光子時間拉伸相干雷達技術研究進展

曙光

(1.上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室智能微波光波融合創新中心，上海 200240；2.上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

0 引 言

雷達(radar)廣泛應用于交通、通信和國防等領域[1]。它通過發射電磁波對目標進行照射并接收處理回波信號，由此獲得目標的距離、速度和方位等信息。自1935年雷達首次應用以來，微波、半導體和數字集成電路等領域的發展推動著雷達技術不斷進步，當前雷達的探測手段包括微波、紅外光、激光等多種形式，實現的功能包括搜索、識別、跟蹤、成像和分類等，且目前已經具備了多功能、多頻段和數字化等工作特征。

隨著新一代雷達朝寬帶化、小型化和可重構的方向發展，傳統微波技術設計及工藝所面臨的渡越時間、電磁串擾和時間抖動等問題成為限制器件性能的“電子瓶頸”，嚴重制約了雷達系統工作頻率(～GHz量級)和帶寬(～MHz量級)的提升，系統需要采用大量復雜繁瑣的流程和重復冗余的部件。例如，受限于直接數字合成器(DDS)和模擬數字轉換器(ADC)的性能，雷達發射機和接收機內必須經歷多次頻率變換的過程以及采用多通道復合的架構，由此引入了大量的雜散與噪聲，嚴重惡化了雷達系統的探測性能[1]。相比之下，微波光子技術有機結合光子技術高速寬帶的優勢和微波技術精細靈活的特征，通過借助光器件實現高頻微波信號的調制、操控和探測[2]，完成微波系統中難以甚至不可實現的功能，同時有效減小系統的損耗、尺寸、重量和成本等，為新一代雷達系統寬帶化、小型化和可重構的發展過程中提供了新的技術途徑[3]。

1 微波光子雷達發展現狀

目前，微波光子技術在雷達信號產生、接收和處理等方面均實現了應用，圖1展示了微波光子雷達的發展思路與趨勢，通過將不同功能的微波光子技術有機融合在一起，發揮各自的優勢，提升系統整體性能，最終實現全光微波雷達，滿足下一代雷達對于寬帶化、小型化和具備可重構性特性的要求。

圖1 微波光子雷達系統的發展趨勢

當前微波光子雷達系統主要有脈沖體制、調頻連續波體制和全光體制3種，表1列出了這3種雷達體制的主要特征和性能參數。一般來說，脈沖波體制雷達具有時間帶寬積優勢，因而具有較遠的探測距離和較高的探測分辨率，而連續波體制雷達在測量距離存在上限。就信號質量來講，數字基帶結合光子變頻的方式產生的雷達信號穩定性好，但帶寬受到限制，而全光體制雷達能夠產生不受限制的跨頻寬帶信號，但是信號穩定性還需要改善。在接收端，當前微波光子雷達接收方案一般均是利用微波光子技術將微波信號轉換為低速數字信號后，再在數字域進行處理。

表1 不同體制微波光子雷達的主要特性及性能參數對比

2 微波光子雷達典型方案

2.1 相干微波光子雷達方案

2014年，意大利比薩大學的A.Bogoni團隊在Nature上報道了第一個微波光子雷達系統的整體方案[4]，如圖2所示。發射機采用飛秒脈沖的縱模拍頻產生微波信號，避免了傳統混頻過程中相位噪聲的惡化。接收機將回波信號通過電光調制、頻率變換和光電轉換后變成基帶信號，再進行采樣量化，雷達系統的信噪比達到50 dB，時間抖動為12 fs(1 kHz～1 MHz)。雷達對非合作的飛行目標進行了探測，探測性能與傳統微波雷達相當。該團隊進一步對雷達工作波段和MIMO多天線功能進行了拓展，使雷達系統能夠同時工作在S和X波段[5]。雖然該微波光子雷達展現了極大的應用潛力，但是仍然存在以下問題需要解決。首先，雷達系統中基帶信號的產生需要借助直接數字合成器，利用鎖模激光器產生微波信號將嚴重限制信號帶寬(～MHz量級)。其次，由于雷達回波信號對較低頻偏范圍內載波信號的相位噪聲要求極高，該雷達不適合遠距離長時延探測。

圖2 基于脈沖體制的微波光子雷達架構[4]

