微波光子雷达及关键技术（三）

图7、PHODIR 与商用SEAEAGLE 成像对比
Fig. 7 Imaging result comparison between the PHODIR and SEAEAGLE

（a）目标的图像；（b）S 波段探测到的一维距离像；（c）X 波段探测到的一维距离像；（d）利用上述融合算法合成的一维距离像；（e）空中非合作目标波音737；（h）海上非合作目标轮船；（f）和（g）分别为S 波段和X 波段对（e）的成像结果；（i）和（j）分别为S 波段和X 波段对（h）的成像结果

图8、PHODIR 双波段雷达外场测试结果
Fig. 8 Field test results of the dual-band PHODIR

除了对全光多波段雷达样机的探索，Bogoni团队还研究了雷达/通信双用途原型机^[18]，基本框图如图9所示。系统中通过一个雷达发射机产生并发射中心频率为2.4 GHz、带宽为20 MHz的雷达信号测试动目标“汽车”的距离和速度，同时通过1个通信发射机发射4.9 GHz的64-QAM信号用于无线通信。两信号通过相互独立的天线发射，但被同一个开槽波导阵列双波段天线接收，输入到同一个射频接收机中进行处理。通过同时对两信号进行光下变频处理。一方面测得了汽车的行驶速度约为50 km/h，距离约为13.8 m，另一方面，在雷达信号存在的情况下，通信信号的误差矢量幅度并没有什么变化，说明两分系统之间不会互生干扰。与没有光电下变频，直接接收电信号对比，仅有光电电光转换引入的3 dB左右损耗。上述系统的实现，说明未来该原型机能够利用同一个光子收发信机和天线完成多波段、多制式信号的产生、发射、接收和检测，实现真正意义上软硬件共享的雷达/通信一体化系统。除此以外，该研究小组还研究了激光雷达和射频雷达的综合系统^[19]，利用同一个锁模激光器分别为激光雷达和射频雷达提供高稳定的光源，在节省硬件资源的同时，也使得两雷达系统可以互为补充，增加了雷达系统在作战环境中的鲁棒性。

图9、雷达/通信双用途原型机原理及测试结果

Fig. 9 Schematic diagram and the experimental results of the integrated radar and communication system

1.3 俄罗斯微波光子雷达研究进展

俄罗斯也一直在发展微波光子雷达技术，由于其主要论文均由俄文撰写，国际社会对其研究进展了解甚少，直至2014年俄罗斯最大的无线电子设备制造商无线电电子技术联合集团（KRET）公开宣布，受俄罗斯政府资助开展“射频光子相控阵”（ROFAR）项目研究。该项目旨在开发基于光子技术的通用技术和核心器件，制造射频光子相控阵样机，用于下一代雷达和电子战系统。根据俄罗斯塔斯社最新报道称，ROFAR 采用分布式系统，可以发射带宽高达100 GHz的信号，发射机能效大于60%，可以对几百km外的物体实现3D成像^[20]。相对于传统雷达，ROFAR雷达的系统质量降低50%，分辨率可以提升数10倍。未来，这些射频光子相控阵单元有望用于俄罗斯“智能蒙皮”计划中和第六代战斗机上，实现集无源侦收、有源探测、电子对抗和安全通信多功能于一体的360°全覆盖扫描以及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10）。

图10、ROFAR 雷达及其可能应用的飞艇与战斗机
Fig. 10 Photos of ROFAR radar, the seaplane and the fighter

1.4 国内微波光子雷达研究进展

从公开的报道来看，国内微波光子雷达的研究可以追溯至21世纪初，虽然相比美国和欧盟起步略晚，但发展极为迅速。2013年南京航空航天大学成立了雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室，先后开展了基于光纤连接的分布式雷达^[21-22]、超宽带噪声雷达^[23-25]、无源雷达^[26]等雷达系统研究。2017年6月，南京航空航天大学联合中国电子科技集团第14研究所研制出了可实现小目标实时成像的微波光子雷达验证系统^[27]，如图11所示。该系统发射端利用微波光子倍频技术将4.5~6.5 GHz 的线性调频信号倍频到K 波段（18~26GHz），由天线辐射到自由空间。该宽带信号经待测目标反射后，由接收天线收集并与参考信号进行光混频去斜，得到仅包含目标距离，多普勒频移等信息的低速信号。通过数字信号处理实现对待测目标的实时成像。该系统利用微波光子技术对接收信号进行预处理，在不损失信息量的前提下极大地压缩了数据量，成功实现了对小尺寸目标的实时高分辨成像，成像精度优于2 cm。此技术突破了电子技术对带宽与处理速度的限制，能为高精度实时雷达目标监测提供可靠的技术支持。课题组还对小型非合作目标无人机进行了高清实时成像。同期，中国科学院电子学研究所微波成像技术国家重点实验室的研究团队也完成了基于微波光子技术的SAR成像研究^[28]，其雷达发射信号带宽为600 MHz，对应成像分辨率25 cm。该系统实现了大型非合作目标波音737的成像，如图12所示，有效论证了微波光子雷达的可行性。清华大学也报道了一种用于测距和成像的光子雷达系统^[29]，该系统利用1个4位光数模转换器（DAC）产生了1个中心频率10 GHz，带宽4 GHz的线性调频信号，经发射天线发射、目标反射及接收天线接收后，携带上目标的距离和速度等信息。该光子雷达系统的距离精度为5 cm，测速精度为2 m/s。此外，2015年上海交通大学还报道了基于锁模激光器的光子雷达系统，用于测距^[30]，该系统原理如图13所示，发射机利用两路啁啾的光脉冲拍频得到中心频率和带宽可调谐的线性调频信号，经过待测目标反射回接收天线，所接收的信号经过光电调制器调制到光信号的幅度上，再经过一段色散光纤进行时域拉伸后输入光电探测器进行包络探测，得到携带距离信息的信号。在测距实验中，所产生的线性调频信号中心频率为10 GHz，带宽为4 GHz，成功区分出4 m外相距6 cm的2个目标。

图11、南京航空航天大学实时成像光子雷达系统及实验结果

Fig. 11 Schematic diagram and the experimental results of the real-time imaging microwave photonics radar of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA)

图12、中国科学院电子学研究所波音737 外场测试ISAR 成像结果

Fig. 12 ISAR imaging results of Boeing 737 with the microwave photonics radar developed by Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences

图13、上海交通大学光子雷达样机
Fig. 13 Photonics radar prototype developed by Shanghai Jiao Tong Univeristy

从上述若干典型微波光子雷达系统可以看出，微波光子技术的引入可以大大提升了雷达系统的性能，例如探测精度得到提升、多波段多功能实现融合等，但大部分雷达系统还只是能力演示，难以真正实用，因此，对微波光子雷达系统中关键技术的研究与提升仍然是当前关键。