雷達(dá)是人類進(jìn)行全天候目標(biāo)探測與識別的主要手段，多功能、高精度、實(shí)時(shí)探測一直是雷達(dá)研究者追求的目標(biāo)。這些特性實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)都是對寬帶微波信號的高速操控，但受限于“電子瓶頸”，寬帶信號的產(chǎn)生、控制和處理在傳統(tǒng)電子學(xué)中極為復(fù)雜甚至無法完成。光子技術(shù)與生俱來的大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁干擾等特性，使其成為突破雷達(dá)帶寬瓶頸和“照亮雷達(dá)未來”的關(guān)鍵使能技術(shù)。同時(shí)光子系統(tǒng)重量輕、體積小、可集成，可以將雷達(dá)系統(tǒng)的體積重量降低數(shù)十倍，從而大大減輕飛機(jī)、衛(wèi)星、艦艇等的載荷。因此光子技術(shù)的引入有可能改變現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的體制，賦予雷達(dá)系統(tǒng)更加蓬勃的生命力。本文總結(jié)了國內(nèi)外光子雷達(dá)系統(tǒng)的主要研究進(jìn)展，討論了光子雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了光子雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢。

未來的戰(zhàn)爭將是地、海、空、天一體化的多維空間立體戰(zhàn)，不但有水下、水面、空中、地面硬殺傷兵器在有形空間展開的火力戰(zhàn)，還有信息獲取傳感器與軟殺傷兵器在無形空間展開的信息戰(zhàn)。導(dǎo)彈等精確制導(dǎo)武器的大量使用改變了以往戰(zhàn)爭中的攻防結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了交戰(zhàn)的空間，交戰(zhàn)雙方相距很遠(yuǎn)時(shí)，就可以用導(dǎo)彈相互實(shí)施攻擊，先知先覺成為有效攻擊和防御的首要任務(wù)。雷達(dá)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中極為重要的軍事裝備，是海、陸、空、天各兵種的“眼睛”，是全天時(shí)、全天候、復(fù)雜環(huán)境下發(fā)現(xiàn)和跟蹤各種威脅的重要手段，自誕生以來就被廣泛研究[1-5]。然而，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對抗雷達(dá)的作戰(zhàn)平臺和作戰(zhàn)方式也得到了長足的發(fā)展；同時(shí)，隨著飛行器技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)所需探測的目標(biāo)的特征和電磁特性也日益復(fù)雜，使得雷達(dá)技術(shù)和系統(tǒng)必須不斷發(fā)展和演進(jìn)才能有效發(fā)揮作用。當(dāng)前，日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境要求雷達(dá)既能搜索遠(yuǎn)距離目標(biāo)，又能發(fā)現(xiàn)近距離目標(biāo)；既能探測中空、高空目標(biāo)，又能指示低空目標(biāo)；既能進(jìn)行多目標(biāo)搜索、跟蹤，又能進(jìn)行制導(dǎo)和導(dǎo)航；既能輕松識別強(qiáng)目標(biāo)，又能有效探測到低、慢、快、小、隱等低可觀測目標(biāo)[4-5]；此外，雷達(dá)在作戰(zhàn)中還擔(dān)負(fù)著戰(zhàn)場環(huán)境感知（成像、氣象觀測）、警戒、電子反制、敵我識別等多種任務(wù)。

然而，傳統(tǒng)雷達(dá)基本上屬于單一功能設(shè)備，即某一特定雷達(dá)只能完成某一種或某一類特定任務(wù)，這不可避免會(huì)造成以下后果[6]：

1）雷達(dá)裝備的品種繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給研制、生產(chǎn)、使用和維護(hù)帶來極大不便，直接影響裝備的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)；2）作戰(zhàn)中，大量數(shù)據(jù)從各個(gè)性能不同的雷達(dá)傳感器送至控制計(jì)算機(jī)，在系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間上形成薄弱環(huán)節(jié)，最終影響作戰(zhàn)效能；

3）在艦船、飛機(jī)、衛(wèi)星等具有有限裝備空間、有限載重范圍和有限能源供給的載體中，同時(shí)配置多部雷達(dá)將帶來嚴(yán)重的電磁兼容性等問題，對載荷能力和續(xù)航能力提出巨大的挑戰(zhàn)；

4）各雷達(dá)參數(shù)固定，在電子對抗中易被捕獲和壓制，生存能力較低。如果雷達(dá)的工作頻率可以跨越多個(gè)波段，一方面雷達(dá)的參數(shù)在作戰(zhàn)時(shí)不易被敵方獲取，在電子對抗中具有較高的生存能力，另一方面可以在同一部雷達(dá)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)或快速切換雷達(dá)的功能，使之擁有多種工作模式[7]。此外，大帶寬本身對應(yīng)著雷達(dá)的高分辨率。因此實(shí)現(xiàn)集多種功能于一體的新型雷達(dá)，研制和試驗(yàn)多波段寬帶可重構(gòu)雷達(dá)已成為重要的發(fā)展趨勢。

要想實(shí)現(xiàn)多波段寬帶可重構(gòu)雷達(dá)，寬帶射頻前端是當(dāng)前最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。然而受限于“電子瓶頸”，電子技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)寬帶信號的產(chǎn)生、控制和處理。微波光子技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟為多波段可重構(gòu)雷達(dá)帶來了希望。相比于傳統(tǒng)電子技術(shù)，微波光子技術(shù)能夠提供高頻率、多波段的本振源和高精細(xì)、大帶寬的任意波形產(chǎn)生，基于光真延時(shí)的波束形成可克服傳統(tǒng)相控陣波束傾斜和孔徑渡越等難題，微波光子模數(shù)變換在高采樣率下仍能保持較高的有效比特?cái)?shù)。此外，微波光子技術(shù)相對于電技術(shù)還具有傳輸損耗低、質(zhì)量輕及抗電磁干擾等潛在優(yōu)勢[8-10]，因此基于微波光子技術(shù)的雷達(dá)能有效克服傳統(tǒng)電子器件的若干技術(shù)瓶頸，改善和提高傳統(tǒng)雷達(dá)多項(xiàng)技術(shù)性能，甚至有望成為下一代雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵，為雷達(dá)等電子裝備技術(shù)與形態(tài)帶來變革。

微波光子技術(shù)自誕生以來就受到了國際學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和國防部門的高度重視，美國國防部高級研究計(jì)劃局（DAR?PA）近年來設(shè)立了數(shù)十個(gè)項(xiàng)目支持核心微波光子器件、光電振蕩器、光任意波形產(chǎn)生（OAWG）、光模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、模擬光子信號處理、模擬光子前端、光電集成等技術(shù)的研究[11]。中國和歐盟也對微波光子技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)支持，相應(yīng)的器件、模塊、單元技術(shù)日趨成熟。隨著微波光子技術(shù)的發(fā)展，將微波光子技術(shù)應(yīng)用于多功能雷達(dá)系統(tǒng)已成為眾多國家的重要研究課題。以歐盟為例[12]，設(shè)立“全光數(shù)字雷達(dá)”（PHODIR）項(xiàng)目以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于光子技術(shù)的全數(shù)字式雷達(dá)驗(yàn)證裝置。該裝置在發(fā)射機(jī)端實(shí)現(xiàn)了高頻信號的光子學(xué)產(chǎn)生，同時(shí)在接收端對雷達(dá)回波信號進(jìn)行了超高比特率的光子采樣，發(fā)射和接收共享同一基準(zhǔn)源，從而確保了收發(fā)相參。在PHODIR項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，設(shè)立“預(yù)工業(yè)化光子雷達(dá)設(shè)計(jì)”（PREPaRE）項(xiàng)目，進(jìn)行微波光子雷達(dá)的預(yù)工業(yè)化設(shè)計(jì)，以期將PHODIR項(xiàng)目的光子雷達(dá)推向工業(yè)化。設(shè)立“用于寬帶互聯(lián)的集成光毫米波器件和功能”（IPHOBAC）項(xiàng)目，研究先進(jìn)緊湊的光子源，包括高頻譜純度及穩(wěn)定性的微波源，超寬帶可調(diào)諧微波源和帶集成天線的發(fā)射機(jī)。設(shè)立“用于下一代合成孔徑雷達(dá)應(yīng)用的光子前端”（GAIA）項(xiàng)目，發(fā)展用于未來合成孔徑雷達(dá)的陣列天線所要求的光子技術(shù)，包括陣列天線的光信號分發(fā)，在發(fā)射和接收時(shí)采用集成光路對每個(gè)天線單元進(jìn)行真時(shí)延控制，設(shè)計(jì)適用于大型可展開天線的光控波束形成。因此，微波光子雷達(dá)不僅被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是新型雷達(dá)的未來，也被工業(yè)界視作切實(shí)可行的解決方案。本文將回顧國內(nèi)外微波光子雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成的主要研究進(jìn)展，并對微波光子雷達(dá)進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行展望。

