基于微波光子學(xué)的分布式相參孔徑雷達(dá)

李尚遠(yuǎn) 肖雪迪 鄭小平

(清華大學(xué)電子工程系，北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心 北京 100084)

1 引言

近年來，提高雷達(dá)威力、分辨力、生存性等性能，是應(yīng)對(duì)諸如彈道導(dǎo)彈、無人機(jī)、蛙人、小艇等低雷達(dá)截面積、小尺度的高機(jī)動(dòng)或慢速目標(biāo)威脅的主要手段。采用分布式陣列、以多部雷達(dá)信號(hào)相參的方式對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和高精度成像，可有效提升對(duì)目標(biāo)的信息獲取能力和識(shí)別率。由此形成了一種重要的新體制雷達(dá)架構(gòu)，即分布式相參孔徑雷達(dá)(Distributed Coherent Aperture Radar,DCAR)。

DCAR是指利用多個(gè)空間分離的天線孔徑，向同一區(qū)域輻射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)空間電磁波相參合成的雷達(dá)系統(tǒng)[1—6]。它由N部單元雷達(dá)和1個(gè)中心控制處理系統(tǒng)組成，通過對(duì)空間分布的多個(gè)單元雷達(dá)小孔徑進(jìn)行信號(hào)相干合成，可獲得等效大孔徑的性能，如圖1所示[6]。各天線孔徑在統(tǒng)一的控制下，對(duì)雷達(dá)發(fā)射波形進(jìn)行時(shí)間和相位控制，使各孔徑發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)處干涉疊加達(dá)到極大，獲得最大的發(fā)射相參增益；同時(shí)各接收機(jī)在統(tǒng)一的時(shí)鐘支持下，相參接收目標(biāo)反射到各個(gè)孔徑的回波，獲得最大的接收相參增益。N個(gè)全同天線孔徑進(jìn)行相參合成時(shí)，理論上可以達(dá)到目標(biāo)回波信噪比改善N3的效果[5,6]。在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)搜索和高精度目標(biāo)識(shí)別的同時(shí)，多個(gè)同樣配置的分布式孔徑，還帶來了潛在的單孔徑成本低、系統(tǒng)生存性高、可維護(hù)性強(qiáng)、靈活可擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。而采用高頻寬帶信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度成像，是DCAR的重要發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 分布式相參孔徑雷達(dá)原理圖[6]Fig.1 Schematic diagram of the Distributed Coherent Aperture Radar[6]

如果進(jìn)一步賦予DCAR對(duì)目標(biāo)進(jìn)行雷達(dá)成像的能力、實(shí)現(xiàn)分布式相參孔徑成像雷達(dá)(Distributed Coherent Aperture Imaging Radar, DCAIR)，那么將為目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別提供更為豐富的細(xì)節(jié)特征和依據(jù)，可以使DCAIR更有效地應(yīng)對(duì)低雷達(dá)截面積、小尺度的高機(jī)動(dòng)或慢速目標(biāo)威脅，提高目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別精度。可以說，實(shí)現(xiàn)DCAR是實(shí)現(xiàn)DCAIR的基礎(chǔ)，只有在優(yōu)異的DCAR基礎(chǔ)上，再結(jié)合針對(duì)成像的波形、控制、算法等技術(shù)支撐，才能實(shí)現(xiàn)DCAIR。

本文將首先介紹DCAR的概況、基本原理和國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況；然后結(jié)合DCAR的關(guān)鍵技術(shù)，闡述微波光子技術(shù)與DCAR相融合的途徑；最后介紹清華大學(xué)在基于微波光子學(xué)的DCAR方面的工作。

2 分布式相參孔徑雷達(dá)概況

2.1 發(fā)展歷程

DCAR最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室于2003年提出，旨在實(shí)現(xiàn)高精度目標(biāo)成像，解決地基、海基反導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)移動(dòng)性差、生存能力弱和效費(fèi)比低等問題[1]。2005年，在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)利用2部工作于X波段、帶寬500 MHz的AN/MPS?36雷達(dá)構(gòu)成了分布式相參系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)獲得了9 dB的信噪比增益[1]，成功驗(yàn)證了DCAR的可行性。

