微波光子雷達逆合成孔徑成像

(中國科學院空天信息創新研究院微波成像技術國家重點實驗室, 北京 100190)

0 引言

逆合成孔徑雷達(ISAR)成像技術作為一種全天時、全天候、遠距離、高分辨的目標信息獲取手段，在空天目標識別與監測、航天測繪、戰略預警等領域有著不可或缺的重要作用。隨著科技發展和應用推動，對成像分辨率的需求不斷提高，成像雷達向高頻寬帶方向持續發展。然而，由于電子技術受限于“帶寬瓶頸”，傳統成像雷達的分辨率提升面臨巨大挑戰[1]。近年來，微波光子技術憑借光子大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁干擾等特性，為克服上述挑戰提供了可能的解決方案，被認為是“照亮雷達未來的關鍵技術”[2]。微波光子雷達成為國內外研究熱點。

2014年3月，《Nature》雜志報導了國際首部微波光子雷達，實現對5.5 km外運動目標的二維成像，距離分辨率150 m[3]。2016年，相關團隊將原有系統擴展至雙波段，并實現了對空中及海上非合作目標的ISAR二維成像[4]。國內多家單位也開展了微波光子雷達成像技術研究，融合ISAR成像技術與微波光子技術，通過光域雷達信號產生、傳輸與分發、控制與處理等，提高雷達帶寬、增大孔徑或基線長度，實現高分辨率二維成像[5-10]。2017年6月，中國科學院電子學研究所(現中國科學院空天信息創新研究院)研制成功我國首部微波光子雷達樣機，并獲得首幅外場非合作目標(民航客機)的ISAR二維成像圖樣；南京航空航天大學聯合中國電子科技集團第 十四研究所研制了動態范圍達55 dB的微波光子成像雷達樣機，也完成了外場非合作目標ISAR二維成像；武漢某研究單位報道了超寬帶高分辨微波光子雷達樣機，瞬時帶寬大于10 GHz，實現了對民航客機的ISAR二維成像，距離分辨率優于2 cm；中國電子科技集團第三十八研究所研制了微波光子相控陣雷達試驗系統，完成了室內目標的ISAR二維成像；清華大學報道了W波段寬帶微波光子雷達，瞬時帶寬8 GHz，并在實驗室內實現了合作目標的ISAR二維成像，二維分辨率均優于2 cm。以上研究結果已充分驗證了微波光子技術應用于高頻寬帶雷達并提升成像分辨率的可行性。

為獲取目標的更多細節信息，在垂直于ISAR二維成像平面的方向上構建干涉基線或合成孔徑，對具有一定視角差異的多幅ISAR復圖像進行干涉處理，可重建目標三維散射特征，實現三維成像。典型方法有干涉ISAR(InISAR)、陣列ISAR等[11-12]。微波光子技術在射頻信號傳輸方面具有寬帶、低損耗等優勢，可用于陣列雷達信號分發與相參合成，從而向三維成像應用擴展[13-15]。2018年，清華大學報道了X波段微波光子InISAR試驗系統，實現對運動目標的動態三維重建[16]。然而，InISAR對復雜地形如疊掩、陰影等的三維重建難度大；且為保證信號干涉質量需限制基線長度，從而影響了測量精度[17]。為克服上述問題，中國科學院空天信息創新研究院在ISAR成像的研究基礎上，結合光載射頻傳輸技術構建了微波光子分布式陣列雷達試驗系統，實現了轉臺動目標的高精度三維成像。

本文第一和第二章節將詳細介紹中國科學院空天信息創新研究院在微波光子ISAR二維成像和陣列ISAR三維成像方面的工作；第三章節進行總結。

1 微波光子雷達ISAR二維成像

1.1 系統原理

圖1(a)為用于ISAR二維成像的微波光子雷達系統原理圖。該系統由發射單元和接收單元組成。發射單元的信號發生器產生的低頻窄帶信號經微波光子倍頻后得到雷達信號，經天線發射；復制的雷達信號作為參考信號，在接收單元和天線接收的回波信號進行光子混頻，實現光域去斜處理，輸出的窄帶去斜信號經采樣后進行數字處理，得到目標的二維圖像。

