跨代雷達微波光子技術：機遇與挑戰

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2.南京航空航天大學雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室, 江蘇南京 210016)

0 引言

隨著電子信息技術的發展，未來戰爭呈現出大縱深和立體化作戰空間，要求雷達等軍事電子裝備必須能在時、頻、空、能等全域實現電磁信息的感知，任何一個域上的短板都有可能導致戰場制電磁權的丟失。先進的雷達電子裝備通過高度發達的信息獲取、控制和使用技術，能實現戰場態勢感知和傳遞的全面性、準確性和及時性，勢將成為未來戰爭中的必備。

1 跨代雷達技術發展趨勢

縱觀雷達發展歷程，按照技術體制已經經歷了四代，分別是非相參、相參、一維相掃和二維相掃雷達。雷達的發展也是伴隨戰機發展歷程的不斷升級和演進。第一代雷達主要針對螺旋槳飛機，第二代雷達主要針對高速噴氣式飛機，第三代雷達主要針對低空突防飛機以及巡航導彈，第四代雷達主要針對隱身飛機。

未來五代戰機的典型特征主要包括超隱身、空天一體、高機動、無人化、電子對抗等，這些在未來空天戰爭中將對國土防空造成嚴重威脅。現有的雷達形態將變得無法適應，捉襟見肘。那下一代即第五代雷達會是什么樣的，有怎樣構想與布局？這將成為未來一段時間內雷達發展的重要主題，值得雷達技術研究人員去深思和探索。

五代雷達應具備陣列化、寬帶化、網絡化、綜合化、智能化等典型特征，才能從時、頻、空、能、極化等多維度進行全面的信息感知，并通過智能化處理實現多功能的綜合與資源的最優管控調度，從而有效應對五代戰機的威脅。

微波光子作為一種涉及光子學、電子學及集成光電子等多學科交叉的新興技術方向，在滿足跨代雷達特征方面有望提供新的思路和解決方案，突破當前電子學技術面臨的瓶頸問題[1-3]。

2 跨代雷達微波光子技術機遇

微波光子學的內涵是通過光子學手段解決微波與數字領域的技術瓶頸，其天然的技術優勢主要包括：低損耗的射頻光纖鏈路穩相傳輸，光波導真時延，寬帶調制與解調鏈路，光波長與偏振等光學參量的多維資源復用，高Q值的光學諧振腔等。

這里列舉了一些適合發揮微波光子技術潛在優勢的典型雷達系統應用場景，這些技術優勢能為雷達系統提供效能增量。

在大型寬帶相控陣雷達系統中，核心技術之一是解決雷達的寬帶寬角掃描問題。傳統的移相器無法滿足寬帶寬角的波束無傾斜掃描要求和孔徑渡越問題。而微波或者數字真延時技術在高頻寬帶大陣列場景應用對技術和成本要求極高，微波開關延時線難以兼顧大損耗與低駐波的微波放大鏈路之間的矛盾，往往各態一致性較差，帶內起伏較大，相位非線性較嚴重，對寬帶波束掃描效果造成較大影響；數字延時技術在寬帶場景，如10 GHz左右的瞬時帶寬，對于AD/DA器件的速率要求較高，造價高、功耗也大，從當前器件可獲得性與成本等因素考慮，在單元級甚至子陣級進行數字寬帶延時技術應用都并非最優方案。而光子延時線技術可以有效解決數百個電磁波波長的空間延時補償，并且光開關的各態一致性可以控制得很好，優良的寬帶調制與解調鏈路性能可以實現帶內起伏和相位非線性的高指標要求，并且在寬帶場景應用時，對處于非第一級鏈路噪聲系數和動態范圍的要求較低，通過前置低噪聲放大器，當前的鏈路的微波指標可以滿足系統設計要求，然而當前的微波光子鏈路有較大的增益損失，需要進行增益補償，多級放大也同樣需要精心的設計才可以獲得優良的微波性能指標。

在寬帶成像與識別雷達系統中，優良的寬帶波形產生與接收機性能是關鍵，通過微波光子實現波形的產生，主要有微波光子倍頻法、光子輔助數模轉化法、光子頻時映射法、光注入半導體激光器法、光信道綜合法等。在寬帶接收機方面，主要有光去斜接收、光電模數轉換、光信道化接收等方法的研究。這些方面的研究對于降低射頻數字器件的要求具備一定的優勢，但需要通過光子集成與新機理的方法進一步加強寬帶收發的性能與集成度要求。要特別關注對于高性能實用化的寬譜集成光頻梳，高重頻、低超模噪聲、低jitter抖動的鎖模激光器的研究[4-5]。在光電模數轉換方面，要著手研究基于新方法的全光采集、量化與光處理的技術研究，對業界現有的“光采樣+電量化+數字電域處理”技術路徑形成完善與補充，進一步發揮全光處理的優勢。

在空基雷達系統中，核心技術之一是降低頻率源的相位噪聲水平，光電振蕩器作為一種新穎的高性能振蕩器有望極大提升空對地強雜波背景下的弱目標探測能力。光電振蕩器借助光延時技術實現高品質因數儲能環路，能直接產生具備超低相位噪聲的高頻的信號[6-7]。目前國內先進的光電振蕩器產生10 GHz信號的相位噪聲低于-150 dBc/Hz@10 kHz[8]，應用于雷達頻率源能顯著提升雷達系統探測性能。而數km的光纖環路，在面對寬溫、振動等應用場景是個不小的挑戰，應進一步嘗試不采用長光纖從而提升諧振腔Q值的新方法，此外，在不損失光電振蕩器相位噪聲指標的前提下如何進一步提升邊模噪聲的抑制能力也值得深入研究。

