微波光子認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)

(南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇南京 211106)

0 引言

當(dāng)前，自動(dòng)駕駛、安防監(jiān)控、空間碎片管理、“低慢小”目標(biāo)識別等雷達(dá)新應(yīng)用以及密集機(jī)群、高超音速武器、隱身武器等探測新需求對雷達(dá)系統(tǒng)的探測能力提出了越來越高的要求。充分利用帶寬資源提升雷達(dá)探測能力成為重要趨勢。微波光子學(xué)有望利用光子技術(shù)突破傳統(tǒng)雷達(dá)的帶寬瓶頸，已成為世界各國的研究熱點(diǎn)[1-12]。然而，由于光子技術(shù)的頻域“寬開”特性，寬帶微波光子雷達(dá)易被外界電磁信號干擾，難以在復(fù)雜地理和電磁環(huán)境下對多樣化目標(biāo)進(jìn)行高速探測與識別。同時(shí)，使用場景中往往已有大量的無線應(yīng)用，難以為高分辨率探測提供連續(xù)的寬帶空閑頻譜。

一個(gè)可行的解決途徑是認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)[13]，通過感知雷達(dá)周邊的電磁頻譜環(huán)境來發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)頻譜，從而重構(gòu)其發(fā)射波形，保障雷達(dá)能在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常工作。實(shí)際上，世界各國都極為重視認(rèn)知雷達(dá)的研究。美國DARPA在雷達(dá)信號的智能處理和系統(tǒng)資源的智能配置方面進(jìn)行了系統(tǒng)化投入，典型的項(xiàng)目包括基于知識的雷達(dá)(KB-Radar)、知識輔助的傳感器信號處理與專家推理(KASSPER)、知識輔助雷達(dá)(KA-Radar)、自治智能雷達(dá)系統(tǒng)(AIRS)、雷達(dá)與通信共享頻譜(SSPARC)以及競爭環(huán)境下目標(biāo)識別與適應(yīng)(TRACE)等[14-22]。中國電科14所、中國電科38所、西安電子科技大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、空軍工程大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、天津大學(xué)、太原理工大學(xué)等單位對認(rèn)知雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)、目標(biāo)識別追蹤算法、MIMO認(rèn)知雷達(dá)的陣源選擇以及雷達(dá)通信網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配等內(nèi)容展開了研究[23-39]。受限于電學(xué)雷達(dá)有限的帶寬，這些工作的研究對象大都是相對窄帶的雷達(dá)，認(rèn)知的對象也較為多樣，一類為對電磁環(huán)境的認(rèn)知，包括頻譜、波形以及信雜比等，另一類為對探測目標(biāo)的認(rèn)知，包括目標(biāo)數(shù)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及散射截面等。此前，我們提出了寬帶微波光子認(rèn)知無線電技術(shù)，并以高分辨率成像雷達(dá)為應(yīng)用對象進(jìn)行了初步驗(yàn)證[40-41]，但該雷達(dá)主要還是利用連續(xù)的寬帶頻譜進(jìn)行成像。

本文將探討一種不依賴于寬帶連續(xù)頻譜的高分辨率微波光子認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)。它基于微波光子學(xué)在寬帶實(shí)時(shí)頻譜偵測與可重構(gòu)任意波形產(chǎn)生兩方面的優(yōu)勢，融合多個(gè)機(jī)會(huì)頻帶實(shí)現(xiàn)高分辨率探測，可有效提升雷達(dá)的探測能力、生存能力和環(huán)境適應(yīng)能力，有望為未來智能化裝備提供清晰、可靠、智能的全天候探測手段。