1、微波光子雷達(dá)系統(tǒng)研究進(jìn)展

目前國際上微波光子雷達(dá)主要有美國、歐盟、俄羅斯3條發(fā)展路徑，中國也在不斷跟蹤研究中形成了鮮明的特色。

1.1 美國微波光子雷達(dá)研究進(jìn)展

早在20世紀(jì)80年代末，美國DARPA就開始支持微波光子雷達(dá)相關(guān)的研究，并形成了圖1中的發(fā)展規(guī)劃。根據(jù)該規(guī)劃，微波光子學(xué)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用將分3個(gè)階段。圖1（a）為傳統(tǒng)微波雷達(dá)接收前端：雷達(dá)回波由天線陣列收集，隨后放大、濾波，接著波束形成網(wǎng)絡(luò)對來源于不同空間方向的信號進(jìn)行選擇，所得到的信號經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)送至中心處理站，變頻后進(jìn)入數(shù)字接收機(jī)做進(jìn)一步處理。在這種雷達(dá)前端中，信號傳輸一般由同軸電纜完成，其傳輸損耗約為1 dB/m，長距離傳輸時(shí)需多級放大才能補(bǔ)償信號衰減，而這必然引入大量的非線性和噪聲，增加了能耗。因此，美國DARPA在第1階段開展高線性模擬光鏈路的研究，如圖1（b）所示，利用超低損耗的光纖（傳輸損耗僅有0.0002 dB/m）取代體積大、質(zhì)量大、損耗大和易被電磁干擾的同軸電纜。這個(gè)階段的典型成果為20世紀(jì)70年代末美國莫哈韋沙漠中的“深空網(wǎng)絡(luò)”[13]，它由分布在數(shù)十km內(nèi)的多個(gè)大型蝶形天線組成，這些天線借助光纖傳輸1.42 GHz超穩(wěn)參考信號，并利用相控陣原理等效成一個(gè)巨大的天線。

圖1、DARPA 微波光子雷達(dá)發(fā)展規(guī)劃Fig. 1 Development plan of microwave photonic radar of DARPA

美國DARPA微波光子雷達(dá)第2階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光控（真延時(shí)）波束形成網(wǎng)絡(luò)，用于替代在寬帶情況下會(huì)出現(xiàn)波束傾斜、孔徑渡越等問題的傳統(tǒng)相移波束形成網(wǎng)絡(luò)，如圖1（c）所示。這個(gè)階段的典型成果是1994 年美國休斯飛機(jī)公司（Hughes Aircraft）實(shí)現(xiàn)的基于光纖波束形成網(wǎng)絡(luò)的寬帶共形陣列[14]。在該陣列中，休斯飛機(jī)公司采用了電延時(shí)和光延時(shí)的混合模塊實(shí)現(xiàn)對發(fā)射信號延時(shí)的控制，如圖2所示，其中光延時(shí)模塊采用的是最簡單的基于光開關(guān)的延時(shí)模塊。該相控陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.35~2.1 GHz范圍內(nèi)16陣元的±45°范圍內(nèi)1.31°的角度掃描精度，且在寬帶寬角掃描時(shí)沒有觀測到波束傾斜效應(yīng)。

圖2、美國休斯飛機(jī)公司電光混合真延時(shí)模塊示意Fig. 2 Hybrid electronic and optical true time delay module of Hughes Aircraft

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著光纖通信的蓬勃發(fā)展，光子技術(shù)越來越成熟，光電轉(zhuǎn)換效率不斷提升，微波光子技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。因而，美國DARPA將微波光子雷達(dá)研究第3階段目標(biāo)定為微波光子信號處理的實(shí)現(xiàn)，期望研制出芯片化的微波光子雷達(dá)射頻前端，如圖1（d）所示。為此美國DARPA設(shè)立了諸多項(xiàng)目[11]，包括“高線性光子射頻前端技術(shù)”（PHORFRONT），“光子型射頻收發(fā)”（P-STAR），“適于射頻收發(fā)的光子技術(shù)”（TROPHY），“超寬帶多功能光子收發(fā)組件”（UL?TRA-T/R），“光任意波形產(chǎn)生”（OAWG），“可重構(gòu)的微波光子信號處理器”（PHASER）、“大瞬時(shí)帶寬AD變換中的光子帶寬壓縮技術(shù)”（PHOBIAC），“模擬光信號處理”（AOSP），“高精度光子微波諧振器”（APROPOS）等。目前不少項(xiàng)目及其衍生項(xiàng)目還在執(zhí)行中。盡管美國DARPA對微波光子學(xué)的研究投入了大量人力財(cái)力，大大推動(dòng)了微波光子學(xué)的發(fā)展，但其更加重視微波光子學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)的攻關(guān)，而在微波光子雷達(dá)系統(tǒng)上的報(bào)道較少。

1.2 歐盟微波光子雷達(dá)研究進(jìn)展

不同于美國，歐盟更加關(guān)注微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的研究。世界十大防務(wù)集團(tuán)之一——意大利芬梅卡尼卡集團(tuán)認(rèn)為微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展要分4步走，如圖3所示。第1步，采用光子技術(shù)輔助射頻功能的完成，主要包括利用光纖進(jìn)行射頻信號的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)龋坏?步，采用光子完成復(fù)雜的射頻功能，包括高頻高穩(wěn)高純微波信號的光學(xué)產(chǎn)生，利用光子技術(shù)進(jìn)行微波信號的移相濾波變頻采樣等處理；第3步，光子技術(shù)取代部分電技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)揮作用，主要涉及光控波束形成在部分雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用；第4步，采用光子技術(shù)構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)，亦即實(shí)現(xiàn)全光的雷達(dá)收發(fā)樣機(jī)。

圖3、歐盟微波光子雷達(dá)發(fā)展規(guī)劃Fig. 3 Development plan of microwave photonic radar of European Union

歐盟第1次在雷達(dá)系統(tǒng)中測試微波光子技術(shù)要追溯到1996年歐洲最大防務(wù)電子集團(tuán)——泰勒斯（Thales）集團(tuán)完成的光控相控陣樣機(jī)[15]，如圖4（a）所示。不同于美國休斯飛機(jī)公司的光纖波束控制雷達(dá)系統(tǒng)，泰勒斯集團(tuán)的光控相控陣系統(tǒng)采用了空間光延時(shí)模塊對信號的延時(shí)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)工作于2.5~3.5 GHz，擁有16個(gè)陣元，可實(shí)現(xiàn)5 bit的延時(shí)控制和6 bit的相位控制。實(shí)驗(yàn)中完成了2.7~3.1 GHz范圍內(nèi)±20°的波束控制，無波束傾斜效應(yīng)。此后泰勒斯集團(tuán)還基于空間光延時(shí)實(shí)現(xiàn)了緊湊的真延時(shí)單元，并進(jìn)行了外場測試，可實(shí)現(xiàn)6~18 GHz，掃描角度為±20°的無波束傾斜波束控制。該模塊的照片和結(jié)果如圖4（b）~（c）所示。

圖4、泰勒斯集團(tuán)的光控相控陣樣機(jī)、真延時(shí)單元照片及外場測試結(jié)果

Fig. 4 Optically controlled phased array prototype of Thales, the photo of true time delay module, and the results of the field test