2008年，林肯實(shí)驗(yàn)室用前述X波段雷達(dá)和2 GHz帶寬的Ku波段雷達(dá)進(jìn)行了稀疏分布相參成像雷達(dá)的實(shí)驗(yàn)[7]；2014年，研制成功了W波段、帶寬8 GHz的HUSIR雷達(dá)[8]。仿真研究表明，該雷達(dá)能夠在沒有其它信息的支持下，清晰地辨認(rèn)出小尺度的太空目標(biāo)。林肯實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃將該雷達(dá)加入到由X/Ku波段雷達(dá)組成的稀疏DCAR中，構(gòu)建X/Ku/W波段單元雷達(dá)組成的、性能更強(qiáng)大的DCAR，實(shí)現(xiàn)對(duì)空中目標(biāo)的尺寸、形狀、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的識(shí)別，并區(qū)分出復(fù)雜目標(biāo)中的精細(xì)結(jié)構(gòu)[8]。

中國(guó)也有很多單位開展了DCAR的探索研究：

(1) 在DCAR原理驗(yàn)證方面，2011年起，北京無線電測(cè)量研究所進(jìn)行了C波段兩單元雷達(dá)線饋、空饋實(shí)驗(yàn)[4,5,9]，其中空饋實(shí)驗(yàn)中，接收相參時(shí)實(shí)現(xiàn)信噪比增益5.7 dB，收發(fā)全相參時(shí)信噪比增益約8.5 dB[9]，在國(guó)內(nèi)率先驗(yàn)證了分布式相參合成原理的可行性；后針對(duì)民航飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)開展P波段、X波段兩單元雷達(dá)相參合成試驗(yàn)[10—13]，在X波段發(fā)射相參時(shí)的回波幅度改善為5.76 dB，收發(fā)相參時(shí)回波幅度改善均值為11.82 dB，相參合成跟蹤距離比單元雷達(dá)有明顯提升[12,13]。北京理工大學(xué)研究基于步進(jìn)頻信號(hào)的相參合成算法[3,14—16]，搭建Ka波段(帶寬512 MHz)的兩單元DCAR試驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)角反和二面反射鏡目標(biāo)，分別開展暗室和外場(chǎng)試驗(yàn)，在收發(fā)全相參時(shí)實(shí)現(xiàn)了信噪比增益7.4 dB、合成效率68.2%的結(jié)果[17]。

(2) 在DCAR的關(guān)鍵技術(shù)研究中，北京理工大學(xué)等單位開展了時(shí)間與相位同步方面的研究[18—21]。清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)在DCAR的相參參數(shù)估計(jì)算法、幾何布置、相參合成效果的影響因素、相參合成性能監(jiān)控等關(guān)鍵問題上也開展了廣泛研究[22—31]。

2.2 DCAR的基本工作原理

一般來說，DCAR由中心控制處理系統(tǒng)和多部單元雷達(dá)構(gòu)成。每部單元雷達(dá)既可獨(dú)立進(jìn)行搜索、檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別工作；也可在統(tǒng)一控制之下，與其他雷達(dá)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)多部雷達(dá)間的相參合成，完成對(duì)目標(biāo)的相參跟蹤、成像和識(shí)別等任務(wù)[9]。

DCAR的工作可分為3個(gè)模式：獨(dú)立工作模式、接收相參模式、全相參模式[5,6]。

(1) 獨(dú)立工作模式：在該模式下，各單元雷達(dá)獨(dú)立工作，可執(zhí)行搜索、捕獲任務(wù)，也可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行初步的跟蹤和識(shí)別。該模式下，雷達(dá)一般發(fā)射窄帶波形。