1 微波光子認(rèn)知雷達(dá)的基本原理

圖1為本文所提出的微波光子認(rèn)知雷達(dá)的系統(tǒng)架構(gòu)，主要由智能認(rèn)知決策模塊和微波光子認(rèn)知探測平臺(tái)兩部分組成。微波光子認(rèn)知探測平臺(tái)又由微波光子觀察機(jī)、執(zhí)行機(jī)，以及可編程控制系統(tǒng)組成。各部分的功能如下：微波光子觀察機(jī)基于實(shí)時(shí)頻譜感知模塊構(gòu)建，主要對復(fù)雜電磁頻譜環(huán)境進(jìn)行高速感知；智能認(rèn)知決策模塊對輸入的信息進(jìn)行識別和判斷，并結(jié)合先驗(yàn)知識，做出決策；可編程控制系統(tǒng)用于控制微波光子執(zhí)行機(jī)和觀察機(jī)；微波光子執(zhí)行機(jī)，主要包括微波光子波形產(chǎn)生模塊和微波光子信號處理模塊，根據(jù)外部指令執(zhí)行波形產(chǎn)生和回波處理等操作。需要指出的是，與圖1架構(gòu)相關(guān)的微波光子寬帶實(shí)時(shí)頻譜偵測、可重構(gòu)波形產(chǎn)生、微波光子成像處理等技術(shù)已取得長足的進(jìn)步，完全可以支撐認(rèn)知微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)建。

圖1 微波光子認(rèn)知雷達(dá)的系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的運(yùn)行過程如下：微波光子觀察機(jī)首先對雷達(dá)周邊的頻譜環(huán)境進(jìn)行感知，將信息送至智能認(rèn)知決策模塊進(jìn)行識別和判斷；智能認(rèn)知決策模塊結(jié)合頻譜時(shí)空分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)散射特性等先驗(yàn)知識，找出可用的機(jī)會(huì)頻譜，做出采用哪些稀疏頻帶進(jìn)行探測的決策；該決策反饋給微波光子認(rèn)知探測平臺(tái)，其中可編程控制系統(tǒng)根據(jù)決策控制微波光子執(zhí)行機(jī)和觀察機(jī)進(jìn)行操作，微波光子波形產(chǎn)生模塊根據(jù)控制命令產(chǎn)生滿足頻譜分布要求的寬帶雷達(dá)波形，輻射到自由空間，而微波光子信號處理模塊根據(jù)發(fā)射波形對回波信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，融合多個(gè)機(jī)會(huì)頻帶的信息實(shí)現(xiàn)高分辨率目標(biāo)探測或成像?；谏鲜鲞^程循環(huán)反復(fù)，使微波光子觀察機(jī)、智能認(rèn)知決策模塊、可編程控制系統(tǒng)和微波光子執(zhí)行機(jī)形成一個(gè)全閉環(huán)的自適應(yīng)運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自判斷和自適應(yīng)的抗干擾探測。

上述微波光子認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)充分發(fā)揮了光子技術(shù)的寬帶承載、實(shí)時(shí)處理以及靈活可重構(gòu)的優(yōu)勢，有望解決目前認(rèn)知雷達(dá)硬件平臺(tái)的寬帶自適應(yīng)波形產(chǎn)生、實(shí)時(shí)寬帶頻譜感知以及實(shí)時(shí)處理等關(guān)鍵難題，讓雷達(dá)系統(tǒng)擁有實(shí)現(xiàn)寬帶認(rèn)知的軟硬件支撐平臺(tái)。

2 微波光子電磁頻譜環(huán)境實(shí)時(shí)感知

近年來，微波光子頻譜感知技術(shù)得到了廣泛的研究，典型的方法包括光子輔助的掃頻接收機(jī)[42-53]、微波光子信道化接收機(jī)[54-78]和光子傅里葉變換接收機(jī)[79-87]等。

光掃頻接收機(jī)與電學(xué)掃頻接收機(jī)的工作原理類似，是一種有效的頻譜感知技術(shù)。它可通過掃描光本振的頻率[42-46]，光載射頻信號的頻率[47-50]，或微波光子濾波器的頻率響應(yīng)[51-53]來實(shí)現(xiàn)。相比其他微波光子頻譜感知技術(shù)，光掃頻接收方法有效減少了所需的硬件資源，拓展了工作帶寬，但其掃描接收的方式會(huì)導(dǎo)致較長的響應(yīng)時(shí)間。

信道化的基本功能是將接收到的寬帶信號切割成多個(gè)并行的窄帶信號，從而可使用低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行處理[88]。微波光子信道化方案可以分為三大類。一類是將射頻信號調(diào)制在一個(gè)光載波上，通過一組光濾波器劃分為多路[54-56]；第二類是將射頻信號調(diào)制到一個(gè)光頻梳(一組頻率間隔相同的光載波)上，然后利用一個(gè)自由頻譜范圍與梳齒間隔略有偏差的梳狀光濾波器對射頻信號中的不同頻率分量進(jìn)行選取和分離[57-67]。這兩類方法對光濾波器的頂部平坦度、帶寬、中心頻率的精確性和邊緣陡峭性提出了極高的要求，使得信道間串?dāng)_、信道帶寬和信道一致性等難以提升。