2013年，意大利國家光子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的Bogoni團(tuán)隊(duì)完成了1個(gè)結(jié)合微波光子多載波產(chǎn)生、發(fā)射和接收的光子雷達(dá)收發(fā)信機(jī)PHODIR（圖5（a）），該工作于2014年3月在《Nature》

發(fā)表[16]。在發(fā)射端，具有超低抖動(dòng)的鎖模激光器產(chǎn)生1串光頻梳輸入到微波光子信號發(fā)生器中。在微波光子信號發(fā)生器中，光頻梳信號被分成兩路，分別經(jīng)過2個(gè)光濾波器選出2根梳齒，其中1根梳齒調(diào)制上中頻信號，另1根梳齒經(jīng)過頻移后與前1根梳齒合并拍頻，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射信號的產(chǎn)生。通過選擇不同的梳齒可以產(chǎn)生400 MHz~40 GHz頻率步進(jìn)可調(diào)的雷達(dá)發(fā)射信號。在接收端，利用鎖模激光器產(chǎn)生的光脈沖對接收到的雷達(dá)回波進(jìn)行超快采樣。采樣后的信號經(jīng)過光串并轉(zhuǎn)換和時(shí)域拉伸進(jìn)行降速，再進(jìn)入低速電模數(shù)轉(zhuǎn)換器中做進(jìn)一步的量化和編碼。該方案采用了鎖模激光器為雷達(dá)發(fā)射機(jī)提供可重構(gòu)波形，理論上可以產(chǎn)生上百GHz的微波信號，同時(shí)為接收機(jī)的光模數(shù)變換提供超低抖動(dòng)的窄脈沖，避免了混頻器的使用，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度，保證了收發(fā)相差。PHODIR雷達(dá)還進(jìn)行了外場測試，得到了如圖5（b）~（e）所示的結(jié)果。其中圖5（b）為外場測試飛機(jī)的起飛軌道，圖5（c）為A所在點(diǎn)的距離-速度圖，圖5（d）為距離和速度分辨率的放大圖，圖5（e）為未使用編碼時(shí)的距離圖，圖5（f）為使用了13位巴克碼編碼的距離圖。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，未使用編碼前系統(tǒng)的距離分辨率為150 m，速度分辨率為2 km/h。編碼后系統(tǒng)的距離分辨率提升至23 m。該系統(tǒng)的探測距離可達(dá)30 km。

圖5、PHODIR 雷達(dá)及外場測試結(jié)果Fig. 5 Schematic diagram and the field test result of PHODIR

2015年，Bogoni研究組[17]對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，將PHODIR雷達(dá)拓展至雙波段。系統(tǒng)核心是1個(gè)雙波段射頻發(fā)射機(jī)和1個(gè)雙波段射頻接收機(jī)，如圖6所示。在發(fā)射端，鎖模激光器產(chǎn)生的寬譜信號分成3路，分別通過3個(gè)光濾波器選出不同載波的光梳齒，其中第1路被調(diào)制上中頻波形信號，后與第2路和第3 路合并拍頻，拍頻可以得到2 個(gè)載有信息的射頻信號。分兩路由2個(gè)射頻前端進(jìn)行選頻放大，而后經(jīng)過天線發(fā)射出去。在接收端，天線接收到的雷達(dá)回波經(jīng)過選頻放大等操作被重新調(diào)制回鎖模激光器的1個(gè)梳齒上，與另外2根梳齒合并混頻，從而將射頻信號下變頻到中頻。所得到的中頻信號輸入電模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理模塊中進(jìn)一步處理。該研究小組還對PHODIR雙波段雷達(dá)進(jìn)行了外場測試，首先對比了PHODIR 和商用X波段SEAEAGLE 雷達(dá)成像結(jié)果，如圖7所示。圖7（a）為光子雷達(dá)探測到港口圖片，圖7（b）、（c）分別是SEAEAGLE雷達(dá)和雙波段微波光子雷達(dá)X頻段分系統(tǒng)的平面位置指示器圖像，二者符合極好，證明該雙波段雷達(dá)樣機(jī)已達(dá)到了商用先進(jìn)雷達(dá)的性能。隨后又同時(shí)發(fā)射S和X波段波形對港口的一艘輪船進(jìn)行成像和測速，并利用發(fā)射的S和X波段波形內(nèi)在的相參性將兩波形進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，省去了數(shù)據(jù)融合時(shí)復(fù)雜的相位校準(zhǔn)算法，最終等效成帶寬為兩信號帶寬之和的信號。圖8（a）為目標(biāo)的圖像，圖8（b）、（c）分別為S、X波段探測到的一維距離像，圖8（d）是利用融合算法合成的一維距離像。此時(shí)的探測精度相當(dāng)于兩信號帶寬之和對應(yīng)的探測精度，使得圖中顯示出了更多的細(xì)節(jié)。該小組還對更多的非合作目標(biāo)進(jìn)行了合成孔徑成像，如圖8（e）~（j）所示。圖8（e）為空中非合作目標(biāo)波音737，圖8（h）為海上非合作目標(biāo)輪船。圖8（f）和（g）分別為S波段和X波段對圖8（e）的成像結(jié)果，圖8（i）和（j）分別為S波段和X波段對圖8（h）的成像結(jié)果。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于通過同一個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙波段信號的發(fā)射與接收，大大降低了系統(tǒng)對硬件的要求。此外，該系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中使用了同一個(gè)鎖模激光器，保證了收發(fā)的相干性，有利于通過光混頻方法將信號頻率降到中頻處理。然而，要實(shí)現(xiàn)對發(fā)射信號頻率的靈活選擇，要么需要多組特定頻率的雷達(dá)射頻前端，要么需要性能較好的可調(diào)諧電濾波器，這仍然是該系統(tǒng)的挑戰(zhàn)之一。

圖6、基于光子系統(tǒng)的雙波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)Fig. 6 Transmitter and receiver of the dual-band PHODIR

圖7、PHODIR 與商用SEAEAGLE 成像對比Fig. 7 Imaging result comparison between the PHODIR and SEAEAGLE

（a）目標(biāo)的圖像；（b）S 波段探測到的一維距離像；（c）X 波段探測到的一維距離像；（d）利用上述融合算法合成的一維距離像；（e）空中非合作目標(biāo)波音737；（h）海上非合作目標(biāo)輪船；（f）和（g）分別為S 波段和X 波段對（e）的成像結(jié)果；（i）和（j）分別為S 波段和X 波段對（h）的成像結(jié)果

圖8、PHODIR 雙波段雷達(dá)外場測試結(jié)果Fig. 8 Field test results of the dual-band PHODIR

除了對全光多波段雷達(dá)樣機(jī)的探索，Bogoni團(tuán)隊(duì)還研究了雷達(dá)/通信雙用途原型機(jī)[18]，基本框圖如圖9所示。系統(tǒng)中通過一個(gè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生并發(fā)射中心頻率為2.4 GHz、帶寬為20 MHz的雷達(dá)信號測試動(dòng)目標(biāo)“汽車”的距離和速度，同時(shí)通過1個(gè)通信發(fā)射機(jī)發(fā)射4.9 GHz的64-QAM信號用于無線通信。兩信號通過相互獨(dú)立的天線發(fā)射，但被同一個(gè)開槽波導(dǎo)陣列雙波段天線接收，輸入到同一個(gè)射頻接收機(jī)中進(jìn)行處理。通過同時(shí)對兩信號進(jìn)行光下變頻處理。一方面測得了汽車的行駛速度約為50 km/h，距離約為13.8 m，另一方面，在雷達(dá)信號存在的情況下，通信信號的誤差矢量幅度并沒有什么變化，說明兩分系統(tǒng)之間不會(huì)互生干擾。與沒有光電下變頻，直接接收電信號對比，僅有光電電光轉(zhuǎn)換引入的3 dB左右損耗。上述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，說明未來該原型機(jī)能夠利用同一個(gè)光子收發(fā)信機(jī)和天線完成多波段、多制式信號的產(chǎn)生、發(fā)射、接收和檢測，實(shí)現(xiàn)真正意義上軟硬件共享的雷達(dá)/通信一體化系統(tǒng)。除此以外，該研究小組還研究了激光雷達(dá)和射頻雷達(dá)的綜合系統(tǒng)[19]，利用同一個(gè)鎖模激光器分別為激光雷達(dá)和射頻雷達(dá)提供高穩(wěn)定的光源，在節(jié)省硬件資源的同時(shí)，也使得兩雷達(dá)系統(tǒng)可以互為補(bǔ)充，增加了雷達(dá)系統(tǒng)在作戰(zhàn)環(huán)境中的魯棒性。