(2) 接收相參模式：該模式的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，并為全相參模式獲取相參參數(shù)。各雷達(dá)工作在接收相參下，采用時(shí)分、頻分或者碼分等方式發(fā)射窄帶或?qū)拵У恼徊ㄐ危詤^(qū)分各單元雷達(dá)信號(hào)的回波。其中，發(fā)射正交編碼的波形是最常用的方法：各雷達(dá)單元發(fā)射相互正交的波形，接收本雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的回波、并同時(shí)接收其他所有單元雷達(dá)的回波，進(jìn)而通過對(duì)所有回波的處理，獲得各回波的延時(shí)和相位等參數(shù)。這些參數(shù)為全相參提供必要的相參參數(shù)，其準(zhǔn)確性是收發(fā)波形全相參的保證。此時(shí)，N部雷達(dá)可以獲得N2的信噪比增益。

(3) 全相參模式：在目標(biāo)鎖定、相參參數(shù)測(cè)量完成后，DCAR進(jìn)入全相參模式，各單元雷達(dá)發(fā)射相同的波形，并根據(jù)相參參數(shù)調(diào)整各自的延時(shí)和相位，使各信號(hào)同時(shí)到達(dá)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參。此時(shí)各路信號(hào)同相疊加，信噪比將進(jìn)一步提升N倍，相比單部雷達(dá)獲得N3的信噪比增益。在全相參模式下，目標(biāo)跟蹤全部由中心控制處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并在相參跟蹤的同時(shí)，動(dòng)態(tài)監(jiān)控和調(diào)整相參參數(shù)，保證跟蹤全過程的相參性。

2.3 DCAR的優(yōu)勢(shì)

DCAR與具有相同功率?孔徑積的單天線雷達(dá)或相控陣?yán)走_(dá)相比，具有相同的探測(cè)威力。而最明顯的差異，是DCAR各單元雷達(dá)“分布式”的特征：系統(tǒng)由多部小孔徑的單元雷達(dá)組成，各子孔徑空間分散，可以為整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)帶來諸多優(yōu)勢(shì)[1—8,12]，包括：

在雷達(dá)性能方面：(1)一般采用稀疏布陣，形成的虛擬孔徑大、波束窄，角分辨率高；(2)小孔徑雷達(dá)波束寬、跟蹤指向精度要求低，易于實(shí)現(xiàn)大掃描范圍；(3)孔徑到目標(biāo)路徑不同，有抗大氣擾動(dòng)的能力。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面：(1)單元雷達(dá)的體積小、重量輕、功耗低，可運(yùn)輸、機(jī)動(dòng)靈活，戰(zhàn)場(chǎng)生存性強(qiáng)；(2)可根據(jù)探測(cè)目標(biāo)的情況，靈活配置布陣方式、陣列規(guī)模，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和威力擴(kuò)展；(3)可根據(jù)任務(wù)需求，靈活實(shí)現(xiàn)通信、雷達(dá)探測(cè)等多種功能。

在工程實(shí)現(xiàn)與維護(hù)方面：(1)各子孔徑可采用同樣的設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)難度低、制造容差大，可降低系統(tǒng)的單位功率孔徑積的成本；(2)多部小孔徑雷達(dá)配置相同、復(fù)雜度低，維修保障簡(jiǎn)單、效率高，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)、可用性好。

2.4 DCAR的關(guān)鍵技術(shù)

由DCAR的原理和工作過程可以看到，實(shí)現(xiàn)全相參合成的核心，一是保證各單元雷達(dá)發(fā)射信號(hào)到達(dá)目標(biāo)的相參性和接收處理過程的相參性；二是收發(fā)系統(tǒng)要根據(jù)雷達(dá)工作模式的不同，在可控的時(shí)刻、以可控的頻率和相位、產(chǎn)生并處理可變帶寬和可變波形的信號(hào)。

而要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的成像探測(cè)、為目標(biāo)識(shí)別提供更為豐富的細(xì)節(jié)特征和依據(jù)，則需要雷達(dá)具備更優(yōu)異的方位向和距離向分辨率、具備相參合成孔徑的探測(cè)能力等，這就需要雷達(dá)具有更高的載頻和更大的帶寬。