1)基于光子倍頻的寬帶雷達信號產生

在發射單元，由信號發生器產生的低頻窄帶線性調頻信號通過馬赫-曾德爾調制器(MZM)調制到光載波上，控制MZM工作在最小偏置點以實現載波及偶數階邊帶抑制，再經光電探測器(PD)轉換為電信號，通過電濾波器濾除高頻信號，即可獲得線性調頻信號的二倍頻信號。該信號被分為兩路，一路作為雷達信號經放大后由天線發射，另一路作為參考信號，輸入至接收單元。

2)基于平行架構光子去斜處理的回波信號接收

在接收單元，天線接收的回波信號經放大后與參考信號同時輸入至雙偏振雙平行馬赫-曾德爾調制器(DP-DPMZM，如圖1(b)所示)，分別調制到另一光載波的正交偏振態上，并使DP-DPMZM中的兩個平行MZM調制器均偏置在最小偏置點以抑制載波，得到的偏振復用調制光信號經光濾波器選取載波某一側的一階邊帶并放大后，輸入至偏振復用相干光接收機(如圖1(c)所示)，將兩個偏振方向上的調制光信號之間進行相干平衡探測，實現回波信號與參考信號的光子混頻，獲得窄帶去斜信號，再經模數轉換后進行二維成像處理。借助光偏振復用技術構建平行架構，回波信號和參考信號調制在同一載波上經相同路徑傳輸后進行混頻，保證了信號間的相干性；此外，通過光電平衡探測抑制了系統共模噪聲，有助于提高系統的動態范圍。

圖1 微波光子雷達系統原理圖

1.2 實驗結果及討論

根據系統原理搭建微波光子雷達，發射單元通過光子倍頻產生Ku波段線性調頻雷達信號，中心頻率為14.6 GHz，瞬時帶寬為600 MHz(對應的理論距離分辨率為0.25 m)，周期為500 μs，信噪比為41 dBc；接收單元對回波信號去斜處理后，進行采樣和二維ISAR成像處理，受限于相干接收機的噪聲水平，測量的接收單元的無雜散動態范圍為40 dBc。為測試系統的成像性能，對實驗室內的合作目標及外場非合作目標開展了一系列ISAR成像試驗。

首先，在暗室對一對角反射器(TCR)進行二維ISAR成像。使TCR保持靜止，距離向和方位向間距分別為0.45 m和0.4 m，通過對回波信號進行去斜處理和傅里葉變換獲得目標的距離向特征，如圖2(a)所示。從圖中可以看出，兩個峰值分別對應兩個TCR，其頻率間隔為3.25 kHz，對應距離為0.4 m，與實際距離吻合。再將TCR置于一維轉臺，以10°/s的角速度勻速轉動，距離向和方位向間距分別為0.2 m和0.45 m，對1 s積分時間內的回波信號進行成像處理，得到的結果如圖2(b)所示。可以看出，兩個TCR的距離向和方位向間距分別為 0.18 m和0.43 cm，與實際距離吻合。

圖2 暗室角反射器成像試驗結果

然后，在外場對民航波音737客機進行二維ISAR成像。對1.18 s積分時間內的回波信號進行二維成像處理(應對多普勒頻率分辨率為0.85 Hz)，得到的結果如圖3所示。圖中飛機的外形輪廓清晰可見，位于飛機腹部的兩個引擎、機翼、機身等細節也易于分辨。

圖3 外場民航波音737客機的二維ISAR成像結果

上述試驗結果有力地證明了微波光子雷達的二維成像能力，并顯示出應用微波光子技術提升雷達性能的潛力。

2 微波光子雷達陣列ISAR三維成像

2.1 系統原理

陣列ISAR三維成像是基于多站分布式雷達架構的一種成像方式，結合了基于空間天線陣列的實孔徑成像和基于目標相對天線運動的合成孔徑成像。相比于僅有兩個收發通道的InISAR，增加了天線數量和基線長度，從而具備第三維度的幾何分辨能力，通道間的相參性也得到提高。但是，增加的收發單元也將成倍提高系統成本和復雜度，基線增長也為信號相干處理帶來了新的挑戰。