圖9、雷達(dá)/通信雙用途原型機(jī)原理及測試結(jié)果

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

1.3 俄羅斯微波光子雷達(dá)研究進(jìn)展

俄羅斯也一直在發(fā)展微波光子雷達(dá)技術(shù)，由于其主要論文均由俄文撰寫，國際社會(huì)對其研究進(jìn)展了解甚少，直至2014年俄羅斯最大的無線電子設(shè)備制造商無線電電子技術(shù)聯(lián)合集團(tuán)（KRET）公開宣布，受俄羅斯政府資助開展“射頻光子相控陣”（ROFAR）項(xiàng)目研究。該項(xiàng)目旨在開發(fā)基于光子技術(shù)的通用技術(shù)和核心器件，制造射頻光子相控陣樣機(jī)，用于下一代雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。根據(jù)俄羅斯塔斯社最新報(bào)道稱，ROFAR 采用分布式系統(tǒng)，可以發(fā)射帶寬高達(dá)100 GHz的信號，發(fā)射機(jī)能效大于60%，可以對幾百km外的物體實(shí)現(xiàn)3D成像[20]。相對于傳統(tǒng)雷達(dá)，ROFAR雷達(dá)的系統(tǒng)質(zhì)量降低50%，分辨率可以提升數(shù)10倍。未來，這些射頻光子相控陣單元有望用于俄羅斯“智能蒙皮”計(jì)劃中和第六代戰(zhàn)斗機(jī)上，實(shí)現(xiàn)集無源偵收、有源探測、電子對抗和安全通信多功能于一體的360°全覆蓋掃描以及機(jī)上資源的一體化調(diào)度；ROFAR也有可能安裝在俄羅斯正在研制的飛艇上，利用飛艇大表面優(yōu)勢，將天線陣列分布于蒙皮上，為俄羅斯提供導(dǎo)彈預(yù)警（圖10）。

圖10、ROFAR 雷達(dá)及其可能應(yīng)用的飛艇與戰(zhàn)斗機(jī)Fig. 10 Photos of ROFAR radar, the seaplane and the fighter

1.4 國內(nèi)微波光子雷達(dá)研究進(jìn)展

從公開的報(bào)道來看，國內(nèi)微波光子雷達(dá)的研究可以追溯至21世紀(jì)初，雖然相比美國和歐盟起步略晚，但發(fā)展極為迅速。2013年南京航空航天大學(xué)成立了雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先后開展了基于光纖連接的分布式雷達(dá)[21-22]、超寬帶噪聲雷達(dá)[23-25]、無源雷達(dá)[26]等雷達(dá)系統(tǒng)研究。2017年6月，南京航空航天大學(xué)聯(lián)合中國電子科技集團(tuán)第14研究所研制出了可實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)實(shí)時(shí)成像的微波光子雷達(dá)驗(yàn)證系統(tǒng)[27]，如圖11所示。該系統(tǒng)發(fā)射端利用微波光子倍頻技術(shù)將4.5~6.5 GHz 的線性調(diào)頻信號倍頻到K 波段（18~26GHz），由天線輻射到自由空間。該寬帶信號經(jīng)待測目標(biāo)反射后，由接收天線收集并與參考信號進(jìn)行光混頻去斜，得到僅包含目標(biāo)距離，多普勒頻移等信息的低速信號。通過數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)對待測目標(biāo)的實(shí)時(shí)成像。該系統(tǒng)利用微波光子技術(shù)對接收信號進(jìn)行預(yù)處理，在不損失信息量的前提下極大地壓縮了數(shù)據(jù)量，成功實(shí)現(xiàn)了對小尺寸目標(biāo)的實(shí)時(shí)高分辨成像，成像精度優(yōu)于2 cm。此技術(shù)突破了電子技術(shù)對帶寬與處理速度的限制，能為高精度實(shí)時(shí)雷達(dá)目標(biāo)監(jiān)測提供可靠的技術(shù)支持。課題組還對小型非合作目標(biāo)無人機(jī)進(jìn)行了高清實(shí)時(shí)成像。同期，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所微波成像技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)也完成了基于微波光子技術(shù)的SAR成像研究[28]，其雷達(dá)發(fā)射信號帶寬為600 MHz，對應(yīng)成像分辨率25 cm。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大型非合作目標(biāo)波音737的成像，如圖12所示，有效論證了微波光子雷達(dá)的可行性。清華大學(xué)也報(bào)道了一種用于測距和成像的光子雷達(dá)系統(tǒng)[29]，該系統(tǒng)利用1個(gè)4位光數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生了1個(gè)中心頻率10 GHz，帶寬4 GHz的線性調(diào)頻信號，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射、目標(biāo)反射及接收天線接收后，攜帶上目標(biāo)的距離和速度等信息。該光子雷達(dá)系統(tǒng)的距離精度為5 cm，測速精度為2 m/s。此外，2015年上海交通大學(xué)還報(bào)道了基于鎖模激光器的光子雷達(dá)系統(tǒng)，用于測距[30]，該系統(tǒng)原理如圖13所示，發(fā)射機(jī)利用兩路啁啾的光脈沖拍頻得到中心頻率和帶寬可調(diào)諧的線性調(diào)頻信號，經(jīng)過待測目標(biāo)反射回接收天線，所接收的信號經(jīng)過光電調(diào)制器調(diào)制到光信號的幅度上，再經(jīng)過一段色散光纖進(jìn)行時(shí)域拉伸后輸入光電探測器進(jìn)行包絡(luò)探測，得到攜帶距離信息的信號。在測距實(shí)驗(yàn)中，所產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號中心頻率為10 GHz，帶寬為4 GHz，成功區(qū)分出4 m外相距6 cm的2個(gè)目標(biāo)。

圖11、南京航空航天大學(xué)實(shí)時(shí)成像光子雷達(dá)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)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)

圖12、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所波音737 外場測試ISAR 成像結(jié)果

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

圖13、上海交通大學(xué)光子雷達(dá)樣機(jī)Fig. 13 Photonics radar prototype developed by Shanghai Jiao Tong Univeristy

從上述若干典型微波光子雷達(dá)系統(tǒng)可以看出，微波光子技術(shù)的引入可以大大提升了雷達(dá)系統(tǒng)的性能，例如探測精度得到提升、多波段多功能實(shí)現(xiàn)融合等，但大部分雷達(dá)系統(tǒng)還只是能力演示，難以真正實(shí)用，因此，對微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究與提升仍然是當(dāng)前關(guān)鍵。

2、微波光子雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

雷達(dá)是通過發(fā)射電磁波并接收回波來探測目標(biāo)位置、速度和特性的系統(tǒng)，一般由中控設(shè)備、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等組成，基本原理如圖14所示。波形發(fā)生器產(chǎn)生的雷達(dá)波形與本振信號混頻至所需波段，通過波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束的空間指向控制，經(jīng)由陣列天線輻射到空間。接收時(shí)，接收到的信號經(jīng)過分發(fā)、切換和傳輸，再經(jīng)過波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同空間方向的信號收集，隨后變頻、濾波、數(shù)字化，輸入到信號處理器中進(jìn)一步處理。從上述系統(tǒng)可以看出，雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括高性能本振產(chǎn)生、任意波形產(chǎn)生、混頻、波束形成、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。下面從5方面深入探討微波光子雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖14、傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)原理Fig. 14 Schematic diagram of the traditional radar system

