微波光子成像雷達技術發展綜述

(空軍預警學院，湖北武漢 430019)

0 引言

微波成像雷達(合成孔徑或逆合成孔徑)是一種可提供目標二維或三維信息且能夠實現遠程探測的工具，相比于光學手段，具有全天時、全天候特點，在預警、監視以及遙感等領域發揮著重要和獨特作用[1]。隨著隱身、微小無人以及集群目標等新型作戰平臺逐漸走向成熟，將極大地改變了現代戰爭作戰模式，通過獲取目標形狀、形態以及運動行為等信息實現目標精確識別(辨識)的預警情報需求對微波成像雷達提出了更高的要求。依據雷達理論，雷達分辨的增大依賴于發射信號帶寬的增大，而隱身目標電磁散射的增強需提高雷達發射信號載頻的調諧范圍[2-3]，因此，有效增大帶寬和載頻的調諧范圍成為成像雷達發展的重要方向。微波電子技術是現有微波成像雷達的主流實現手段，但由于信號載體為電子原因，系統往往難以實現數GHz或更大帶寬信號的產生與接收處理[4-5]，且中心頻率可調諧性、高頻遠距離傳輸、多頻段兼容性和抗干擾能力方面也存在不足[6]，使得電子技術無法有效滿足微波成像雷達發展的新需要。

微波光子技術作為微波電子技術和光學技術相結合的新興交叉領域，具備高頻低相噪、超寬帶、低損耗及高可調諧能力等優勢[7-8]。通過發揮電的精細、靈活以及光的寬帶與低損耗傳輸的優勢使微波光子雷達能夠提供更高的信號頻率，更快的采樣和處理速度，更寬的信號及傳輸帶寬，更低的基準源噪聲和傳輸損耗，有效突破了單純電子系統的各種技術“瓶頸”，結合其還具有功耗低、重量輕、尺寸小、抗電磁干擾等諸多優勢，為解決微波成像雷達困境提供了一條有效路徑。2014年，意大利電信聯盟大學研究小組首次報道了一種全光架構雷達[9]，2016年研制了S、X雙頻段微波光子成像雷達，該系統基于一套架構實現，雙波段可同時工作，展示了微波光子技術在頻段兼容上的優勢[10]。2017年，國內清華大學在實驗室完成了基于X波段帶寬達4 GHz系統的目標成像實驗[11]，同期中科院電子所、南京航空航天大學、空軍預警學院等分別基于不同光倍頻技術實現了帶寬達600 MHz、8 GHz和10.02 GHz雷達發射波形，完成了多種類型目標高精細分辨成像驗證，展示了微波光子成像雷達在提高系統帶寬方面的能力[12-17]。隨后，超高分辨率微波光子寬帶成像雷達[18]、微波光子分布式雷達[19]、高分辨相控陣列成像雷達[20]等快速涌現，進一步展示了超越電子學技術的優異性能，極大地推動了微波光子成像雷達技術的發展。為此，本文主要對現有典型的微波光子成像雷達系統架構和原理進行了研究分析，給出了主要應用方向和實驗結果，并提出了其仍需解決的問題。

1 微波光子成像雷達系統主要架構

目前，已報道的典型微波光子成像雷達系統及技術特點如表1所示，依據波形產生和接收實現方式的不同，主要分為三類：基于光頻梳的上變頻和光采樣架構、基于光數模轉換和去斜接收架構及基于光倍頻和光去斜接收架構。

表1 已有典型微波光子成像雷達系統

1.1 基于光頻梳的上變頻和光采樣架構

該類系統架構為意大利小組所提出[10]，系統組成如圖1所示，利用鎖模激光器輸出的光頻梳構建光上變頻模塊和光直接采樣接收模塊。

圖1 基于光上變頻和光直接采樣技術的微波光子多頻段成像雷達系統組成

在發射鏈路，鎖模激光器輸出頻率間隔為fr的光頻梳至馬赫-曾德爾調制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)，因兩不同頻率參數的中頻信號(中心頻率和帶寬分別為f1,B1和f2,B2)輸入MZM對光頻梳進行強度調制，調制的結果是在光頻梳中每個光頻率兩側出現一系列間隔等于上述中頻信號中心頻率的光邊帶，這使得將調制后的光信號送至光電探測器拍頻，利用電濾波器從拍頻得到的電信號中理論上可濾得中心頻率等于nfr±f1或nfr±f2(n為正整數)、帶寬相應為B1或B2的發射信號，進而采用多個濾波器可同時得到多個載頻的發射信號。文獻[10]中，利用該光上變頻方法，基于中頻在59 MHz和125 MHz的電中頻信號同時產生了S和X頻段、帶寬均為18 MHz的線性調頻波形。