2018年，清華大學鄭小平提出和驗證了一種應用于X波段雷達接收機的寬帶光子模數轉換器(PADC)[6]，可以同步采樣和處理具有任意波形和2 GHz帶寬的X波段信號。將其應用于ISAR系統中，雷達發射信號采用以9 GHz為中心頻率、帶寬為1.6 GHz的線性調頻信號，經過采樣和下變頻后，寬帶PADC的SNR為7.20 dB，接收機噪聲系數為11.3 dB，進一步利用差分檢測和實時數字后處理提高系統精度，實現了9.4 cm的距離分辨率。

上海交通大學鄒衛文團隊長期開展光子模數轉換的基礎原理研究和關鍵技術攻關，并開發出高速高精度PADC系統樣機，性能居于國際先進水平[7-10]。在此基礎上，2018年，團隊對脈沖體制的微波光子雷達架構進行擴展[11]，進一步將雷達系統的工作帶寬提升到8 GHz，極大地拓展雷達系統的信號帶寬，但是仍然存在回波信號的接收和處理難題，當前ADC的采樣速率、量化精度以及數據存儲器件的容量很難滿足要求。2016年，該團隊報道了基于光子時間拉伸技術的帶寬、載頻可重構的全光雷達方案。雷達系統借助光子技術實現線性調頻信號的產生與接收，不需要用到傳統電子技術中上變頻、下變頻過程。通過簡單調節光子器件，即可實現在不同工作波段間快速切換，實現頻率捷變和工作頻段可重構。在雷達接收部分，回波信號通過光子時間拉伸技術實現了在時域上的拉伸，即在頻域上進行了壓縮，不僅省略了下變頻過程，也大大降低了后端所使用ADC的采樣率[17]。

2.2 調頻連續波微波光子雷達方案

在脈沖體制的雷達架構下，微波信號頻率和帶寬的提升會帶來海量數據的處理難題，目前還沒有合適的解決辦法，于是部分研究團隊將目光轉移到調頻連續波體制上。調頻連續波體制的雷達系統通過測量回波信號與參考信號的頻率差與相位差，推斷出目標位置與速度等信息。

2017年，中科院電子所李王哲[12]和南京航空航天大學潘時龍[13]分別提出了利用電光調制器的非線性特性對調制的基帶信號進行倍頻的微波光子雷達方案，并對飛行目標進行了逆合成孔徑成像。電子所通過2倍頻的方式產生了Ku波段、帶寬為600 MHz的線性調頻信號，信號持續時間為500 μs，雷達成像分辨率為25 cm[12]。南航通過4倍頻的方式產生了K波段、帶寬為8 GHz的線性調頻信號，信號持續時間為200 μs，雷達成像分辨率為1.8 cm[13]。圖3為南航提出的微波光子雷達實驗架構。2018年，武漢電子研究所余嵐等基于該方案進一步將雷達系統的工作波段和帶寬提升到Ka波段、10.02 GHz帶寬，雷達成像精度達到0.017 m[14]。同年，清華大學周炳琨課題組利用自制的光子數模轉換器(PDAC)和光頻率梳，對PDAC產生的寬帶信號進行了頻率搬移，實現了W波段、帶寬8 GHz的雷達系統[15]。

圖3 K波段微波光子逆合成孔徑雷達系統的實驗架構[13]

借助于直接數字合成器的使用，上述方案產生的微波信號相位穩定性很高，可以實現成像功能，但是調頻連續波體制的雷達系統需要單獨的發射和接收天線，且隨著探測距離的提升，對微波放大器的增益要求和處理組件的頻率偏移處理能力也會相應增大。此外，目前基于電光強度調制器的倍頻方案受限于器件性能，插入損耗較大，往往達到50 dB。

2.3 光子輔助產生或接收的微波雷達方案

在上述兩種方案中，基帶信號的產生都需要借助直接數字合成器，然后利用微波光子技術實現微波信號頻率變換，本質上難以擺脫微波器件自身的帶寬限制。而直接利用光器件與光信號產生微波信號的全光微波雷達系統能夠突破帶寬限制，是下一代寬帶雷達系統最有潛力的實現方案之一。

2014年，美國普渡大學Andrew Weiner與臺灣國立中央大學Jin-wei Shi合作，實現了W波段35 GHz帶寬微波信號的收發系統[16]，實驗架構如圖4所示。發射機通過可編程光濾波器對鎖模激光器的光譜形狀進行編輯，進而利用色散效應的波長時間映射來產生線性調頻信號和相位編碼信號。接收機使用微波混頻器對信號進行降頻處理并直接觀測記錄，收發系統的距離分辨率為3.9 mm，為當前收發系統中的最高性能，體現了全光微波雷達的優勢。然而，由于沒有匹配的W波段寬帶微波信號接收方案，這并不能算是全光雷達系統。