第三種方法是基于一對相干光頻梳實(shí)現(xiàn)，首先將射頻信號調(diào)制到一個(gè)光頻梳(稱為信號梳)上，亦即將信號復(fù)制到光域不同的波長上，然后與另一組梳齒間隔有略微差異的光頻梳(稱為本振梳)合波。接著用波分解復(fù)用器將不同波長對分離到不同通道，拍頻(即光電探測)、濾波后獲得分割好的信號。該方法利用兩組光梳的梳齒間隔差異，將不同中心頻率處的信號分量下變頻到同一中心頻率。由于中心頻率固定的電學(xué)濾波器性能較高且較易實(shí)現(xiàn)，該方案有望獲得優(yōu)異的性能。但由于光電探測輸出的電流正比于輸入光場的平方，處于光本振梳齒兩側(cè)的頻譜分量將同時(shí)下變頻并在頻域中混疊[68]，無法用濾波器濾除，從而產(chǎn)生鏡頻干擾。解決此問題的方法是引入同相/正交(I/Q)解調(diào)和電域數(shù)字信號處理[69-71]，或使用微波光子鏡頻抑制混頻結(jié)構(gòu)[72]在光模擬域?qū)崿F(xiàn)帶內(nèi)干擾的抑制[73-76]。通過引入基于Hartley結(jié)構(gòu)的微波光子鏡頻抑制混頻，南京航空航天大學(xué)實(shí)現(xiàn)了對瞬時(shí)帶寬為5 GHz的射頻信號的信道化接收，信道數(shù)為5，信道間串?dāng)_抑制比優(yōu)于25 dB[74]。相比于基于數(shù)字I/Q處理的解調(diào)方法，基于光子模擬域鏡頻抑制混頻的解調(diào)方法可降低對電計(jì)算資源的需求，提高瞬時(shí)處理帶寬和處理速度。

與相干光信道化相關(guān)的另一個(gè)問題是，需要大量的高質(zhì)量光梳齒才能實(shí)現(xiàn)高分辨率的寬帶頻譜感知。南京航空航天大學(xué)通過引入基于平衡Hartley架構(gòu)的微波光子雙輸出鏡頻抑制混頻器，使每個(gè)光本振梳齒可輸出兩個(gè)信道，將所需梳齒數(shù)減少了一半[75]；通過引入偏分復(fù)用技術(shù)，將梳齒數(shù)的要求再降低了一半[76]；進(jìn)一步結(jié)合信號光頻梳的雙邊帶調(diào)制，還可將梳齒數(shù)的要求降低到 1/8[77]。值得指出的是，基于平衡Hartley架構(gòu)的微波光子鏡頻抑制混頻器[78]可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對鏡頻干擾和多種混頻雜散的抑制，這對于消除多倍頻程超寬帶信道化接收中的非線性串?dāng)_尤其重要。當(dāng)然，基于微波光子信道化的頻譜感知方法仍然需要電ADC采樣量化和電DSP處理，難以實(shí)現(xiàn)快速(近實(shí)時(shí))的頻譜感知。

另外一類利用光子技術(shù)進(jìn)行頻譜感知的方法是光子傅里葉變換。其基本原理是利用時(shí)-頻之間的映射關(guān)系，將輸入射頻信號的頻譜直接映射到時(shí)域，從而可以在不使用電DSP的情況下直接在時(shí)域得到輸入信號的頻譜信息。一種實(shí)現(xiàn)光子傅里葉變換的直接方法是應(yīng)用二階光學(xué)色散介質(zhì)的時(shí)-頻映射關(guān)系[79-82]。在空間域，人們可以采用夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)現(xiàn)輸入光束的傅里葉變換；基于時(shí)空對應(yīng)原理，光學(xué)二階色散對應(yīng)于空間中的衍射效應(yīng)[79]，因而光脈沖經(jīng)過二階色散介質(zhì)后所得到時(shí)域波形與輸入光脈沖的頻譜形狀一致[80-81]。但該方案對輸入信號的脈寬與色散介質(zhì)的色散量均有較高要求，需要滿足遠(yuǎn)場條件，且變換精度不高，通常在GHz量級。為了提高頻率分辨率，北京郵電大學(xué)提出并驗(yàn)證了帶寬放大方法[82]。另一種典型的光子傅里葉變換方法是時(shí)間透鏡。該方法同樣基于時(shí)空對應(yīng)的原理，類似于空間透鏡成像系統(tǒng)。在空間光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)透鏡將位于遠(yuǎn)場的衍射圖樣匯聚到其方焦平面處，即可獲得透射光場的空間傅里葉變換。類似地，時(shí)間透鏡是在時(shí)域上給光信號施加二次相位調(diào)制，級聯(lián)光學(xué)色散即可完成“成像”，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻域的傅里葉變換。該類方案不需要滿足遠(yuǎn)場條件。但是時(shí)間透鏡通常利用相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制或者四波混頻等非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間窗口十分有限，分辨率難以提升。