其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：(1)高精度時(shí)頻分配和同步；(2)分布式相參陣列的設(shè)計(jì)與布陣；(3)高頻、寬帶正交波形的設(shè)計(jì)與相參產(chǎn)生；(4)相參參數(shù)的快速估計(jì)；(5)高頻寬帶信號(hào)的陣列相參接收[9]。

3 微波光子學(xué)與DCAR的融合途徑

3.1 微波光子學(xué)

微波光子學(xué)利用光電子器件組成系統(tǒng)來產(chǎn)生、分配、控制以及處理寬帶微波毫米波信號(hào)。由于光波頻率是微波頻率的103倍以上，寬帶電信號(hào)在光頻段屬于窄帶信號(hào)，利用成熟的信號(hào)處理理論可以很方便地在光域?qū)ξ⒉ㄐ盘?hào)進(jìn)行處理；其次，光子器件具有優(yōu)異的寬帶特性和強(qiáng)大的并行處理能力，可以較方便地實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生、真延時(shí)和高速采樣；同時(shí)，光纖的低損耗特性和寬帶信號(hào)傳輸能力，也使其成為相參時(shí)頻同步分配網(wǎng)唯一可行的方案[32,33]。

3.2 微波光子雷達(dá)

微波光子技術(shù)與雷達(dá)的結(jié)合早已有之，在20世紀(jì)，微波光子技術(shù)主要解決雷達(dá)中的信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸問題。而微波光子學(xué)與雷達(dá)的深度結(jié)合則始于2014年：在歐洲研究院PHODIR、PREPARE、意大利國(guó)防部SOPHIA等項(xiàng)目資助下，文獻(xiàn)[34]在Nature雜志上報(bào)導(dǎo)了國(guó)際上第1個(gè)采用了微波光子器件的雷達(dá)：它利用光學(xué)上變頻和光子輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog?to?Digital Converter, ADC)產(chǎn)生和采樣載頻10 GHz和40 GHz、帶寬13 MHz的雷達(dá)信號(hào)，對(duì)距離5.5 km外的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行2維成像，得到150 m的距離分辨率和2 km/h的速度分辨率，該成果首次證明了微波光子單元技術(shù)在雷達(dá)中應(yīng)用的可行性。

此后，國(guó)內(nèi)研究者也開展研究，提出很多微波光子雷達(dá)方案[35,36]，并在多年研究積累上，充分發(fā)揮微波光子技術(shù)大帶寬的優(yōu)勢(shì)，研制出多種高分辨率成像雷達(dá)。2017年5月，清華大學(xué)在激光與光電子會(huì)議(Conference on Lasers and Electro?Optics,CLEO)上，報(bào)道了基于微波光子寬帶信號(hào)產(chǎn)生的微波光子ISAR成像雷達(dá)，獲得了優(yōu)于0.05 m的成像分辨率[37]。同年，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所、南京航空航天大學(xué)分別報(bào)道了基于微波光子技術(shù)的SAR和ISAR成像雷達(dá)[38,39]。2018年，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、武漢某研究單位等又先后發(fā)表了采用微波光子技術(shù)的W波段超寬帶成像雷達(dá)、MIMO雷達(dá)、以及Ka波段超寬帶成像雷達(dá)等研究成果，驗(yàn)證了微波光子學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)的可行性和高分辨率的優(yōu)勢(shì)[40—42]。

3.3 微波光子技術(shù)應(yīng)用于DCAR的途徑

微波光子學(xué)的研究表明，微波光子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十km范圍內(nèi)、優(yōu)于ps級(jí)的傳輸時(shí)間穩(wěn)定性[43]；可以實(shí)現(xiàn)帶寬10 GHz以上、數(shù)十GHz載頻下的寬帶微波信號(hào)產(chǎn)生[40]；可以實(shí)現(xiàn)寬帶微波毫米波信號(hào)的變頻、濾波等信號(hào)處理[44]；可以實(shí)現(xiàn)頻率、延時(shí)等諸多信號(hào)參數(shù)的全光測(cè)量[45]。這些單元技術(shù)與DCAR的關(guān)鍵技術(shù)匹配，是有可能加以運(yùn)用的。

