微波光子雷达，一段从量变到质变的过程！

2016-12-30 电子发烧友网 学术plus

编者按：微波光子学从发现至今已经有接近二十年的历史了，尤其在近几年，在国内学术圈各种会议上经常被提起，大家好像都对它寄予厚望，希望它能突破现有电子器件的瓶颈。但是我总感觉，微波光子学存在太多还未突破或者难以突破的方面，想要取代电子器件似乎是不可能的，微波技术和毫米波技术以及光学技术应该算是量变到质变的过程。

微波光子学技术的发展及其在雷达上的应用是雷达领域的一项潜在颠覆性技术，是新一代多功能、软件化雷达的重要技术支撑。微波光子雷达作为雷达发展的新形态，能有效克服传统电子器件的技术瓶颈，改善和提高传统雷达多项技术性能，为雷达等电子装备技术与形态带来变革。

微波光子技术在电子信息系统中的应用演进

微波光子技术在电子系统中的最初应用形式为光模拟信号传输，即将单个或多个模拟微波信号加载到光载波上并通过光纤进行远距离传输。近年来，微波光子逐渐从模拟光传输功能演变为包括微波光子滤波、变频、光子波束形成等多种信号处理功能的综合能力。

(图为：微波光子技术在电子系统中的发展历程)

微波光子学最早的系统层应用是70年代末美国莫哈韦沙漠中的“深空网络”，它由分布在数十公里内的十多个大型碟形天线组成，这些天线借助光纤传递1.42 GHz超稳定参考信号，并利用相控阵原理像一个巨大的天线一样工作，从而与太空的空间飞船保持通信和跟踪。近年来，微波光子技术已应用到雷达、电子战、卫星通信、综合射频和深空探测等领域。

典型的微波光子雷达系统包括：休斯公司的光纤波束形成网络宽带共形阵列、泰勒斯公司的光控相控阵样机、全光子数字雷达（PHODIR）样机、双波段微波光子雷达样机、以及俄罗斯射频光子阵列（ROFAR）开发项目。

（图为：微波光子雷达系统的发展演进）

典型的微波光子机载电子战系统包括：ALR-2001嵌入微波光子链路验证系统、欧空局的电子战光控分系统（EWOCS）和F/A-18E/F大黄蜂上的ALE-55光纤拖曳式诱饵。

（图为：微波光子电子战系统）

典型卫星通信和成像系统包括：EUROSTAR3000通信卫星、土壤湿度和海洋盐度（SMOS）地球探测卫星、PROBA-V成像卫星的高密度空间连接器验证（HERMOD）载荷、ALPHASAT通信卫星的光互联系统模块（SIOS）。

为实现雷达、电子战和通信等多频段宽带信号的综合管理和分配，一种可行途径是采用基于射频光子纵横交换技术和光纤射频传输技术的多功能综合射频方案。美国海军就这两种技术在AMRFC项目中进行了研究，并分别用于舰载可重构孔径阵列的波形产生和射频分配网络中。

在深空探测方面，智利的阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）预计安装66面口径12米的抛物面天线，进行毫米波和亚毫米波（31~950GHz）太空观测，利用18km长的光钎基线，为每个天线提供本振参考信号。

微波光子雷达研究进展

一、世界首部全光子数字雷达（PHODIR）

意大利PHODIR项目于2009年底启动，旨在设计、研制和验证具备发射信号光产生、接收信号光处理能力的全数字雷达验证机，解决阻碍全数字雷达收发机的瓶颈问题，例如无杂散动态范围（SFDR）和相位噪声电平。该项目于2013年取得重大进展，所研制的单站单通道PHODIR样机成功实现对非合作民航客机的跟踪与测量。

二、双波段微波光子雷达

2015年6月，研究小组将PHODIR雷达扩展至两个频段，系统核心是一个双波段射频发射机和一个双波段射频接收机。在意大利SanBenedetto del Tronto港口对双波段雷达进行了外场验证。下图B和C分别是SEAEAGLE雷达和双波段微波光子雷达X频段分系统的PPI图像，两图像符合极好，证明该双波段雷达样机已达到了商用先进雷达的性能。

微波光子雷达的内在相参性能够省去数据融合时复杂的相位校准算法。下图A是目标A的图像，图B和C分别为S、X波段探测到的一维距离像，图D是利用上述融合算法合成的一维距离像，此时图中显示出了更多的细节。根据船体实际结构，可以看到船尾部有更多的散射源（绞盘），上层形状显示桅杆和背部隔板分离。