2.1 本振信號光產(chǎn)生

在雷達(dá)系統(tǒng)中，本振信號質(zhì)量的好壞很大程度上決定了發(fā)射信號和接收機(jī)中頻信號的質(zhì)量。一個(gè)高穩(wěn)定低相噪的本振源對弱目標(biāo)探測至關(guān)重要，否則目標(biāo)回波信號將淹沒在噪聲中難以提取。另一方面，本振信號還作為參考信號提取回波信號的延時(shí)，得到目標(biāo)的位置信息等，不穩(wěn)定的信號會(huì)對延時(shí)的測量引入較大誤差，影響雷達(dá)的探測性能。此外，為了降低系統(tǒng)的虛預(yù)警率，本振信號需具有較大的邊模抑制比。隨著下一代雷達(dá)系統(tǒng)對更高載波頻率的需求，傳統(tǒng)的電微波產(chǎn)生方法不斷顯現(xiàn)出其局限性。光電振蕩器（OEO），作為一種產(chǎn)生高頻譜純度微波和毫米波的新型信號源[31]，可產(chǎn)生數(shù)MHz到數(shù)百GHz的高純度微波或毫米波信號，相位噪聲可以達(dá)到接近量子極限的-163 dBc/Hz@10 kHz，是一種非常理想的高性能微波振蕩器。

光電振蕩器的基本結(jié)構(gòu)如圖15所示，主要由激光器、電光調(diào)制器、光電探測器、放大器和帶通濾波器等組成。光源發(fā)出的連續(xù)光信號進(jìn)入電光調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，然后經(jīng)過光纖傳輸后進(jìn)入光電探測器。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡筮M(jìn)入由微波放大器、帶通濾波器組成的選頻、放大鏈路，其中帶通濾波器執(zhí)行選頻操作，抑制不需要的雜波，微波放大器提供微波信號增益。最后微波信號輸入電光調(diào)制器，調(diào)制光源發(fā)出的連續(xù)光信號，形成反饋回路。信號在整個(gè)回路中多次循環(huán)，經(jīng)過不斷光電轉(zhuǎn)換、放大及反饋過程，最終建立起穩(wěn)定的自激振蕩。由于光纖的損耗較低，電光調(diào)制器和光電探測器之間的光纖可以長數(shù)km或數(shù)十km，這將大大提高振蕩腔的儲能時(shí)間，而儲能時(shí)間又正比于振蕩器的品質(zhì)因數(shù)，所以光電振蕩器可以振蕩出超高純度的微波信號。作為比較，傳統(tǒng)微波諧振腔的腔長僅為數(shù)cm，因此光電振蕩器的相位噪聲可有若干數(shù)量級的降低。當(dāng)前國內(nèi)外對光電振蕩器的研究主要集中在4個(gè)方面，一是突破光電器件帶寬的限制實(shí)現(xiàn)高頻微波信號產(chǎn)生，二是實(shí)現(xiàn)超高純度超低相位噪聲信號的產(chǎn)生，三是有效抑制邊模和雜散，四是提升所得信號的頻率穩(wěn)定度。

圖15、光電振蕩器的基本結(jié)構(gòu)Fig. 15 Schematic diagram of the basic structure of OEO

為了實(shí)現(xiàn)高頻微波信號的產(chǎn)生，可以在振蕩器內(nèi)采用新型大帶寬器件，譬如：美國中佛羅里達(dá)大學(xué)采用帶寬70 GHz的電光調(diào)制器和光電探測器以及高精細(xì)度的法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)了最高頻率為60 GHz的光電振蕩器[32]；北京大學(xué)基于布里淵散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了60 GHz的可調(diào)諧光電振蕩器[33]；也可以在光電振蕩器內(nèi)進(jìn)行倍頻，例如南京航空航天大學(xué)微波光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出的基于偏振調(diào)制器的倍頻光電振蕩器等[34-36]。

在光電振蕩器中，輸出信號的相位噪聲主要來源于激光器、光電探測器、放大器等有源器件的熱噪聲、散射噪聲及相對強(qiáng)度噪聲，因此要降低信號的相位噪聲，可以通過優(yōu)化各器件（如激光器、調(diào)制器、探測器、放大器等）的參數(shù)與工作狀態(tài)（偏壓、增益、飽和、非線性等），并結(jié)合使用長光纖環(huán)路（因長光纖會(huì)帶來衰減、非線性、色散等，并非越長越好）[37]。

為了獲得高的邊模抑制比，最直接的方法是采用很窄的濾波器濾除邊模。但是為了得到高Q 值，通常需要選取長光纖，這就使得振蕩模式間隔極小，普通的電濾波器或光濾波器很難濾除所有的邊模。通常的解決辦法是構(gòu)建2個(gè)或多個(gè)環(huán)路，利用游標(biāo)卡尺效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)邊模的有效抑制[38-39]。還有一種方法是用超高Q 值的光濾波器，如相移-光纖布拉格光柵（PS-FBG）[40]、法布里-珀羅（F-P）腔、回音壁模式諧振器等[41-42]。這種光濾波器既可以精細(xì)濾波，本身也是一種良好的儲能器件，因而可以代替長光纖，這使得光電振蕩器的結(jié)構(gòu)極為緊湊，甚至可以集成[42]。還可以采用耦合式光電振蕩器結(jié)構(gòu)，通過主動(dòng)鎖模光纖激光器環(huán)路提高振蕩器的Q 值，從而避免長光纖的使用[39,43]。此外，基于外部注入鎖定的光電振蕩器通過將OEO的振蕩模式引導(dǎo)至外部注入信號頻率處，并形成振蕩。由于注入信號的激勵(lì)作用，OEO的邊模可被極大抑制[44]。

由于OEO的環(huán)路主要由光纖構(gòu)成，其腔長容易受到環(huán)境的溫度、應(yīng)力等影響發(fā)生變化，直接造成起振基頻的變化，從而使輸出頻率發(fā)生漂移或跳頻。當(dāng)前維持光電振蕩器穩(wěn)定振蕩的主要思路是將其小型化并加以適當(dāng)?shù)逆i相環(huán)、工程封裝和溫度控制。例如，OEwaves公司開發(fā)了一種可集成的回音廊模式諧振器代替光纖形成高Q 值振蕩腔，已將OEO向?qū)嵱没七M(jìn)[45]；歐洲空間局提出采用對溫度不敏感的特殊光纖（如實(shí)芯光子晶體光纖）代替普通單模光纖，降低振蕩腔對環(huán)境的敏感度；同時(shí)，美國空軍實(shí)驗(yàn)室使用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光電振蕩器的頻率穩(wěn)定輸出[46]。

國內(nèi)對光電振蕩器的研究稍晚于國外，且研究更多地集中于基于光電振蕩器分立器件系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。清華大學(xué)婁采云課題組[47]首先將光電振蕩器應(yīng)用于時(shí)鐘提取與分頻研究中。天津大學(xué)于晉龍等[48]基于光偏振復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)新型雙環(huán)OEO。此外，北京大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、東南大學(xué)等國內(nèi)多個(gè)高校和研究所在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下，也對光電振蕩器進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)的光電振蕩器，形成了若干樣機(jī)，并用于碼型轉(zhuǎn)化、射頻上下變頻、時(shí)鐘恢復(fù)等信號處理單元中。圖16為南京航空航天大學(xué)構(gòu)建的基于注入鎖定及鎖相技術(shù)的光電振蕩器原理樣機(jī)。該樣機(jī)的輸出頻率為10 GHz，1 kHz 頻偏處的相位噪聲低于-125 dBc/Hz，10kHz頻偏處的相位噪聲低于-148 dBc/Hz，雜散抑制比>80 dBc，阿倫方差@1 s為10-12。

圖16、南京航空航天大學(xué)的10 GHz 超低相噪光電振蕩器Fig. 16 Photos and phase noise of the ultra-low phase noise OEO of NUAA

2.2 雷達(dá)波形的光學(xué)產(chǎn)生

在雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射信號的功率、時(shí)寬、帶寬、編碼形式等參數(shù)決定了系統(tǒng)的探測距離、探測精度和抗干擾能力。隨著下一代雷達(dá)系統(tǒng)對探測能力的要求越來越高，傳統(tǒng)電子波形產(chǎn)生技術(shù)已越來越難以滿足雷達(dá)系統(tǒng)的需求。當(dāng)前電子較好的技術(shù)水平能生成與處理的信號帶寬往往低于2 GHz。而某些新型雷達(dá)已希望具備5~10 GHz甚至20 GHz以上的超大帶寬信號生成能力，以期達(dá)到cm量級的分辨率，從而大幅提升雷達(dá)系統(tǒng)的識別能力。受益于光子技術(shù)的大帶寬，微波光子技術(shù)提供了超大帶寬雷達(dá)信號產(chǎn)生的可能性。當(dāng)前微波光子雷達(dá)波形產(chǎn)生的思路主要有5種。

