裝置根據系統工作模式產生任意需要的激勵信號通過光載波調制器加載到光域，然后通過光波束形成網絡送到二維有源相控陣天線，經T/R組件放大并通過陣面輻射，在空間合成大功率發(fā)射信號。通過超寬帶高速射頻開關和射頻窄帶帶通濾波器組等實現頻率信號的寬帶快速跳頻，其中射頻窄帶帶通濾波器組各通道中心載頻分別為10，20和30 GHz。較遠距離時系統低頻段工作，在制導末段高頻段工作，以低頻段工作為主，高頻段為輔，提高系統抗干擾能力。

2.2 更大的瞬時帶寬

傳統微波相控陣雷達無法擺脫其天線陣列孔徑效應的限制，不能在瞬時大帶寬下工作，目前常用微波雷達瞬時帶寬能夠做到240 MHz左右。光子波束采用真實延時技術抵消陣列天線的孔徑渡越時間，使其各陣元的波前處于同一時刻，從而實現在瞬時大帶寬信號下信號無失真地向空間輻射或者被陣列接收。微波光子雷達的瞬時帶寬能夠達到4 GHz以上，可大大提高雷達對多目標的搜索和跟蹤能力，以及目標識別和成像能力。

3 微波光子雷達制導系統關鍵技術

考慮到彈載平臺惡劣的工作環(huán)境及精確制導使用需求，逐步攻關微波光子技術應用于彈載平臺的可實現性技術及在工程實現上所需考慮的技術難題具有重要意義。

3.1 制導系統總體架構設計技術

基于微波光子技術的新體制雷達制導系統，不同于常規(guī)的雷達制導系統，新體制下微波光子制導系統采用微波光子元器件，在傳統雷達的主要部件或分部件上，完全或部分替代原來的電學系統。整個系統的應用平臺是結構空間十分有限的彈載平臺，對新體制雷達系統空間電子設備的電路設計、熱設計、結構設計等集成化水平要求非常高。

綜合考慮導引頭的性能需求以及彈體空間的限制等因素，高低頻段導引頭均采用相控陣天線體制，高低頻段有源天線采用高集成度共口徑設計，提高天線口徑利用率。較遠距離時導引頭低頻段工作，在制導末段高頻段工作，以低頻段工作為主，高頻段為輔，提高系統抗干擾能力。微波光子雷達制導系統組成如圖4所示，主要由天線單元、綜合射頻單元、綜合處理與控制單元和二次電源等部分組成。

圖4 基于微波光子技術的雷達制導系統組成框圖

圖5 基于微波光子的雷達系統原理框圖

導引頭工作時，以光電振蕩器為基礎的光子頻率合成器能夠輸出多種頻率，如圖5所示，包括基準時鐘、采樣的激勵信號通過光載波調制器加載到光域，然后經過光波束形成網絡送到二維有源相控陣天線，在天線中信號經分布式光子T/R組件放大并通過陣面輻射，在空間合成大功率發(fā)射信號；回波由天線接收送到接收機中，在接收機中經光子變頻、放大、濾波、解調，再經A/D采樣、量化送到后端進行信號處理及相關信息的提取。綜合處理單元完成不同工作模式的信號處理任務，信號處理的相關信息按要求傳送到彈上飛控計算機。控制單元一方面控制雷達按要求有條不紊地工作，另一方面負責和彈上控制系統進行信息交換，接收彈上控制系統的命令和相關信息，同時將雷達設備的工作狀態(tài)信息報給彈上控制系統。

3.2 寬帶相控陣天線技術

相控陣天線首先要考慮單元排列形式及間距，排列形式一般采用矩形柵格，且行列間距的選擇要考慮在工作頻帶內掃描時不出現柵瓣，為保證方位向具有寬角掃描能力而不出現柵瓣，輻射元的方位向間距dx須滿足：

(1)

式中，λ為天線的最小工作波長，θmax為天線偏離陣面法向的最大掃描角，Δ為輻射單元數目的倒數。假設制導雷達工作在Ka頻段，方位/俯仰向具有±45°的掃描角。根據上述條件可確定dx=4.8 mm，能夠保證相控陣雷達天線具有大掃描角能力并且同時不出現柵瓣。