目前，多站雷達多采用電纜傳輸參考信號進行時間同步，接收機收到回波信號后先在本地進行預處理，再傳回中心站進行數據融合，因而難以避免部分信息丟失[17]。相比于電纜傳輸，光射頻傳輸在帶寬、損耗、抗電磁干擾等方面具備一定優勢，可直接傳輸雷達信號而非時鐘信號；波分復用技術可用于多路回波信號的并行光子去斜處理，將各通道回波信號調制在不同波長的光載波上，合束后可一同進行光電轉換完成去斜處理，簡化了系統結構。基于此，在上述微波光子雷達基礎上構建了基于光纖分布式天線陣列的微波光子雷達系統，如圖4(a)所示。該系統包括中心站(CO)、發射站(Tx)和N個具有相同結構的接收站(Rx)。發射站、接收站與中心站之間分別由不同光纖連接以用于雷達發射信號、參考信號和回波信號的傳輸。

1)基于光子倍頻和波分復用的寬帶雷達信號產生、復制與分發

在中心站，延用上述光子倍頻方法和波分復用技術，將窄帶線性調頻信號同時調制到多路不同波長的光載波上，實現信號的光域復制，再分別作為發射光信號和參考光信號經光纖分發至發射站和接收站，并在發射站完成光電轉換，得到倍頻后的線性調頻雷達信號，經天線發射。

2)基于并行光子去斜處理的多通道回波信號接收

由于參考信號與回波信號分別在中心站和遠程接收站產生，不再采用上述基于平行調制架構的光子去斜方法，改用串行調制架構。在各接收站，天線同時接收回波信號，并分別經MZM調制到來自中心站的參考光信號上，使MZM工作在正交偏置點，輸出信號的光譜如圖4(a)所示，其中fci是波長為λi的光載波對應的頻率，fIF是信號發生器產生用于光子倍頻的窄帶信號的中心頻率。通過光濾波器選取其中的E1、E2、E3、E4分量傳回中心站，并在中心站合束后經PD完成并行光子去斜處理，輸出信號表示為

(1)

式中：SRi(t)為各通道回波信號去斜處理后的結果；VRi為對應的幅值；τi=τTi+τRi，τTi和τRi分別為中心站到第i個接收站的光纖傳輸延時；Δτi=τTi-τ0-τecho_i，τecho_i為雷達信號由發射天線經目標返回接收天線經歷的延時，τ0為中心站到發射站的光纖傳輸延時，且滿足τTi≥τ0+τecho_i；ωRF，kRF，Tp分別為雷達信號的角頻率、調頻率和周期。從式(1)可以看出，各通道回波信號經去斜處理后的頻率為kRFΔτi，與延時τTi成正相關，與延時τecho_i成負相關。在遠場成像條件下，目標到天線陣列的距離遠大于陣列間距，各通道對應的τecho_i相近。因此，為使各通道回波的去斜信號在頻譜上可以區分，以便分離各通道回波數據分別進行二維ISAR成像，光參考信號由中心站傳輸至各接收站需經歷不同的光延時，即滿足當i≠j時，τTi≠τTj。各通道回波信號去斜處理前后的時頻分布如圖4(b)所示。此外，還需根據成像場景的幅寬調整延時τTi之間的差值以避免各通道去斜信號的頻譜重疊。

圖4 微波光子雷達陣列系統原理圖

3)傳輸延時補償與陣列ISAR三維成像

對探測器輸出的去斜信號進行采樣后作傅里葉變換，并對回波包絡延時引起的附加相位和剩余視頻相位進行補償，得到一維距離向脈沖壓縮的結果，表示為

exp{j(2πfRFΔτi+Δφi)}}

(2)

可以看出，各接收站收到的回波信號被壓縮至不同頻率(即kRFΔτi)處，從而可根據各通道對應的不同頻率范圍分割距離向脈沖壓縮信號。此外，式中Δφi=-2πkRFΔτiτi-2πfτi是由光纖傳輸引入的附加相位，在后續成像處理時將引入方位向位置誤差并惡化通道間的相干性，需在方位向脈沖壓縮前進行補償。由于目標被壓縮至f=kRFΔτi處的一個窄脈沖，只需對該處的相位進行補償，附加相位可重寫為Δφi=-4πfτi，根據不同頻率范圍對應的接收站與中心站間的傳輸延 時，將式(2)乘以函數Sci(f)=exp(-jΔφi)=exp(j4πfτi)，即可消去附加相位，再進行信號分割和方位向脈沖壓縮，可得N幅二維ISAR復圖像，表示為

Ii(f,fm)=

(3)