圖4 超高距離分辨率的W波段測距實驗的實驗架構[16]

3 光子時間拉伸相干雷達(PTS-CR)

3.1 PTS-CR基本原理和架構

2016年，本課題組提出了一種頻率可調諧、帶寬可編程的全光微波雷達系統架構[17]，即光子時間拉伸相干雷達系統(Photonic Time-Stretched Coherent Radar, PTS-CR)。主要原理是發射機采用基于譜濾波和非平衡色散的寬帶線性調頻信號產生方法，接收機采用光子時間拉伸技術降低電信號頻率，壓縮電信號帶寬，實現超寬帶信號采樣。該雷達系統架構中只利用了一臺鎖模激光器，一般采用被動鎖模光纖激光器[18-20]，以保證發射機與接收機的相參特性，在發射機內對光脈沖一分為二，引入不同的色散系數，將耦合后的差頻項信號轉換為寬帶微波信號，兩路間的延時量和色散系數差異決定了產生信號的頻率和帶寬；接收機利用時間拉伸技術進行預處理，成倍降低待處理回波信號的帶寬與頻率，降低采樣量化與處理過程對器件的性能需求。圖5展示了光子時間拉伸相干雷達系統的實驗架構。

圖5 PTS-CR系統的系統架構[17]

雷達系統工作在脈沖體制下，能夠產生64 GHz的超寬帶信號，覆蓋X、Ku、K、Ka等多個頻段，實現的信號時間帶寬積最高可達1 295。利用脈寬2 ns帶寬4 GHz的線性調頻信號對單目標平板進行探測，對回波信號進行5倍的時間拉伸接收與處理，實現了5.4 cm的距離分辨率。同時還對不同目標間距的雙目標進行了探測，如圖6(a)是當距離約為6.3 cm時時間拉伸后的時域波形，圖6(b)是當距離約為15.0 cm時時間拉伸后的時域波形。圖中橫軸表示發射信號在天線和目標之間距離傳播兩次的時間。可以看出當兩個目標之間距離較近(約為6.3 cm)時，兩個目標的反射回波信號存在交疊，但是能夠分辨出存在兩個回波信號。當兩個目標之間距離增大到約為15.0 cm時，可以明顯看出存在兩個回波信號。圖6(c)和圖6(d)分別是圖6(a)和圖6(b)的匹配濾波結果。

圖6 雙目標探測結果[17]

3.2 PTS-CR探測距離延拓技術

遠距離雷達系統需要探測幾千公里外的目標，需要脈沖重復頻率達到幾十Hz。如果目標回波信號的往返時間超過了雷達設定的脈沖重復周期，在下一個脈沖發射前無法實現接收，就會導致與時間模糊相應的距離模糊，即目標可能來源于兩個不同的距離位置[1]。此外，在雷達接收過程中，為了實現與探測距離相對應的接收范圍，需要劃分多個接收窗口。對于寬帶雷達系統，所劃分的接收窗口必須足夠精細且數量眾多，光纖延時線方案無法同時實現大調節范圍與高調節精度，因而無法實現遠距離測量下的高距離分辨率。

針對上述問題，本課題組利用光開關同步降頻技術延拓探測距離，同時采用時間拉伸PADC中時間分段技術擴大接收機的接收窗口[21]。雷達系統實驗方案如圖7所示。將進入發射機的激光脈沖分出約5%的能量作為降頻部件的同步參考，通過光電轉換和放大后進入到FPGA中。FPGA對脈沖重復頻率進行檢測并輸出重復頻率為十萬分之一、滿足TTL電平的脈沖微波信號作為任意波形發生器的同步觸發信號，驅動MZM實現開關功能。在接收端時間拉伸過程中，光脈沖串經過第一段色散介質后，會在時域上展寬形成具有特定脈沖重復頻率的處理窗口。由于色散效應的波長—時間映射，光脈沖串的處理窗口和波長范圍之間存在對應關系，不同波長范圍的輸出結果即為不同時間段的處理窗口中所接收的信號，通過構建連續的波長范圍通道就可以對連續信號進行時間拉伸與恢復重建。

圖7 探測距離延拓技術方案的PTS-CR系統架構[21]