光子傅里葉變換也可以通過光子時(shí)間卷積系統(tǒng)[83]實(shí)現(xiàn)。超短光脈沖經(jīng)過時(shí)域拉伸之后，注入電光調(diào)制器，電光調(diào)制器將待變換的射頻信號加載到拉伸后的光脈沖上，然后經(jīng)過時(shí)域壓縮后注入光電探測器，得到的電流就是所調(diào)制射頻信號的傅里葉變換結(jié)果。時(shí)域拉伸和時(shí)域壓縮可由具有相反色散值的色散介質(zhì)實(shí)現(xiàn)。為了降低采樣輸出波形對ADC的要求，可引入時(shí)域放大技術(shù)[84]和異步光學(xué)采樣技術(shù)[85]。為了解決分辨率低的難題，加拿大Jose Azana教授等提出了基于循環(huán)移頻的實(shí)時(shí)傅里葉變換方案[86]，將入射信號在一個(gè)光學(xué)環(huán)路中移頻和延時(shí)，并將不同循環(huán)次數(shù)的結(jié)果疊加，即可得到與傅里葉變換定義等效的輸出。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了分辨率為30 kHz的實(shí)時(shí)傅里葉變換，但該系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬受限，只有數(shù)十MHz。南京航空航天大學(xué)理論分析了色散均衡和高階色散對光子時(shí)間卷積系統(tǒng)傅里葉變換結(jié)果的影響，并據(jù)此提出了基于雙向光纖布拉格光柵的光子傅里葉變換方法[87]。圖2為基于該方法形成的光子傅里葉變換樣機(jī)、測試界面和測試結(jié)果，測試范圍為 1～70 GHz，測量分辨率達(dá)到±5 MHz。對于輸入的7～14 GHz線性調(diào)頻信號，基于光子傅里葉變換的測試結(jié)果如圖2(b)所示，測得的信號頻譜為7.00～14.05 GHz，其幅度不平坦可通過校準(zhǔn)去除。作為對比，用電頻譜儀(R&SFSV40, 10 Hz～40 GHz)測試得到的頻譜圖如圖2(c)所示，兩者具有良好的吻合度。

圖2 南京航空航天大學(xué)構(gòu)建的光子傅里葉變換樣機(jī)和測試結(jié)果

3 微波光子捷變頻寬帶波形產(chǎn)生

微波光子捷變頻寬帶波形產(chǎn)生方法主要包括頻譜整形及頻時(shí)映射法、半導(dǎo)體激光器外注入法，以及光數(shù)模轉(zhuǎn)換法(DAC)等。

頻譜整形及頻時(shí)映射法首先利用光域頻譜整形器調(diào)控超短光脈沖的頻域分布，然后利用色散介質(zhì)將頻域形狀映射到時(shí)域形狀。通過改變頻譜整形器的響應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)捷變頻波形的產(chǎn)生[89]?？芍貥?gòu)光域頻譜整形器可由可編程空間光處理器[90-92]、梳狀濾波器[93-94]、布拉格光柵[95-96]，以及可編程級聯(lián)微環(huán)諧振腔[97]等實(shí)現(xiàn)。這類方法所產(chǎn)生的微波信號一般帶寬較大，可達(dá)數(shù)十GHz，但是由于色散介質(zhì)的色散值十分有限，所產(chǎn)生微波信號的時(shí)寬通常只有幾十ns。此外，光譜整形器的分辨率通常大于數(shù)GHz，導(dǎo)致時(shí)域頻譜整形及頻時(shí)映射法的波形質(zhì)量不高。