在分布式雷達系統中，核心技術主要包括雷達節點的相參同步技術，當前基于微波光子毫米波生成與遠距離穩相傳輸技術，國外已經在ALMA系統中得到了應用。目前的射頻信號光纖穩相傳輸技術大都通過補償或消除光纖延時抖動來實現，具體的方法可分為兩大類[9-10]：基于鎖相環的延時抖動補償穩相傳輸方法與基于混頻的相位抖動消除穩相傳輸方法。現有的報道中射頻信號光纖穩相傳輸后的頻率穩定度已經能達到5×10-19/天[11]。基于鎖相環的穩相傳輸基本原理是通過一個鎖相環路使傳輸后信號與高穩定頻標的相位保持鎖定，此方法有較為成熟的理論和眾多的應用實例[12]，但補償速度與范圍受到器件的限制。基于混頻的穩相傳輸技術是近幾年提出的新型穩相傳輸方法，不需要反饋控制任何反饋控制器，通過混頻來巧妙消除傳輸中引入的相位抖動，具有補償速度快，補償范圍不受限制的優點，有望在未來分布式雷達中發揮重要的作用。

3 目前技術瓶頸與發展思路

目前微波光子行業的“痛點”主要有如下幾個方面：

1)微波光子鏈路性能指標差。在現有能夠優化的器件指標中，最核心與有效的優化方向是改善電光調制器的半波電壓Vπ參數指標，該指標表征了電光轉換的效率，Vπ值降低1倍，鏈路的噪聲系數將改善6 dB。當前國內行業器件的最好水平Vπ為4 V左右，而國外行業器件的最好水平在1 V左右，可以推算出國內外行業微波光子鏈路噪聲系數指標差距至少在12 dB左右。

2)微波光子系統集成度低。當前激光器、調制器、探測器等高性能實用化器件依然是分立件，功能鏈路還是以光纖鏈路為主，體積較大。

3)光芯片的波導損耗大。光開關延時芯片的主流技術路徑之一是SOI，但國內行業工藝線提供的PDK，其波導損耗達1.5 dB/cm之多。

4)大規模光控陣列實現難度大。非相干光合成受限于波長資源，難以在全光實現大規模陣列波束合成。以光學C波段波分復用通道間隔200 GHz為例，通道數在25個以內。

5)工程化有待加強。電光調制器的熱釋電效應與偏壓控制以及閉環光鏈路的寬溫、振動的穩定性問題尚未得到較好解決。

針對以上技術瓶頸，解決和發展的思路如下，這些方面也是國內外研究的熱點。

一是要通過研制新材料、新機理的電光調制器來提升鏈路性能指標。傳統的鈮酸鋰晶體材料的電光系數受限于物理特性，已經接近行業極限，而鈮酸鋰薄膜LNOI新材料引起了業界極大的關注與興趣，有望改善電光調制器的半波電壓參數，實現鏈路的高效率電光轉換，降低鏈路的噪聲系數。

二是要發展光子異質異構集成技術，提升系統集成度。研究開發各類高性能激光器、調制器、探測器以及無源波導、低噪聲光放大等芯片，并研究異質異構的光電集成工藝。

三是要發展高性能光開關延時芯片，著力通過優化設計與改進工藝聯動實現低損耗波導。應結合國內自主可控的工藝線平臺，重點研究SOI 低損耗波導的設計，并研究提升SOI波導耐受光功率的方法。

四是要發展相干光波束合成新技術體制，來改善非相干光合成陣列規模受限于光波長資源不足的難題。

五是要通過多學科交叉融合，提升器件與鏈路的工程穩定性。要研究電光材料特性從而改善電光調制器的熱勢電效應，通過電子學、微波、結構、環控與工藝等多種手段去解決閉環鏈路的寬溫、抗振問題。

4 下一代全光雷達技術展望

在五代雷達要求的陣列化、寬帶化、網絡化、綜合化、智能化等典型特征方面，更多的是要將上述微波光子技術及其特點進行融合的應用與創新發展。

此外，在微波光子雷達系統層面，需要進一步深入研究全光雷達的系統架構及其實現方法。這里，我們給出了一個有望實現的全光雷達系統架構，如圖1所示，其特點是充分發揮出相干光新體制的優勢，以此來實現全光的鏈路接口形式，以避免頻繁的電光/光電轉換極大惡化系統微波性能指標，該系統在光域綜合性地完成波束形成、模擬信號處理、濾波、變頻、放大以及波形產生等功能；而實現相干光新體制的微波光子雷達系統只有充分發揮出光子集成的優勢，才能更好地實現光相位的穩定控制。

圖1 全光雷達系統框圖

5 結束語

微波光子雷達是一種利用微波光子技術已實現的成果，在傳統雷達的主要部件或分系統上，完全或部分代替原來的電學分系統，以便充分利用微波光子技術在雷達組件的重量、體積、帶寬、抗電磁干擾等方面的優勢，隨著光器件、光處理、光系統、光子集成等理論與技術方面的發展，微波光子技術必將為跨代雷達的系統應用提供具有顯著競爭力的完整解決方案，構建性能更加優越的雷達系統。

本文在介紹跨代雷達技術發展趨勢的基礎上，闡明了第五代雷達應具備的陣列化、寬帶化、網絡化、綜合化、智能化等典型特征，分析了微波光子的技術優勢以及在跨代雷達典型應用場景中的技術機遇。通過長期的微波光子技術的研究實踐，本文提出了相干光新體制的基于光子集成的未來全光雷達系統的基本架構，可突破傳統微波光子系統架構的限制，為全光雷達的發展提供一條新的方法和思路。