在接收鏈路，天線接收到的回波信號經由相應頻段電濾波器和放大器濾波放大，再通過發射支路耦合出的部分光頻梳信號形成光采樣脈沖，并對回波信號采樣。更進一步，采樣光信號送至光電探測器拍頻，再經電模數轉換器(Analog to Digital Converter, ADC)量化為數字信號，用于現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和數字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)進一步數據分頻段處理和成像處理。此接收鏈路ADC過程為“光采樣電量化”，其采樣率等于fr，文獻[10]利用該方法實現了400 MS/s采樣率、12 bit有效位數的光模數轉換過程。

該類系統充分發揮了鎖模激光器輸出光脈沖高穩定特性，理論上可產生載頻上百GHz的微波信號，但由于所采用激光器鎖模機制為被動模式，帶寬受限于其較低的重頻，必須采用窄帶電濾波器進行選頻，這不僅讓所產生的雷達波形頻率調諧范圍小，還限制了信號的帶寬，其距離分辨率僅達到米量級。

1.2 基于光數模轉換和光電混頻接收架構

基于光數模轉換和光電混合混頻去斜接收的系統由清華大學相關小組提出[11,19,21]，該類系統架構和主要功能模塊組成如圖2所示。

(a)典型系統架構

在發射支路，如圖2(a)，利用高重頻光頻梳源產生一組頻梳間隔較大的光頻梳，通過可編程光濾波器依據所需上變頻量選出兩根相應間隔的光頻梳。隨后，光數模轉換系統產生的寬帶基帶波形經過MZM調制到雙光頻梳上，其產生的光信號再由光電探測器拍頻，經電濾波器濾波即可得到高頻寬帶發射信號。其中，高重頻光頻梳源的組成如圖2(b)所示，激光器產生單頻光載波至MZM進行幅度調制，之后再由相位調制器(Phase Modulator，PM)進行相位調制。由于調制的射頻信號源來自同一電振蕩器，因此，通過對所加射頻信號幅度和相位的控制及MZM偏置狀態的控制，即可實現平坦度較佳的光頻梳產生。另一方面，光數模轉換組成如圖2(c)所示，N個不同波長激光器和N個雙驅MZM(Dual-drive MZM，DMZM)兩兩對應組成N個信道，對應光數模轉換有效位數將為N比特，且控制激光器輸出光功率的相對比值依次為1,2,4,8…2N-1，所產生波形的幅度值可通過控制每個DMZM上兩個驅動信號0或1編碼實現。該方案借助每個DMZM上兩個驅動信號的時域控制(兩信號間有半個碼長的延時)及調制系數的控制，可實現編碼率2倍的采樣率。文獻[21]基于14.5 GHz的振蕩信號及2比特的光數模轉換系統，實現了中心頻率在94 GHz、帶寬為8 GHz、時寬為10 μs脈沖信號的產生。

在接收支路，高重頻光頻梳源中電振蕩信號首先經電倍頻器倍頻到發射信號中心頻率處，再與放大后的回波信號在電混頻器處混頻，實現對回波信號的下變頻。更進一步，光模數轉換源產生的部分基帶寬帶信號送至雙平行馬赫-曾德爾調制器(Dual-Parallel MZM，DPMZM)，DPMZM另一臂輸入信號為下變頻后的回波信號，兩者在DPMZM處發生光混頻，混頻輸出經光電探測器拍頻，再通過ADC對光電轉換后的中頻信號完成模數轉換，最終提供給DSP進行目標成像。

該類系統可突破第一類系統中鎖模激光器重復頻率的限制，為光數模轉換模塊產生的基帶信號上變頻提供更高的頻率空間。同時，該方案中光數模轉換提供了一種可產生高質量大帶寬大時寬信號的新方法，可實現中心頻率和帶寬的獨立調諧。但較之前一種架構，系統總體上相對復雜，高有效比特位光數模轉換過程需要多路激光器和DMZM組合，多路間的誤差校正及多次光電轉換也不利于信號信噪比的提升。