第1種是光頻時(shí)映射法。光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一串超窄脈沖（寬譜信號），經(jīng)光頻譜整形器將信號頻譜刻畫成所需信號的時(shí)域形狀，再經(jīng)過色散元件將頻譜形狀映射到時(shí)域，通過光電探測器檢測出時(shí)域包絡(luò)，得到所需要的信號。美國普渡大學(xué)的Weiner課題組[49]對這種方法研究較為深入。加拿大渥太華大學(xué)[50]，國內(nèi)的上海交通大學(xué)[30]、西南交通大學(xué)[51]、南京航空航天大學(xué)[52]等對此都有所研究。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以靈活控制輸出信號的波形，可以產(chǎn)生帶寬高達(dá)50 GHz的超大帶寬信號。但是其局限主要在于所產(chǎn)生信號的時(shí)寬較小，通常只有幾ns，難以滿足遠(yuǎn)距離雷達(dá)的需求。

第2種是光注入半導(dǎo)體激光器法。由于半導(dǎo)體激光器腔長極短（數(shù)百μm量級），從外界注入光功率消耗腔內(nèi)載流子，即可改變諧振腔的等效折射率，進(jìn)而改變諧振波長。這個(gè)特點(diǎn)使得高效、高速操控光信號的頻率、相位和幅度成為可能。若外注入光仍然存在，其波長與激光器諧振波長的間隔在微波波段，則可以產(chǎn)生頻率、相位和幅度可高速調(diào)控的雷達(dá)波形。國際上，加州大學(xué)洛杉磯分校的Liu課題組[53]對此研究較為深入，實(shí)驗(yàn)和理論詳細(xì)研究了光注入半導(dǎo)體激光器的各種非線性動(dòng)態(tài)特性，并從光譜特性上分析了各種動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的成因。本課題組也基于這種方法提出了寬帶雷達(dá)波形產(chǎn)生方案[54-56]，即通過改變調(diào)制在外注入光上的低速電信號動(dòng)態(tài)地控制注入到激光器的光強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對所產(chǎn)生微波信號瞬時(shí)頻率的控制。改變低速電信號的參數(shù)，則雷達(dá)波形的帶寬、時(shí)寬、重復(fù)頻率、中心頻率、波形種類等參數(shù)均隨之改變，波形切換速度快（<100 ps）。基于這種方法，本課題組使用一個(gè)100 kHz重頻的鋸齒波得到了帶寬大于12 GHz、時(shí)寬大于10 μs的線性調(diào)頻信號[54]；使用多電平階梯波信號得到了高速跳頻微波信號（包括線性遞增序列和科斯塔斯序列等）[55]。

第3種是電光相位調(diào)制與外差法。基本原理是根據(jù)目標(biāo)波形計(jì)算出其相位隨時(shí)間變化的關(guān)系式，然后相位調(diào)制2個(gè)相位相關(guān)的光波長，使相位差等于所需的相位表達(dá)式，最后經(jīng)過光電探測器拍頻即可得到所需的波形。這種方法較為簡單，可以實(shí)現(xiàn)任意波形的產(chǎn)生[57-61]。但它的主要問題在于調(diào)制器所能承受的最大功率有限，調(diào)制系數(shù)較低，所生成信號的時(shí)寬帶寬積受限（通常只有10左右）。為了解決這一問題，提出一種基于分段調(diào)制方法等效提升系統(tǒng)的調(diào)制系數(shù)，得到了中心頻率可連續(xù)調(diào)諧，帶寬為4 GHz，時(shí)寬為1 μs的大時(shí)寬帶寬積線性調(diào)頻信號。相對于未分段情況，這種方法可將時(shí)寬帶寬積提升了500倍以上[62]。

第4種是微波光子倍頻法。將電域產(chǎn)生的波形經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換調(diào)制到光信號上，通過微波光子倍頻技術(shù)增加波形的中心頻率和帶寬。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)合了光電各自的優(yōu)勢：電系統(tǒng)產(chǎn)生窄帶信號已經(jīng)非常成熟，而光技術(shù)的寬帶特性使其在寬帶倍頻方面優(yōu)勢明顯，從而能夠產(chǎn)生高頻大帶寬信號。日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)對此研究較多。實(shí)驗(yàn)最高產(chǎn)生了頻率75~110 GHz、脈沖持續(xù)時(shí)間20 μs、時(shí)寬帶寬積為7×105的線性調(diào)頻信號[63]。也基于這種方法在電域產(chǎn)生時(shí)寬為1 μs的4.5~5.5 GHz和7~8 GHz的線性調(diào)頻信號，利用偏分復(fù)用雙平行馬赫增德爾調(diào)制器得到了4倍頻的18~22 GHz和28~32 GHz的雙波段雷達(dá)發(fā)射波形[64]。

第5種是光數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）法。基本原理是通過設(shè)計(jì)不同的數(shù)字信號序列，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生所需的波形。DAC 根據(jù)其主要結(jié)構(gòu)可以劃分為并行加權(quán)DAC、串行加權(quán)DAC這2種。并行光DAC最早由美國IPITEK公司于2003年提出，利用并行電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了2 bit，80 MSa/s的數(shù)模轉(zhuǎn)換[65]。而串行光DAC 最早由日本電報(bào)電話公司（NTT）于2001年提出，基于加權(quán)延時(shí)疊加實(shí)現(xiàn)了10 GSa/s和2 GSa/s信號速率的數(shù)模轉(zhuǎn)換[66]，并將其應(yīng)用到脈沖信號產(chǎn)生中。清華大學(xué)鄭小平課題組[67]于2015年提出一種基于脈沖整形的并行光數(shù)模轉(zhuǎn)換方案，實(shí)現(xiàn)了10 GSa/s、4 bit的光數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到了15 GHz/30 GHz的鋸齒波和正弦波信號。本課題組于2017年提出一種基于相位調(diào)制和色散的串行光DAC方案[68]，實(shí)驗(yàn)得到了2.5 GSa/s，有效比特?cái)?shù)為3.49的光DAC，利用該DAC產(chǎn)生了三角脈沖、拋物線脈、方形脈沖和鋸齒脈沖。

2.3 信道化接收與混頻

微波光子信道化接收機(jī)在光域?qū)拵У慕邮招盘柗指畹蕉鄠€(gè)窄帶的處理信道中，然后對每個(gè)窄帶信道中的接收信號進(jìn)行光電探測和信號處理。相比傳統(tǒng)信道化接收機(jī)，微波光子信道化具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、較大的承載帶寬和瞬時(shí)帶寬、極低的傳輸損耗等顯著優(yōu)勢。而且信道化本質(zhì)上是1個(gè)多通道并行處理系統(tǒng)，而光域豐富的光譜資源和靈活的復(fù)用手段（例如波分復(fù)用）與此不謀而合，因此微波光子信道化得到了廣泛關(guān)注。