式中，Rref_i=cτref_i/2=c(τTi-τ0)/2，RT和RRi分別為目標到發射天線和第i個接收天線的距離，VT和VRi分別為目標相對于發射天線和第i個接收天線的速度，fm為多普勒頻率，λ為雷達發射信號中心頻率對應的波長；前兩個sinc函數即代表目標的距離和多普勒信息。在遠場成像條件下，當發射天線與接收天線構成的等效相位中心在垂直于二維ISAR成像平面的方向上形成均勻線性陣列，可以通過對上述復圖像的配準處理，并以某一主散射點作為參考標定并修正通道間的幅相一致性，再通過第三維度傅里葉變換即可實現目標的三維重建。

2.2 實驗結果及討論

為驗證上述原理的可行性，搭建一發雙收微波光子雷達系統，在目標沿同一運動軌跡重復運動的同時，一對接收天線在不同位置接收回波進行并行ISAR二維成像，等效構建了一發多收微波光子雷達系統。工作在Ku波段，中心頻率為15 GHz，瞬時帶寬為2 GHz，周期為200 μs。由于在實驗室環境下，目標相距天線陣列不遠，在不影響原理驗證的情況下，將參考光信號從中心站傳輸至兩個接收站的光纖分別設置為150 m和400 m，其他用于連接各站點的光纖僅幾米長。

在實驗室內對3個TCR進行三維成像。陣列天線及TCR的相對位置如圖5所示。TCR置于木架上的不同位置，再置于一維轉臺上。

圖5 天線陣列和角反射器的相對位置(Tx:發射站；Rx：接收站；APC：等效相位中心；TCR：角反射器)

靜止時，一對天線同時接收回波，經并行去斜處理后的信號頻譜如圖6(a)所示，在7.45 MHz和 20.15 MHz附近可見兩個目標窗口，每個窗口均包含3個主峰，分別對應3個TCR。當目標隨木架沿Z軸方向以15.6°/s轉速重復轉動時，一對接收天線在圖示的不同位置對同一運動軌跡下的目標進行多次雙通道ISAR二維成像，積分時間為0.6 s，由此在Z軸方向形成由16個等效相位中心(APC)組成的均勻線性陣列，如圖中所示，總長為0.6 m。為保證接收天線在不同位置接收目標的運動軌跡的一致性，采用一副光電開關，將光源置于木架隨目標一同轉動，探測器置于轉臺旁邊固定不動。當目標轉動到某一位置，探測器檢測到光信號產生電脈沖，觸發數據記錄。單次成像獲得的兩幅二維復圖像如圖6(b)所示，3個TCR的三維重建結果及其在3個平面的投影如圖7所示，距離向、方位向和高度向分別對應Y軸、X軸和Z軸方向。為分析目標的相對位置和成像分辨率，對3個TCR的成像結果進行三維切片分析，如圖8所示，可得三維分辨率為7.3 cm(距離向)×5.6 cm(方位向)×13.3 cm(高度向，對應0.85°角分辨率)，與理論值(6.6 cm×5.4 cm×0.85°)吻合。計算得到3個TCR的相對位置與真實位置吻合，如表1所示。

表1 角反射器相對位置的測量值與真實值對比

圖6 角反射器ISAR二維成像結果

圖7 角反射器的三維成像結果

圖8 角反射器三維成像結果的距離向、方位向和高度向切片

本方案借助并融合光子輔助寬帶信號產生、并行光子去斜處理和光射頻傳輸技術，構建分布式陣列微波光子雷達系統，完成對運動TCR的精確三維重建，為大規模分布式陣列雷達實現提供了有效的解決方案。試驗結果進一步展示了微波光子技術在雷達成像中的應用潛力。

3 結束語

本文介紹的微波光子雷達成像系統，將微波光子技術與雷達ISAR成像技術融合，實現了對運動目標的二維及三維成像，分辨率在厘米量級。初步探索并驗證了微波光子技術應用于雷達成像領域的可行性和提升系統關鍵性能的潛力。隨著雷達技術的不斷發展，在高頻寬帶、智能化可重構、多功能一體化、小型化輕量化等多方面需求的推動下，微波光子技術有待與現代雷達技術的更深層次融合，全面提升系統指標、轉換能效、動態范圍、可靠性，推進微波光子技術的廣泛應用和雷達裝備的進一步發展。