1.3 基于光倍頻和光去斜接收架構

基于光倍頻和光去斜接收的系統架構主要為空軍預警學院、南京航空航天大學以及中科院電子所所采用[12-14,20]，一種可實現六倍頻的系統組成如圖3所示。

圖3 基于光六倍頻和光去斜接收的微波光子成像雷達系統架構

在接收端，利用光本振信號對回波的去斜接收，光倍頻信號作為接收本振信號送至接收支路MZM，對其輸入的放大的寬帶回波信號進行調制。當控制偏置電壓使MZM工作于正交狀態，因回波信號中心頻率等于光本振信號中±3階邊帶頻率之差，使得±3階邊帶各自作為光載波所調制出的1階邊帶位置會與另一3階邊帶位置重合，因此將該信號送至光電探測器拍頻，即可實現寬帶回波信號的光去斜接收。同時，為了解決去斜接收中ADC工作頻段和目標探測距離之間的矛盾，可采用光延時模塊對寬帶光本振進行延時，從而可實現更遠目標的有效探測。此外，可進一步采用光平衡探測技術[12]和光IQ接收技術[22]改善混頻中噪聲性能和雜散水平。

該類系統充分運用光在處理寬帶或超寬帶信號時優異的幅頻一致性，實現了超寬帶信號高質量產生和接收，同時發揮出光傳輸低損耗、寬帶的優勢，可對光本振信號進行不同延時，實現對不同距離目標的高精度成像。但該類系統信號源仍基于電子技術產生，信號的相位噪聲經多次倍頻后下降明顯。

2 微波光子雷達成像技術及典型應用

雷達二維成像主要通過回波的距離和方位壓縮處理實現，當系統實現的帶寬較窄時，已有的電子學雷達成像技術可用于微波光子雷達成像，但當微波光子成像雷達帶寬達到GHz、載頻超越X波段后，其回波中目標轉動分量會導致回波包絡存在空變的距離彎曲項，方位維相位出現空變的2次相位誤差，會導致成像結果散焦。針對這一難題，文獻[15]提出了一種包絡和相位校正高精度補償的成像算法，其以回波包絡相關值為目標函數值，利用迭代估計目標轉速，進而在距離向通過重采樣對齊包絡，而在方位向則構造空變的方位補償函數校正轉動相位。另一方面，微波光子雷達寬調諧特點，能同時獲得目標多個頻段回波數據，可實現目標的多頻段融合成像，其多頻段數據融合成像目前主要有兩種方法：一是圖像域融合方法[10]，二是利用頻譜填充處理技術通過多個頻段子帶數據填充的高分辨成像方法[23]。

相比于傳統電子體制雷達，微波光子成像雷達在帶寬上有顯著優勢，可獲得高分辨圖像，從而可獲得更加精細的目標結構信息。同時，光混頻去斜接收使得系統最后需采集的信號為中頻信號，相對應的模數轉換采樣率顯著降低，光本振延時的采用可進一步降低采樣數據量，可實現目標信息的快速獲取，進而提取目標實時運動信息。

2.1 目標精細結構分辨及結構信息量化提取

對空天運動目標精細結構的提取有助于識別目標的種類。圖4給出了利用微波光子超寬帶成像雷達對典型空天飛行目標的ISAR成像結果[14]。圖4(a)為對1.2 km外民航客機的成像結果，從圖中可看出整個飛機輪廓清晰，襟翼導軌和引擎等結構可清晰辨識。圖4(b)為對一150 m外無人機成像結果，從圖中可以辨識出機臂(寬度為1.9 cm)、機腿(白色虛線框所示，寬度為1.8 cm)、電池及旋翼等結構。除此之外，由于圖像的高分辨特征，可以從圖4(a)中準確辨識出單翼上襟翼導軌數量為3，圖4(b)中旋翼的數量為6。對目標結構特征的準確識別及對結構信息的量化提取具有顯著軍事和民用價值。

(a)民航客機成像結果

除了ISAR，SAR是微波成像的另一種重要方式。圖5為將相同雷達系統架設在汽車平臺對杭州雷峰塔(圖5(a))的SAR成像結果[14]。從圖5(b)可看到塔體規則的多邊形結構清晰，塔體和塔剎結構可清晰辨別，塔體五層結構可定量確定(白線標識出層與層之間間隔)，塔體每層廊頂三角結構也可明顯辨別。圖5(c)給出了圖5(b)中塔剎部分(紅色虛線矩形框)成像結果放大展示，圖5(d)給出了塔剎實物參照。從圖5(c)可看到與圖5(d)中對應的兩條鏈條結構(紅色箭頭所示)。此外，在中軸兩側對稱分布一對對強散射點，與實物對比，可看到其對應于實物中多層金屬盤狀結構(相輪)，從圖5(c)中可數出共有7層結構，與實際數目相符。圖5(e)為塔體一邊廊頂三角結構成像結果，無論性調還是和數目均與實物圖5(f)很好對應。對塔剎金屬鏈條的成像表明了微波光子成像雷達的分辨能力和動態范圍，對塔體層狀結構和塔剎金屬盤的準確區分表明微波光子成像雷達在遙感應用中的潛在價值。