微波光子信道化的實(shí)現(xiàn)原理大致可以分為以下2類，基于頻譜切割的信道化接收機(jī)[69]和基于多通道變頻的信道化接收機(jī)[70]。顧名思義，基于頻譜切割的信道化接收機(jī)就是利用濾波手段直接對調(diào)制到光域的射頻信號進(jìn)行頻譜切割，通過對切割的光信號進(jìn)行光電探測和信號處理，從而實(shí)現(xiàn)信道化。這種方法簡單直觀，難點(diǎn)在于對濾波器的要求較高。目前看來，窄帶、通帶平坦、阻帶抑制比大及濾波邊沿陡峭的濾波器組無論是集成技術(shù)還是分立元件都比較難實(shí)現(xiàn)。此外，由于光電探測將丟失相位信息，因此該信道化方法通常只能實(shí)現(xiàn)對信號有無的判斷，無法得到信號中的信息。基于多通道變頻的信道化接收機(jī)就是將接收信號與多個(gè)不同頻率的本振信號混頻。因?yàn)楸菊裥盘柕念l率在每個(gè)通道內(nèi)不同，所以可以將不同頻率處的頻譜分量下變頻至基帶或者中頻，從而實(shí)現(xiàn)信道化。因?yàn)椴恍枰獙φ{(diào)制的射頻信號直接進(jìn)行頻譜切割，所以基于混頻的信道化方法對濾波器的要求較低，只需要按照光頻梳的間隔進(jìn)行粗粒度的通道劃分。其次，若后端采用相干解調(diào)技術(shù)，可以在信道化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息的提取。但是該方法最終仍受限于數(shù)字信號處理器，因此大瞬時(shí)帶寬的正交處理較難實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)外在微波光子信道化接收機(jī)方面開展了諸多深入研究。針對基于頻譜切割的信道化接收機(jī)，研究重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)一系列高性能的光濾波器。由于光子集成技術(shù)的飛速發(fā)展，集成化的光濾波器成為研究熱點(diǎn)。例如，潘時(shí)龍課題組設(shè)計(jì)了基于多個(gè)微環(huán)的信道化濾波器[71]，通過調(diào)節(jié)微環(huán)參數(shù)改善濾波特性，從而優(yōu)化信道化的性能。澳大利亞皇家墨爾本大學(xué)研制了基于F-P的集成濾波器陣列，用于微波光子信道化接收機(jī)[72]。針對基于混頻的信道化，北京郵電大學(xué)徐坤課題組[73]利用一對相干光頻梳實(shí)現(xiàn)了通道為7、信道帶寬為500 MHz的微波光子信道化接收機(jī)。為了降低對后端數(shù)字信號處理芯片的要求，本課題組提出了基于寬帶微波光子鏡頻抑制混頻的模擬域正交處理方法。與傳統(tǒng)基于數(shù)字正交解調(diào)方法不同的是，該方法利用光90°混波器和雙光電探測器實(shí)現(xiàn)I/Q混頻，將得到的正交中頻信號通過90°微波電橋耦合起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制混頻。借助光混波器平坦的幅相響應(yīng)特性，可在較大帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制比較高的混頻，從而在模擬域?qū)崿F(xiàn)寬帶的雜散抑制，大幅減少后端的計(jì)算量[74]。

基于寬帶微波光子鏡頻抑制混頻，本課題組還提出了一種微波光子一體化射頻前端的總體架構(gòu)[75]，如圖17所示，包括多頻光本振、可編程光處理器、多通道鏡頻抑制混頻3部分。首先在多頻光本振模塊產(chǎn)生2個(gè)間隔不同的光頻梳，1個(gè)作為本振光頻梳，另1 個(gè)作為參考光頻梳來調(diào)制接收的信號。可編程光處理器用于信道選擇，選出想要接收的信道，通過鏡頻抑制混頻，將每個(gè)信道的信號下變頻到基帶或者中頻。由于鏡頻抑制，僅光本振一側(cè)的信號被下變頻，另一側(cè)不會(huì)發(fā)生頻譜交疊。這樣便實(shí)現(xiàn)了同時(shí)多個(gè)載頻寬帶信號的信道化接收，且自動(dòng)變頻到基帶或中頻。以上是信號接收的過程。如果要進(jìn)行信號發(fā)射，可進(jìn)行相反的操作，將基帶或中頻信號上轉(zhuǎn)換到多個(gè)載頻處。該方案實(shí)現(xiàn)了S，X，K，Ku，Ka 5個(gè)波段，鏡頻抑制超過30 dB的多通道陣列一體化無串?dāng)_接收和可重構(gòu)的上變頻發(fā)射。

圖17、微波光子一體化射頻前端Fig. 17 Integrated microwave photonic radio front-end

2.4 光控波束形成網(wǎng)絡(luò)

波束形成主要分為相移法和延時(shí)法2種，基本原理是通過控制陣列天線中各發(fā)射信號的相位或者延時(shí)，使得波束在特定的波前方向干涉相加。盡管基于移相的波控技術(shù)在電學(xué)中已經(jīng)非常成熟，但由于光學(xué)方法具有頻率高、尺寸小、質(zhì)量輕、傳輸損耗小、響應(yīng)快速、抗電磁干擾等特性，因而基于移相的光控波束形成網(wǎng)絡(luò)的報(bào)道仍然很多。這種技術(shù)可以應(yīng)用于對瞬時(shí)帶寬要求較低，但頻率范圍較大的系統(tǒng)中。目前報(bào)道的比較典型的有澳大利亞悉尼大學(xué)Yi課題組[76]提出的基于可編程光處理器的方法，利用可編程光處理器操縱每一路信號的幅度、相位等，實(shí)現(xiàn)了1個(gè)4陣元的波束形成網(wǎng)絡(luò)。本課題組也提出一種基于微波光子移相的波束形成網(wǎng)絡(luò)[77]，實(shí)現(xiàn)了1個(gè)14 GHz、4陣元的相控陣天線。然而相移法對于瞬時(shí)帶寬較大的信號具有波束傾斜效應(yīng)，難以滿足下一代雷達(dá)系統(tǒng)對大帶寬的需求。解決這一問題的方法就是用真時(shí)延替代移相，實(shí)現(xiàn)光控真延時(shí)波束形成[78]。

光控真延時(shí)波束形成的研究首先需要解決的是光控微波延時(shí)的問題。目前，光控微波延時(shí)的方法主要可分為調(diào)節(jié)光器件響應(yīng)函數(shù)和調(diào)節(jié)光載波參數(shù)兩大類。調(diào)節(jié)光器件響應(yīng)函數(shù)是指通過改變光鏈路中的1個(gè)或幾個(gè)器件的光相頻響應(yīng)，改變光群延時(shí)，進(jìn)而控制光波所攜帶微波信號的延時(shí)。具體實(shí)施方式有以下幾種：改變光路徑長度[79]、重構(gòu)相位可編程光濾波器[80]、利用慢光效應(yīng)[81]、熱調(diào)諧光微環(huán)諧振器[82]等。調(diào)節(jié)光載波參數(shù)同樣可以改變光載微波信號的延時(shí)。由于啁啾光纖光柵等光色散元件在不同的光載波波長下的群時(shí)延不同，光載微波信號的延時(shí)可由光波長控制[82-83]。值得注意的是，因?yàn)榇颂幍难訒r(shí)調(diào)節(jié)不改變光色散元件的參數(shù)，需要不同延時(shí)的多路微波信號可通過不同光載波承載而共用一條光延時(shí)鏈路，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可因此而簡化。基于這一原理，本課題組提出一種面向多頻段多波束控制的多功能光真時(shí)延單元[84]，如圖18（a）所示。該單元以光頻件為基礎(chǔ)，通過光濾波器選擇光頻梳的不同梳齒控制各支路上射頻信號的時(shí)延。由于射頻信號的時(shí)延控制和頻率選擇由不同部件實(shí)現(xiàn)，該單元可獨(dú)立地控制不同射頻信號的時(shí)延，使系統(tǒng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)波束的獨(dú)立控制。這種真時(shí)延單元可支持接收和發(fā)送兩種模式，具有較大的靈活性與可重構(gòu)性。

此外，為了充分利用光的并行處理優(yōu)勢，利用有限的元器件將光控微波延時(shí)單元高效組成波束形成網(wǎng)絡(luò)同樣是光控真延時(shí)波束形成的重要研究內(nèi)容[85]。針對平面相控陣系統(tǒng)的二維延時(shí)控制需求，以可調(diào)色散器件為基礎(chǔ)，提出一種緊湊型光控波束形成網(wǎng)絡(luò)[86]。該網(wǎng)絡(luò)可在方位和俯仰2個(gè)維度上以控制延時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)對寬帶射頻波束的靈活控制，其結(jié)構(gòu)如圖18（b）所示。該二維波束形成方案中，對各路信號的二維延時(shí)控制集中于唯一的可調(diào)色散器件中，與國際上常見的兩級延時(shí)調(diào)節(jié)方案相比，該方案的一級延時(shí)調(diào)節(jié)具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)通道均衡等優(yōu)勢。此外，還對小型化緊湊化片上光控波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了基于快慢光拓展光微環(huán)諧振器延時(shí)帶寬的光控波束形成芯片，如圖19所示。