傳統的超寬帶天線，如對數周期天線、錐形天線、平面螺旋天線和圓錐螺旋天線等由于底部體積較大，不適合用于超寬帶陣列組陣。而利用互耦來展寬帶寬的超寬帶陣列,包括超寬帶Vivaldi陣列、長槽陣列天線和碎片孔徑陣列天線等緊耦合超寬帶陣列能夠獲得3∶1以上的帶寬，且能夠實現±45°以上的寬角度掃描。Vivaldi填寫仿真模型如圖6所示，它是由線性漸變或指數漸變等方式的槽線饋電，將介質上的槽線寬度加大，形成輻射喇叭口向外發(fā)射電磁波或向內接收目標回波。在不同的頻率點上，它的不同組成部位發(fā)射或接收電磁波，較低頻率由最寬的喇叭口尺寸決定，而高頻成分則由最窄喇叭口的精細結構決定。但各個輻射部分對應的不同頻率的波長電長度是不變的，所以從理論上講，它有超寬帶特性，并在此頻率范圍內有著相同的波束寬度。同時它的輻射場有幾乎相同的波束寬度,具有非常好的對稱性,有著很低的旁瓣和交叉極化電平。

圖6 Vivaldi天線單元仿真模型

初步采用Vivaldi天線仿真得到天線法向波束三維方向圖(16 GHz、32 GHz)及陣列增益為26.38 dB(16 GHz)、 32.27 dB(32 GHz)，仿真結果如圖7所示。

3.3 低相噪頻率源技術

低相噪的頻率源的產生可以通過光電振蕩器等多種方式產生，相位噪聲能夠比一般微波頻率源低1～3個數量級，這對于提升雷達的改善因子有重要作用。對于寬頻段低相噪跳頻射頻信號發(fā)生器，高穩(wěn)定光電振蕩器是實現低相噪微波頻率信號產生的核心，通過光電振蕩技術和高品質光學儲能介質能夠產生高頻低相噪射頻信號，同時利用窄帶射頻帶通濾波器選擇振蕩模式，濾除無用雜散模式。

圖8為低相噪寬帶跳頻光電振蕩器的方案結構示意圖，激光器產生穩(wěn)定低噪聲的連續(xù)光，經電光調制器將振蕩射頻信號調制后通過高Q值光儲能介質，然后進入寬帶光電探測器恢復產生射頻信號。電信號經過第一級射頻放大器后，通過寬帶射頻開關、射頻窄帶帶通濾波器組和寬帶射頻4路合路器，高速射頻開關可以快速切換選擇射頻帶通濾波器，進而實現模式選擇和振蕩頻率跳變，最后選擇的跳頻射頻信號經過寬帶射頻功分器后分成兩路，一路重新進入電光調制器形成正反饋環(huán)路，另一路作為低相位噪聲射頻信號輸出。

(a) 中心頻率16 GHz

圖8 低相噪寬頻段跳頻光電振蕩器方案架構圖

3.4 光子波束形成網絡技術

光子波束形成的基礎是寬帶光學真延時技術，對于同樣的相位誤差來說，不同頻率對應的長度誤差是有很大區(qū)別的，頻率越高，對應的長度精度要求越嚴格。為形成不同波束指向，就需要高精度的快速光學真延時切換網絡。我們利用光纖精密切割獲得一定精度的延時量，再通過精密微型連續(xù)光纖延遲線提高波束延時的精度。

圖9為光學波束形成網絡，可用于接收網絡波束形成。將N通道光載波通過合束器合成從寬帶光學波束合成器的右端輸入，經過光纖延時矩陣后被分為N通道，并形成通道間相位延時，通過幅相調節(jié)后經探測器轉換為微波信號，通過天線發(fā)射，在空域中干涉形成波束。

圖9 光學波束形成網絡

通過光載波的輸入方向的改變還可以達到收發(fā)復用的目的，并且在寬帶光學波束合成網絡后連接一個多路光移相器，可成倍擴展通道數，具有通道擴展功能。

4 結束語

導引頭是導彈等精確制導武器的“眼睛”，為提高精確制導武器的制導技術，下一代雷達導引頭向著高頻率、超寬帶、多功能一體化方向發(fā)展，希望在提高作用距離、距離分辨率等諸多性能的同時，又能提高雷達的隱蔽性與抗干擾性能。微波光子技術具有超寬帶、抗電磁干擾能力強的優(yōu)勢，必將會逐步取代部分傳統電子技術在雷達系統中的作用。為推進基于微波光子技術的新體制雷達制導技術的發(fā)展，我們已經從單元研究向系統研究轉變，但是微波光子技術與微波雷達技術的融合、系統指標的優(yōu)化提升、可靠性、小型化等方面還需要進一步提高，以滿足彈載平臺的嚴格要求，為新體制的彈載制導系統積累技術基礎。