半導(dǎo)體激光器外注入法是通過控制注入到半導(dǎo)體激光器的光強(qiáng)度，調(diào)控激光器腔內(nèi)的等效折射率，進(jìn)而改變激光器的等效腔長和激射波長[98-100]，經(jīng)過光電探測之后，激光器激射波長與外注入激光波長拍頻產(chǎn)生微波信號。通過低速電信號控制光注入強(qiáng)度的時(shí)域分布，即可實(shí)現(xiàn)輸出微波信號頻率的任意變化。此前，人們已經(jīng)通過該方法實(shí)現(xiàn)了線性調(diào)頻連續(xù)波[101-102]、Costas跳頻序列[103]、三角波[104-105]等波形的產(chǎn)生，所產(chǎn)生波形的中心頻率、帶寬、時(shí)間寬度、重復(fù)頻率和占空比等均可重構(gòu)，例如：南京航空航天大學(xué)基于該方法產(chǎn)生了頻率覆蓋范圍10～67 GHz，瞬時(shí)帶寬12 GHz，時(shí)間帶寬積120 000的線性調(diào)頻信號[106]。

光數(shù)模轉(zhuǎn)換法的基本原理與電子技術(shù)的DAC類似，但由于光脈沖可提供超高的時(shí)鐘速度和更低的時(shí)間抖動(dòng)，因此光DAC可實(shí)現(xiàn)更大的帶寬和更高的分辨率。首先根據(jù)所要產(chǎn)生的微波信號設(shè)計(jì)出對應(yīng)的數(shù)字序列，然后將該數(shù)字序列注入到光DAC鏈路中進(jìn)行加權(quán)求和。光DAC的實(shí)現(xiàn)方式主要包括三種:并行權(quán)重DAC[107-114]、串行權(quán)重DAC[115-116]及基于脈沖形狀識別的DAC[117]。南京航空航天大學(xué)通過一個(gè)4 bit的光DAC實(shí)現(xiàn)了三角波、方波、鋸齒波以及拋物線形的微波信號的產(chǎn)生[118]，清華大學(xué)基于光DAC產(chǎn)生了W波段8 GHz帶寬的線性調(diào)頻信號[119]。但是目前光DAC有效位數(shù)仍然較小，因此產(chǎn)生信號的質(zhì)量仍有較大提升空間。

為了實(shí)現(xiàn)認(rèn)知雷達(dá)的并行工作能力，南京航空航天大學(xué)提出了一種基于光頻梳的可重構(gòu)波形產(chǎn)生方法[120-121]，可實(shí)現(xiàn)波形時(shí)寬、帶寬以及中心頻率的靈活調(diào)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)多頻段信號的產(chǎn)生。圖3為該波形產(chǎn)生方法的結(jié)構(gòu)框圖和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果[120]。雙光頻梳模塊產(chǎn)生兩組相位相關(guān)但間隔不同的光頻梳，線性調(diào)頻中頻信號調(diào)制到信號光梳上，并和本振光梳送入可編程光處理器中進(jìn)行通道分割，每一個(gè)通道包含一根調(diào)制后的信號光梳和一根本振光梳，光電轉(zhuǎn)換后即可將低頻信號上變頻為不同中心頻率的射頻信號。對相應(yīng)通道的光信號進(jìn)行適當(dāng)延時(shí)并合波，還可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)頻信號,以及時(shí)寬帶寬積提升N×N倍的線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生?；谠摲桨福瑢?shí)驗(yàn)獲得了中心頻率分別為11,13,15,17和19 GHz，帶寬為2 GHz的步進(jìn)頻線性調(diào)頻信號，其時(shí)頻圖如圖3(b)所示。圖3(c)給出了通過光域拼接產(chǎn)生的帶寬10 GHz、時(shí)寬5 μs、中心頻率25 GHz的線性調(diào)頻信號的時(shí)頻圖。