圖8(a)為采用MZM作為光開關降頻后的脈沖重復頻率，可以看到脈沖重復周期為1 ms。圖8(b)為接收機不同接收窗口實現的覆蓋范圍，由于不同中心波長的處理窗口線性排列，結合高重頻特性可以覆蓋了整個探測距離。

圖8 光開關同步降頻和時間分段實驗結果[21]

利用金屬平板(30 cm×30 cm)作為目標進行了雷達系統收發實驗。考慮到實驗環境的空間限制和放大器的有限增益，在發射機內添加了一段約42 m長的光纖模擬遠距離，回波信號時延產生了約200 ns的相對變化。通過調節接收機內光濾波器的中心波長，選取合適的接收窗口對回波信號進行接收處理。圖9分別展示了單目標和雙目標的回波信號和匹配濾波后的輸出結果，單目標情況下實現的距離分辨率達到5.1 cm，雙目標情況下能夠對相距約為4 cm的目標進行區分。

圖9 單目標和雙目標的回波信號與匹配濾波實驗結果[21]

3.3 PTS-CR寬帶補償均衡技術

PTS-CR中時間拉伸技術會導致頻率選擇性功率衰落現象發生，也稱為色散功率代價(dispersion power penalty)。當微波信號被調制到MZM的輸入光信號后，調制信號位于頻率ωsb=ωcarrier±ωRF處，當調制光信號經過色散介質后，由于色散系數在不同頻率處的差值，會導致邊帶相對于載波攜帶有特定的相位，在進行光電轉換時導致微波信號的幅度增強或衰減。對于雷達系統而言，頻率選擇性功率衰落可能會導致接收信號產生幅度失真，進而影響雷達系統的距離分辨率。

針對上述問題，本課題組利用正交相位雙通道復合技術進行了寬帶性能補償[22]。實驗架構如圖10所示。不同于原有的系統架構(圖5和圖7)，接收機內超短光脈沖經過濾波、色散和放大后進入單臂式雙輸出調制器作為載波信號，回波信號被調制到載波信號上。雙通道輸出的調制光信號分別進入兩個環形器和同一段色散介質，確保通道時延量和色散系數一致。光信號通過能量補償后輸入到雙平衡PD中，確保通道信號幅度一致。雷達系統發射和接收的線性調頻信號如圖11所示，產生信號的脈沖寬度約為2 ns(圖11(a))，信號頻率從12 GHz變到8 GHz。接收到的雙通道中單通道的結果如圖11(c)和圖11(d)所示，信號的脈沖寬度約為8 ns(圖11(c))，信號頻率變為3～2 GHz，帶寬和頻率被壓縮了4倍，從圖中可以看到信號幅度受到了色散效應的嚴重影響。

圖10 實現目標收發寬帶性能補償的PTS-CR系統架構[22]

圖11 產生和接收信號的時域及短時傅里葉變換[22]

根據實驗采集數據對匹配濾波后的輸出結果進行計算，并與仿真情況下的理論結果進行對比。在圖12(a)的仿真結果中，單通道接收導致8.2 dB的峰值功率損失和8 cm的距離分辨率。在圖12(b)中，實驗結果經過計算后產生6.7 dB的峰值功率損失和8.4 cm的距離分辨率，等效的系統帶寬損失了42.5%，而經過雙通道復合后，等效距離分辨率恢復到4.8 cm，說明正交相位雙通道復合能夠有效實現PTS-CR的寬帶性能補償。

圖12 匹配濾波后的輸出結果[22]

最后利用兩塊面積為10 cm×15 cm的金屬平板作為探測目標進行實驗驗證，兩塊金屬板與天線相隔約70 cm，互相間隔約為6 cm，如圖13(a)所示。匹配濾波后的輸出結果如圖13(b)所示，由于目標相隔很近，單通道的輸出結果會有虛假的峰值出現，很容易被誤判為目標，而對于雙通道復合的結果，虛假的峰值消失了，能夠對相隔6 cm的目標進行精準分辨。

圖13 實驗場景與匹配濾波結果[22]