然而必須要注意到，微波光子單元技術(shù)往往以電信號(hào)為輸入輸出接口，單獨(dú)運(yùn)用時(shí)，其損耗等特性還可以控制在合理的水平。但在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能時(shí)，各功能模塊級(jí)聯(lián)，性能迅速惡化。如何在DCAR中，通過原理的突破和全新的設(shè)計(jì)，將各單元技術(shù)以更高效的方式組合成有機(jī)的整體，將是“微波光子”和“分布式相參孔徑雷達(dá)”結(jié)合過程中面臨的最主要的挑戰(zhàn)。

為此，需要開展微波光子單元技術(shù)的功能集成的研究，即在各功能模塊級(jí)聯(lián)時(shí)，省去其中的光/電、電/光轉(zhuǎn)換過程，降低這些過程引入的損耗，保證微波光子單元技術(shù)與DCAR相結(jié)合時(shí)的性能，例如：高頻寬帶雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生與濾波技術(shù)的功能集成、下變頻與濾波技術(shù)的功能集成，將降低雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生和接收過程的損耗，在保證波形信噪比的同時(shí)，發(fā)揮微波光子技術(shù)在高頻、寬帶方面的優(yōu)勢(shì)。

3.4 我國(guó)開展基于微波光子學(xué)的DCAR研究的情況

2017年起，清華大學(xué)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位，聯(lián)合承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“面向高頻寬帶分布式相參成像雷達(dá)的微波光子學(xué)基礎(chǔ)研究”，瞄準(zhǔn)核心科學(xué)問題、突破微波光子關(guān)鍵技術(shù)，開展系統(tǒng)功能集成、寬帶多通道雷達(dá)波形產(chǎn)生、高精度時(shí)頻分配、高精度光控波束形成、低噪聲高頻寬帶光采樣等單元技術(shù)研究，并建立基于微波光子學(xué)的分布式相參成像雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2018年底，清華大學(xué)首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用微波光子技術(shù)的DCAR系統(tǒng)，在兩通道收發(fā)全相參的工作模式下，獲得8.3 dB的信噪比增益，接近理論的9 dB結(jié)果，本文將重點(diǎn)介紹這一工作[46]。未來，還將進(jìn)一步與雷達(dá)成像相結(jié)合，開展DCAIR中的微波光子技術(shù)研究，提升DCAIR在探測(cè)威力、分辨力、靈活性等多方面的性能。

4 基于微波光子學(xué)原理的DCAR

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于微波光子學(xué)原理的DCAR，是指利用微波光子學(xué)功能模塊實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)雷達(dá)各項(xiàng)功能、實(shí)現(xiàn)分布式相參孔徑合成的雷達(dá)，其基本功能模塊與信號(hào)處理流程與基于電子學(xué)技術(shù)的傳統(tǒng)雷達(dá)完全相同，布陣方式、信號(hào)處理算法也沒有區(qū)別，差異主要體現(xiàn)在單元模塊的實(shí)現(xiàn)方法和模塊間接口上。

圖2為基于微波光子學(xué)原理的DCAR總體架構(gòu)，主要由中心控制處理系統(tǒng)和單元雷達(dá)構(gòu)成。中心控制處理系統(tǒng)包括頻率參考、時(shí)間基準(zhǔn)、中心信號(hào)處理等部分；各單元雷達(dá)采用相同的設(shè)計(jì)，單元雷達(dá)內(nèi)部包括單元控制處理核心(包括單元信號(hào)處理、頻率和時(shí)間管理等)、微波光子發(fā)射機(jī)、微波光子接收機(jī)、射頻收發(fā)前端和天線。