圖18、南京航空航天大學(xué)提出的真延時(shí)單元Fig. 18 True time delay modules developed by NUAA

圖19、光控波束形成芯片F(xiàn)ig. 19 Photo of the optically controlled beamforming chipof NUAA

另一方面，由于光控真延時(shí)波束形成系統(tǒng)突破了信號帶寬的限制，傳統(tǒng)的、面向單音或窄帶信號的測量與評價(jià)方法已不再適用。為充分評估光控波束形成系統(tǒng)處理大瞬時(shí)帶寬信號的性能，本課題組提出一種基于掃頻測量和相關(guān)接收的評估方法[87]。其中，各觀察角度下的掃頻測量可得到波束形成網(wǎng)絡(luò)及天線陣列在關(guān)心頻段中的全部復(fù)頻率響應(yīng)信息；而各觀察角度下相關(guān)接收機(jī)輸出信號的峰值可用來定義一種新的方向圖，這種方向圖可反映激勵(lì)信號頻段內(nèi)的總體頻率響應(yīng)，且對遠(yuǎn)場接收到信號的時(shí)域失真敏感。同時(shí)，為節(jié)約暗室測量的成本，單頻下的方向圖相乘原理也被推廣至寬帶場景，故陣列響應(yīng)可由單陣元頻率相關(guān)方向圖與波束形成網(wǎng)絡(luò)的頻率相關(guān)陣因子相乘而得出。圖20展示了應(yīng)用所提出評估方法在較小暗室下測量大陣列的流程。

圖20、面向?qū)拵盘柕墓饪夭ㄊ纬上到y(tǒng)評估方法

Fig. 20 Performance evaluation method of photonicsbased RF beamforming with large instantaneous bandwidth

2.5 光模數(shù)轉(zhuǎn)換

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)回波的信息提取基本上都在數(shù)字域完成。作為連接模擬域回波和數(shù)字信號間的橋梁，ADC在雷達(dá)接收機(jī)中發(fā)揮著重要的作用。由于ADC孔徑抖動(dòng)等原因，大的模擬帶寬和高的有效位數(shù)在完全基于電子技術(shù)的ADC中難以兼得。因此，電ADC的性能往往成為限制寬帶雷達(dá)發(fā)展的瓶頸。為突破電ADC的帶寬瓶頸，具有大帶寬、抗電磁干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)的光子技術(shù)被引入到ADC系統(tǒng)中，構(gòu)成了光子輔助ADC，使ADC發(fā)展到新的階段。光子輔助ADC最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過40余年的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種光子輔助ADC，將光子技術(shù)應(yīng)用到了信號模擬預(yù)處理、采樣保持、高速實(shí)時(shí)量化等多個(gè)方面。

光域信號預(yù)處理，是指將待轉(zhuǎn)換的模擬電信號調(diào)制到光載波上，利用光器件的超大帶寬實(shí)現(xiàn)對模擬信號的處理，以降低信號模數(shù)變換的難度，目前主要有信號時(shí)域拉伸[88-89]和信號復(fù)制[90-91]2種形式。時(shí)域拉伸型光子輔助ADC首先利用光脈沖在色散介質(zhì)中的展寬來拉伸待轉(zhuǎn)換的模擬信號，這等效為降低信號的瞬時(shí)帶寬，因而采用低速電ADC即可完成信號的采樣和量化。而信號復(fù)制型光子輔助ADC可在光域?qū)ΥD(zhuǎn)換信號或其片段進(jìn)行高質(zhì)量復(fù)制，再將復(fù)制所得的多個(gè)相同信號在時(shí)域或頻域展開，然后通過錯(cuò)位采樣即可獲得等效采樣率的成倍提升。常用的光域信號復(fù)制方式包括時(shí)域上的多級間插[90]和復(fù)制緩存環(huán)[92]，以及頻域上的基于四波混頻效應(yīng)的多波長參量廣播等。

光采樣型光子輔助ADC利用激光脈沖對輸入的電信號進(jìn)行采樣[93]，基本結(jié)構(gòu)如圖21所示。鎖模激光器輸出光脈沖經(jīng)復(fù)用送入電光調(diào)制器，其強(qiáng)度被待轉(zhuǎn)換電信號所調(diào)制，光電探測器將光脈沖序列攜帶的電信號提取出來并送入電ADC進(jìn)行量化。電ADC的高穩(wěn)定度時(shí)鐘信號由鎖模激光器提供。由于電ADC的采樣速率一般較低，可以在光電探測之前對光脈沖序列進(jìn)行串并變換（即解復(fù)用）。這種光采樣ADC利用了鎖模激光器輸出激光脈寬極窄，脈沖間隔時(shí)間抖動(dòng)極小等特性，使傳統(tǒng)電ADC因孔徑抖動(dòng)導(dǎo)致的噪聲和失真大大降低。由于電光調(diào)制器具有幾十GHz的調(diào)制帶寬，光采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)只需選用市場上ENOB高但模擬帶寬較小的電ADC，便可實(shí)現(xiàn)高精度的射頻帶通采樣。

圖21、光采樣型光子輔助ADC 的基本結(jié)構(gòu)Fig. 21 Schematic diagram of the photonic sampled ADC

光子技術(shù)同樣可應(yīng)用于模擬信號的實(shí)時(shí)量化。信號量化的本質(zhì)是將待轉(zhuǎn)換信號的瞬時(shí)幅度映射成多路可供比較器進(jìn)行門限判決的強(qiáng)度脈沖，映射所得的并行支路越多，則量化位數(shù)越高。光量化方案中的這種映射主要由并行多路電光強(qiáng)度調(diào)制或光孤子自頻移效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。在并行多路電光調(diào)制結(jié)構(gòu)中，各支路具有不同的強(qiáng)度調(diào)制特性：不同的半波電壓[94]、有相移的相同半波電壓[95]以及二者的混合[96]。當(dāng)調(diào)制端口輸入的模擬電信號變化時(shí)，各調(diào)制支路輸出的光強(qiáng)按不同的規(guī)律改變，經(jīng)后續(xù)處理即可組合出不同的編碼。而基于光孤子自頻移效應(yīng)的方案[97-98]先用待轉(zhuǎn)換電信號調(diào)制光脈沖串的幅度，再利用頻移與光脈沖幅度的關(guān)系將幅度信息映射到光波長域，最后通過光色散器件將不同波長的光分開。這種方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6位的量化分辨率[99]。

3、結(jié)論與展望

雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中極為重要的軍事裝備，是海、陸、空、天各兵種的“眼睛”。為了擦亮這只“眼睛”，下一代雷達(dá)向著高頻率、超寬帶、多功能一體化方向發(fā)展，以期在提高距離分辨率、改善目標(biāo)識別成像等諸多性能的同時(shí)，又能提高雷達(dá)的隱蔽性與抗干擾性能。微波光子技術(shù)憑借其寬帶、抗電磁干擾等特性，將逐步取代部分傳統(tǒng)電技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。當(dāng)前該領(lǐng)域的研究，已經(jīng)從單元研究向系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)變，全面進(jìn)入了雷達(dá)樣機(jī)研制和功能演示階段。但是微波光子雷達(dá)各關(guān)鍵技術(shù)的融合，系統(tǒng)指標(biāo)的提升，轉(zhuǎn)換能效，動(dòng)態(tài)范圍，可靠性等方面還需進(jìn)一步提高以滿足實(shí)戰(zhàn)系統(tǒng)的需求。尤其是光電集成技術(shù)相對于純電集成技術(shù)還較初步，這必將限制微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。但是科技因未知而美妙，因探索而精彩。通過研究人員在超低相噪光電振蕩器、超寬帶波形產(chǎn)生、多功能信號處理、光控真延時(shí)波束形成網(wǎng)絡(luò)以及各技術(shù)之間融合的探索，一定能推動(dòng)微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的大發(fā)展。