圖3 基于雙光頻梳的多波段可重構(gòu)信號產(chǎn)生原理圖以及時(shí)頻結(jié)果圖

4 微波光子非連續(xù)頻帶高分辨率成像

提升成像的分辨率需要增加雷達(dá)發(fā)射信號的帶寬，但這顯然與當(dāng)前日益緊張的頻譜資源產(chǎn)生矛盾。如果綜合使用分布在不同頻帶上的、未被占用的、離散的頻譜獲得等效的寬帶探測，就有希望使雷達(dá)在不受干擾的情況下實(shí)現(xiàn)高分辨的成像。這就引出一個(gè)新的問題——如何對非連續(xù)頻帶的信號進(jìn)行處理以獲得高分辨率成像。

美國林肯實(shí)驗(yàn)室早在1997年就開展了相關(guān)技術(shù)的研究，并公開發(fā)表了一種使用稀疏子帶對目標(biāo)進(jìn)行成像的方法[122]。該方法考慮了由時(shí)間同步、天線位置等因素造成的不同頻帶上的不相干問題，通過使用全極點(diǎn)模型對不同頻段的回波信號進(jìn)行相干處理，然后使用帶寬外推及插值的辦法獲得全頻段的融合信號，再通過脈沖壓縮處理實(shí)現(xiàn)高分辨率的探測。在實(shí)驗(yàn)中，林肯實(shí)驗(yàn)室利用兩個(gè)帶寬均為1 GHz(13～14 GHz，16～18 GHz)的頻段數(shù)據(jù)，融合得到了帶寬為6 GHz(12～18 GHz)的探測結(jié)果，如圖4所示[122]。圖4(a)為待探測的目標(biāo)，圖4(b)～(d)分別為低頻段、高頻段和融合后的探測結(jié)果。該工作首次展示了使用非連續(xù)頻帶信號實(shí)現(xiàn)高分辨率探測成像的可能?；谌珮O點(diǎn)模型，研究人員進(jìn)行了廣泛的研究，也取得了很多成果[123-125]。但是，全極點(diǎn)模型在實(shí)際應(yīng)用中并非完全適用，比如其階數(shù)、極點(diǎn)的數(shù)目難以準(zhǔn)確估計(jì)，從而造成較大探測誤差。

圖4 林肯實(shí)驗(yàn)室非連續(xù)頻帶成像結(jié)果

2006年，Donoho正式提出了壓縮感知的概念[126]。隨后，Baraniuk提出將壓縮感知應(yīng)用于雷達(dá)中，為利用非連續(xù)頻帶信號實(shí)現(xiàn)高分辨成像提供了新思路：基于雷達(dá)成像的稀疏性特點(diǎn)，使用壓縮感知實(shí)現(xiàn)對非連續(xù)頻帶信號的處理，獲得高分辨率成像[127]。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用步進(jìn)頻或從中隨機(jī)選取一些頻點(diǎn)作為探測信號，再使用壓縮感知理論恢復(fù)全頻帶的數(shù)據(jù)。圖5(a)為使用了全部采樣結(jié)果恢復(fù)出的反射投影結(jié)果，而圖5(b)是使用了部分采樣結(jié)果再通過壓縮感知恢復(fù)出的結(jié)果，可以看到圖5(b)的旁瓣更低，分辨率更高[128]。

圖5 傳統(tǒng)全部采樣算法與壓縮感知算法成像對比

國內(nèi)外對非連續(xù)頻帶信號處理的研究使雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像成為可能，但是受限于電子技術(shù)的帶寬瓶頸，即便使用非連續(xù)頻帶的信號，傳統(tǒng)電子雷達(dá)也面臨巨大挑戰(zhàn)。單一電子雷達(dá)系統(tǒng)難以覆蓋多個(gè)頻段，即便采用頻段融合、壓縮感知等技術(shù)，也難以實(shí)現(xiàn)等效超大帶寬的探測；而如果采用工作在不同頻帶的多個(gè)電子雷達(dá)系統(tǒng)探測，不僅使系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂，還需對各子系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步、相干處理等，增加數(shù)據(jù)運(yùn)算量，難以實(shí)現(xiàn)快速的成像探測。將微波光子技術(shù)應(yīng)用于非連續(xù)頻帶的雷達(dá)探測，有望充分使用空閑頻譜資源，實(shí)現(xiàn)超高分辨率的探測。2018年，Bogoni團(tuán)隊(duì)提出了面向微波光子多波段相干稀疏雷達(dá)的自回歸融合算法[129]。得益于微波光子雷達(dá)產(chǎn)生的多波段信號之間的相干性，該算法與林肯實(shí)驗(yàn)室提出的融合算法相比，不再需要相干處理，從而降低了計(jì)算復(fù)雜度。