圖5 雷峰塔實物及SAR成像結果

2.2 目標運動行為監控和量化特征提取

目標運動行為的及時監控有助于掌握目標狀態和意圖，圖6(a)為南京航空航天大學利用所構建的微波光子成像雷達對一轉動的小風扇進行實時成像結果[13]，對應成像速率為100 幀/秒，每幀圖(圖6(b)～(d))中均可辨識出相應的5個葉片，這充分展示了微波光子成像雷達對小目標運動行為的高速獲取能力。

圖6 轉動小風扇ISAR實時成像結果

對于空中目標運動行為監測，圖7給出了大飛機和無人機相應的實驗結果[24]。圖7(a)給出了對起飛過程中的民航客機連續等間隔時間段內成像結果，圖中可以看到飛機飛行姿態不斷在調整。從圖7(b)所給出的無人機的連續成像結果也可看出無人機的輕微旋轉。更進一步，圖7(c)和(d)給出的對上述圖像中飛機、無人機飛行過程中轉動角度的定量提取結果。結果顯示以上角度變化行為量化提取結果符合在飛機起飛過程中行為的不均勻變化以及人控無人機的勻速轉動等實際情況，展示了微波光子成像雷達用于空天目標行為監控的有效性。

圖7 波音737客機和無人機視頻成像結果

此外，目標局部的振動參數也可通過成像結果提取出來。文獻[17]通過粗成像將機身和機翼回波分離，然后通過機身成像和定標結果估計出雷達視線角，并借助對機翼進行子孔徑序列成像提取出散射點的距離及多普勒變化曲線，最終可提取出民航客機在起飛過程中，機翼的振動頻率為2.48 Hz，振動角為0.07°。

3 微波光子成像雷達仍需解決的問題

微波光子雷達是一種新技術雷達，交叉融合了雷達技術、微波與電磁場、光子學等多個學科，較之傳統電子學雷達能夠實現更大的帶寬、更高的頻段和更優的波形控制，為成像雷達的發展提供了有效的技術途徑，使得獲取目標精確信息成為可能。盡管微波光子成像雷達的研究已取得了較大進展，但仍存在重要問題需進一步深入研究。

3.1 關鍵光電器件研制及指標性能提升

微波光子成像雷達發射信號產生、信號接收以及傳輸等性能依賴于光電調制器、可調光濾波器、鎖模激光器等關鍵光電器件的性能指標。目前，微波光子射頻鏈路損耗較大，其主要制約因素是電光調制器的性能受限，其半波電壓過高，導致信號處理、系統級聯等操作均會引入較大的噪聲。同時，由于光頻和射頻具有4到5個數量級的差別，光載射頻信號的相對帶寬均極窄，對其進行精細(百MHz以下)操作非常困難，需研制集成、高精度的光頻譜處理器件。此外，所產生波形相位噪聲、幅頻起伏等指標有待進一步提高，迫切需要高質量光生任意波形技術。我們認為提升微波光子成像雷達系統性能，仍需加強表2所示的關鍵光、電器件性能的進一步研究。

表2 關鍵器件及性能指標提升建議

3.2 微波光子雷達系統集成及應用研究

相比電子學射頻鏈路的集成化發展，微波光子射頻鏈路目前多采用分離的光器件、電光混合器件等，鏈路穩定性和級聯性能均受限，遠未達到光子學理論性能。微波光子雷達提供的寬調諧、大帶寬特性使得在同一系統中實現多頻段、多功能雷達，甚至雷達、電子偵察、通信等多種系統成為可能[19-20]，為未來綜合信息感知帶來變革性手段，當前的系統應用研究還遠未深入，仍需進一步深入研究。

4 結束語

微波光子技術為成像雷達系統的進一步發展提供了有效技術途徑，本文總結了微波光子成像雷達及相關技術研究現狀，對系統架構進行了研究分析，給出了主要應用方向，并提出了進一步發展仍需解決的問題。相比傳統電子學成像雷達，微波光子成像雷達具備良好的大帶寬、寬調諧特點，已展現出提高雷達成像精度獲取目標精細情報信息的能力。未來，隨著光電器件實現技術和集成工藝的發展，微波光子成像雷達的發展趨勢將有兩個層面：一是基于器件性能的提升，在波形質量、接收機動態范圍等方面進行改善，從而追求系統指標的全面先進性；二是充分發揮微波光子技術低損耗傳輸、多頻段兼容等技術優勢，使雷達系統朝分布式、多功能一體化等方向發展，從而變革現有微波成像雷達系統性能，為信息感知提供先進手段。