在具體實(shí)現(xiàn)上，目前除了信號(hào)處理、射頻收發(fā)前端和天線外，其他所有模塊既可以全部采用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)(此時(shí)各模塊之間的連接為光纖而不是電纜)；也可部分采用微波光子技術(shù)、部分保留傳統(tǒng)的電子學(xué)技術(shù)，并對(duì)接口做相應(yīng)的調(diào)整。

在整體系統(tǒng)中，盡管功能上較為嚴(yán)格地劃分了“中心控制處理系統(tǒng)”和“單元雷達(dá)”，但在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于各模塊采用光纖作為連接，因此可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，靈活地將各單元雷達(dá)的某些模塊放在中心控制處理系統(tǒng)、甚至在單元雷達(dá)處僅保留光?射頻轉(zhuǎn)換模塊和射頻部分。

圖2 基于微波光子學(xué)原理的DCAR總體架構(gòu)Fig.2 The overall framework of the microwave photonics?based DCAR

4.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1) 總體結(jié)構(gòu)。

為驗(yàn)證基于微波光子學(xué)的DCAR能否提升信噪比、提升多少dB這一關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合DCAR的關(guān)鍵技術(shù)，本文選擇利用微波光子學(xué)實(shí)現(xiàn)圖2所示系統(tǒng)中的“微波光子發(fā)射機(jī)”，并用光纖連接“中心控制處理系統(tǒng)”和“單元雷達(dá)”，其它模塊仍采用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

本文提出了如圖3所示的基于光子學(xué)的寬帶DCAR系統(tǒng)，由中心控制處理系統(tǒng)、基于光纖的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)和N個(gè)單元收發(fā)機(jī)組成。在中心控制處理系統(tǒng)，1個(gè)可重構(gòu)多通道光任意波形發(fā)生器(Reconfigurable Multi?channel Optical Arbitrary Waveform Generator,RMOAWG)由1個(gè)光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Photonic Digital?to?Analog Converter, PDAC)和N個(gè)相位編碼模塊組成，其中光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器用來產(chǎn)生光載線性調(diào)頻波(Linear Frequency Modulation Wave, LFMW)并通過光耦合器(Optical Coupler, OC)分成N路，分別經(jīng)過相位編碼模塊進(jìn)行相位編碼或不編碼，從而產(chǎn)生N通道的光載相位編碼線性調(diào)頻波(Phase?Coded Linear Frequency Modulation Wave,PCLFMW)或LFMW。N通道的光信號(hào)經(jīng)過時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，通過可調(diào)光延時(shí)線(Variable Optical Delay Line, VODL)調(diào)整發(fā)射時(shí)間，并通過光纖傳到遠(yuǎn)端收發(fā)機(jī)，通過光/射頻轉(zhuǎn)換模塊(Optical/RF, O/R)轉(zhuǎn)換為微波PCLFMW或LFMW，并通過天線發(fā)射出去。接收回波經(jīng)過射頻/光轉(zhuǎn)換模塊(RF/Optical,R/O)轉(zhuǎn)換到光域并通過光纖回傳到中心控制處理系統(tǒng)，再經(jīng)過O/R轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換到射頻域，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

(2) 寬帶正交波形產(chǎn)生。

圖3 基于光子學(xué)的寬帶DCAR系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of the photonic?based wideband DCAR system

其中相位編碼模塊由如圖4所示的雙輸出調(diào)制器(Dual?Output Mach?Zehnder Modulator,DOMZM)+平衡探測(cè)器(Balanced Photodetector,BPD)實(shí)現(xiàn)，輸入光載LFMW經(jīng)過DOMZM調(diào)制編碼序列，再經(jīng)過平衡探測(cè)產(chǎn)生脈內(nèi)相位編碼的LFMW。根據(jù)DOMZM的原理，當(dāng)偏置在正交點(diǎn)、且編碼序列打開時(shí)，經(jīng)過BPD可得到PCLFMW，在1個(gè)脈沖寬度內(nèi)，其相位在0和之間跳變[47]。通過設(shè)計(jì)編碼序列，可使N部雷達(dá)產(chǎn)生的PCLFMW正交。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在暗室環(huán)境下，本文用所提寬帶DCAR系統(tǒng)開展空饋實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩單元X?波段DCAR系統(tǒng)進(jìn)行原理驗(yàn)證。采用金屬球作為探測(cè)目標(biāo)，每部雷達(dá)中，產(chǎn)生的寬帶雷達(dá)波形通過喇叭天線發(fā)射；接收回波用另一個(gè)喇叭天線接收，用數(shù)字信號(hào)示波器(DSO81204B，帶寬12 GHz)采集回波并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