（图为：目标船（A）以及采用S波段（B）、X波段（C）探测得到的一维距离像，（D）融合后的结果）

2016年5月，实验小组实现了对空中和海上非合作目标的ISAR成像。

图为：（A）波音737-800飞机，（B）和（C）是利用S波段和X波段对该飞机的ISAR成像结果；（D）目标油轮，（E）和（F）是S波段和X波段对油轮的ISAR成像结果

三、雷达/通信集成系统

2016年5月，PHODIR小组搭建了一个雷达/通信双用途原型机，该原型机基于同一个天线和光子收发机完成雷达与通信信号的接收和检测，可同时执行监视与通信任务，且两分系统之间不会互生干扰。未来，该原型机可利用同一个光子收发机和天线完成信号的产生、发射、接收和检测，实现真正意义上软硬件共享的的雷达/通信一体化系统。

四、激光雷达/雷达集成系统

激光雷达因具有更好的指向性和空间分辨率，被广泛用于测距仪、测速仪和成像系统。但激光雷达对粗糙目标和大气湍流产生的斑点噪声非常敏感，它会使得多普勒谱线展宽，从而限制速度分辨力。2015年2月，PHODIR小组基于一个MLL将激光雷达系统和微波光子雷达系统集成起来，减小了硬件和功耗负担，提供了多角度环境感知的能力。下文介绍该系统原理以及它在速度测量方面的鲁棒性和灵活性。

五、用于下一代SAR成像系统的光子前端（GAIA）

GAIA（2012~2015）项目属于欧盟第七框架计划，旨在开发用于SAR天线系统的光子技术，包括了天线上光信号分布、利用光子集成电路实现收/发天线单元上宽带信号（覆盖Ku波段）的实时延迟控制、适应于大型可移动天线的光缆捆束以及X波段天线阵列模块。最终该项目将设计一套可实现尺寸、重量、复杂度和成本效益的完整的光实时延迟模块化SAR天线系统。

六、多功能光学可重构扩展设备项目

欧洲防务局的“多功能光学可重构扩展设备”（MORSE）项目旨在开发一种具备波束形成功能、同时多种射频功能和阵元动态可重构能力的天线架构，开发或巩固光学域使能技术，搭建样机进行概念实验验证，以用于海洋系统、地基、无人机、机载预警和机载截获系统中，包括雷达监视与跟踪、雷达高分辨率、SAR、电子战、通信和导弹指挥链路等。MORSE由SELEX、BAEsystem和SAAB公司共同承担，总费用约460万欧元。

七、俄罗斯“射频光子相控阵”项目

2014年11月，俄罗斯高级研究基金会联合无线电电子技术公司（KRET）发起了“射频光子相控阵”（ROFAR）项目，该项目为期4.5年，投资6.8亿卢布（约1000万美金），旨在开发基于光子技术的通用技术和元器件，制造射频光子相控阵样机，并用于下一代雷达和电子战系统。为此，KRET成立了专门实验室，目前正处于天线单元研发阶段。未来，这些射频光子相控阵单元有望用于俄罗斯“智能蒙皮”计划中，即将ROFAR单元集成在T-50等先进战机蒙皮上，集无源侦收、有源探测、电子对抗和隐秘通讯多功能于一体，实现360º全覆盖扫描和机上资源的一体化调度；ROFAR也有可能安装在俄罗斯正在研制的飞艇上，利用飞艇大表面优势，将天线阵列分布于蒙皮上，为俄罗斯提供导弹预警。

（图为：ROFAR相控阵阵列可用于俄罗斯飞艇、战机的智能蒙皮）

八、美国集成光子创新计划

美国集成光子研究所（AIM-Photonics，原称IP-IMI）于2015年7月正式成立。作为美国制造业创新网络的第六家机构，该研究所旨在开发新型快速的光子集成制造技术和工艺方法，促进光子集成电路的设计、封装、测试与互连，构建从基础研究到产品制造的、全产业链集成光子学生态平台，从而解决高动态范围、超低损耗、宽带光子集成芯片和微波频率电集成芯片的大规模制造难题。AIM-Photonics将获得1.1亿美元的联邦政府资金投入，以及超过5亿美元的由地方政府、大学和企业等投入的配套资金。目前AIM-Photonics由55家公司、20所综合性大学、33个学院、和16个非营利组织构成。

除了上述项目之外， DARPA和欧洲的第七框架计划（FP7）均开展了众多针对分系统和元器件层面的微波光子研究项目，这里不再赘述。不可否认，微波光子雷达距离实战应用还有较长的距离，微波光子链路的技术成熟度、光子集成化程度是和系统的一体化设计是制约其实用化的关键因素，这三者也构成了未来微波光子雷达研究和发展的主旋律。

本文参考自石汝佳中电十四所、射频百花潭，通讯员邓大松