3.4 PTS-CR多波段探測技術

毫米波雷達具有高分辨率、抗干擾和窄帶波束等優點，可用于精確測距、高分辨率成像和人體檢測等。毫米波雷達的發射信號具有高頻帶、大帶寬的特點，由于受到時間抖動和噪聲限制，傳統模數轉換技術無法處理超寬帶毫米波雷達信號。基于光子時間拉伸技術能夠在采樣之前壓縮寬帶信號，因此,基于光子時間拉伸技術的PTS-CR能夠接收和處理超寬帶毫米波雷達信號。本課題組采用基于分立式光放大器的PTS-CR光子時間拉伸接收機，通過優化EDFA的輸入光功率來改善PTS-CR接收機的SNR，實現了W波段1.48 cm的測量分辨率[23]。

圖14為W波段寬帶信號的PTS-CR系統架構，非平衡干涉產生的W波段帶寬約12 GHz的寬帶LFM信號在發射前被W波段LNA放大。回波信號先通過和飛秒激光器整形而成的高穩定單頻信號進行混頻下變頻，再通過基于光子時間拉伸的接收系統實現帶寬壓縮，最后進行量化和信號處理。利用兩塊面積為10 cm×15 cm的金屬平板作為探測目標進行實驗驗證，兩塊金屬板與天線相隔約1.35 m，互相之間間隔約為5 cm。經過雷達收發后，兩個探測目標下變頻和時間拉伸后的回波信號如圖15(a)所示。脈沖壓縮后的輸出結果如圖15(b)所示，可以看到雷達系統能夠將間隔為1.48 cm的兩個目標區分開，這與根據帶寬計算得到的分辨率1.25 cm十分接近。

圖14 W波段的PTS-CR系統架構[23]

圖15 W波段的PTS-CR系統雙目標檢測的測量結果[23]

除了對系統架構的理論建模與關鍵技術的攻關，本課題組還對光子時間拉伸相干雷達系統的原理樣機進行了設計與開發，實現了一臺光子時間拉伸相干雷達系統的原理樣機，并對其進行了性能測試。原理樣機可以分為光源、發射機和接收機3部分，封裝完成后對發射機和接收機進行性能測試，論證系統性能。制作完成的發射機和接收機分別如圖16(a)和圖16(b)所示，發射機的尺寸為50 cm×50 cm×22 cm，接收機的尺寸為45 cm×45 cm×15 cm。

(a)發射機

4 微波光子雷達的發展趨勢和展望

經過十幾年的迅速發展，微波光子雷達系統已經取得了令人矚目的進展。一方面，微波光子信號產生和處理技術層出不窮，源源不斷，實現的功能和性能日新月異，在實際應用中已經能夠取代部分的微波器件。另一方面，各種微波光子雷達系統試圖充分利用光波的優點，如大帶寬、低相位噪聲和抗電磁干擾等，使下一代雷達系統不斷朝著寬帶化、小型化和具備可重構特性的方向邁進。未來微波光子雷達的發展趨勢主要有以下幾方面：

1)雷達性能還需要進一步完善 以雷達信號產生為例，由于色散介質的多樣性，通過設計不同的色散特性可以使產生的微波信號具有更加復雜的時頻變化特性，色散介質自身的色散損耗比或色散帶寬積的提升可使得雷達系統的性能得到全方面的提升。

2)雷達穩定性還需要進一步提高 當前提出了多種不同技術途徑的微波光子雷達方案，也通過實驗驗證了方案的可行性。然而，這些性能指標是在實驗室這種相對良好、穩定的環境中測試得到的。如果要實現應用，還需要解決雷達系統的穩定性問題。

3)雷達體積還需要進一步減小 現有微波光子雷達大部分基于分立器件構建，存在著重量大、體積大、可靠性差、易受環境影響等問題，嚴重制約了微波光子技術在雷達系統的實際應用，集成化發展會使雷達系統的性能和穩定性能夠與傳統微波雷達相媲美。

4)雷達功能還需要進一步拓展 目前實現的雷達系統的功能比較單一，只能夠進行目標距離測量或者成像，后續可以通過器件拓展實現功能的拓展，實現諸如目標的高分辨三維成像或分布式雷達等功能，或者利用信號的相位特性完成角度測量和頻率測量。

5 結束語

微波光子雷達技術是近期的研究熱點，由于電子器件“帶寬瓶頸”的限制，雷達系統工作頻率和帶寬提升受到限制，光子技術高速寬帶的優勢成為突破電子技術“帶寬瓶頸”的關鍵使能技術。本文總結了國內外微波光子雷達系統的主要研究進展和存在的問題，詳細介紹了光子時間拉伸相干雷達系統(PTS-CR)中的關鍵技術，并展望了光子雷達及其關鍵技術的發展趨勢。