2019年，清華大學(xué)提出并演示了一種基于微波光子技術(shù)的雙波段雷達(dá)[130]。該雷達(dá)采用光數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以產(chǎn)生大帶寬的雙波段相干線性調(diào)頻信號，因此，在信號處理時(shí)避免了大量的相位補(bǔ)償計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)中，雷達(dá)使用S波段帶寬為1.5 GHz(2～3.5 GHz)和X波段帶寬為3 GHz(8.5～11.5 GHz)的信號，經(jīng)過融合處理得到1.6 cm的一維距離分辨率，近似于使用帶寬為9.5 GHz(2～11.5 GHz)得到的結(jié)果。

南京航空航天大學(xué)于2020年提出了一種基于步進(jìn)頻信號的微波光子成像雷達(dá)，將Ka及以下頻段的雷達(dá)距離分辨率提升至亞厘米級(約8.5 mm)[131]。該雷達(dá)可發(fā)射與處理高達(dá)18.2 GHz帶寬的步進(jìn)頻信號，且經(jīng)過簡單升級還可使用更高頻率和更大帶寬的步進(jìn)頻信號進(jìn)行探測。使用該雷達(dá)對如圖6(a)所示的目標(biāo)進(jìn)行探測，分別得到圖6(b)～(d)的雷達(dá)圖像。圖6(b)是使用頻率無間隔的步進(jìn)頻信號并使用合成寬帶方法處理的結(jié)果，但這么大的連續(xù)頻譜易受干擾，圖6(c)為模擬干擾情況下得到的圖像。在這種情況下，我們采用頻譜認(rèn)知結(jié)果，剔除干擾頻段，僅使用不連續(xù)的機(jī)會(huì)頻帶進(jìn)行探測再進(jìn)行融合處理，得到了圖6(d)所示的圖像，可以看到目標(biāo)的輪廓得到了較好的恢復(fù)。

圖6 微波光子雷達(dá)成像探測目標(biāo)及結(jié)果

5 結(jié)束語

雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭和未來智能化平臺(tái)的關(guān)鍵裝備，隨著電磁頻譜環(huán)境的日趨復(fù)雜，“認(rèn)知”成為未來雷達(dá)系統(tǒng)的必備能力。微波光子技術(shù)由于具備寬帶承載、實(shí)時(shí)處理以及靈活可重構(gòu)的優(yōu)勢，有望成為構(gòu)建寬帶認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵使能技術(shù)。本文探討了一種能融合多個(gè)機(jī)會(huì)頻帶以實(shí)現(xiàn)高分辨率探測的微波光子認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，采用微波光子實(shí)時(shí)頻譜偵測技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)頻譜的發(fā)現(xiàn)，微波光子可重構(gòu)波形產(chǎn)生技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)頻譜的利用，寬帶稀疏頻譜信號融合成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)頻譜的處理，最終在復(fù)雜瞬變的電磁頻譜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高分辨率探測，有效提升雷達(dá)系統(tǒng)的探測能力、生存能力和環(huán)境適應(yīng)能力。

盡管本文已在一定程度上證明了微波光子認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢，但該系統(tǒng)涵蓋了多學(xué)科領(lǐng)域，從系統(tǒng)架構(gòu)、測試平臺(tái)、信號處理、控制算法、安全性到網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等都需要通過開展多學(xué)科協(xié)同研究實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，從而充分發(fā)揮微波光子學(xué)在認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)中的優(yōu)勢。特別是近年來微波光子信號處理的研究不斷取得進(jìn)展，將使微波光子認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)不僅能夠認(rèn)知頻譜，還有望認(rèn)知信號、認(rèn)知目標(biāo)、認(rèn)知地理雜波，從而可充分利用時(shí)、頻、空、能等多維資源實(shí)現(xiàn)高效探測。另一方面，集成微波光子學(xué)正在迅速發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)更緊湊和更可靠的微波光子認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)，拓展其適裝平臺(tái)和應(yīng)用場景，從而為未來應(yīng)用提供清晰、可靠、智能的全天候探測手段。