(1) 正交波形產(chǎn)生。

圖4 相位編碼模塊Fig.4 Configuration of the phase coding module

圖5 PCLFMW與LFMW的自相關(guān)和互相關(guān)結(jié)果Fig.5 Auto?correlation and cross?correlation of the PCLFMW and LFMW

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了兩路正交波形，第1路為頻率8.5～11.5 GHz、碼率0.5 Gb/s的PCLFMW，第2路為頻率8.5～11.5 GHz的LFMW，其自相關(guān)和互相關(guān)特性如圖5所示。可看出，雷達(dá)的距離分辨率優(yōu)于0.05 m，正交波形之間具有接近30 dB的正交性。

(2) 接收相參模式。

在接收相參模式下，各雷達(dá)產(chǎn)生正交PCLFMW并同時(shí)發(fā)射，每部雷達(dá)都能接收到所有雷達(dá)發(fā)射波形的回波，將各雷達(dá)的接收回波與其發(fā)射波形作匹配濾波，利用波形間的正交性，可區(qū)分各雷達(dá)發(fā)射波形的回波，并計(jì)算出各雷達(dá)到目標(biāo)的距離。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了上述PCLFMW和LFMW，脈沖寬度8 μs，重復(fù)頻率100 kHz。兩部雷達(dá)的測(cè)距結(jié)果如圖6所示，其中藍(lán)色曲線表示單站測(cè)距結(jié)果，即雷達(dá)接收回波與該雷達(dá)發(fā)射波形作匹配濾波的結(jié)果；紅色曲線表示雙站測(cè)距結(jié)果，即雷達(dá)接收回波與另一部雷達(dá)發(fā)射波形作匹配濾波的結(jié)果。從圖6中可看出，雷達(dá)1距離目標(biāo)比雷達(dá)2遠(yuǎn)1.515 m。

(3) 全相參模式。

各雷達(dá)發(fā)射相參的LFMW，并根據(jù)接收相參模式下得到的相參參數(shù)，調(diào)整各雷達(dá)發(fā)射波形的時(shí)間和相位，使各發(fā)射波形能夠同時(shí)到達(dá)目標(biāo)，系統(tǒng)切換到發(fā)射相參模式。由于各雷達(dá)發(fā)射的波形在目標(biāo)處相參疊加，每個(gè)雷達(dá)接收回波的幅度相比于單發(fā)單收提高N倍，功率增益為N2，而噪聲功率不變，因此信噪比增益為N2。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)兩部雷達(dá)的接收回波匹配濾波的結(jié)果如圖7所示，可看到，相比于單發(fā)單收，峰值功率增益分別為5.97 dB和5.92 dB，噪底功率基本不變，信噪比增益接近理論值6 dB。

圖6 雷達(dá)1和雷達(dá)2接收回波匹配濾波結(jié)果Fig.6 The matched?filtering results of radar 1 and radar 2 receiving echo wave

圖7 雷達(dá)1和雷達(dá)2匹配濾波的結(jié)果(藍(lán)色/紅色：發(fā)射相參模式/單發(fā)單收模式)Fig.7 The matched?filtering results of radar 1 and radar 2 (Blue/red line: coherence?on transmit mode/monostatic mode)

最后通過數(shù)字信號(hào)處理，對(duì)兩部雷達(dá)匹配濾波的結(jié)果進(jìn)行延時(shí)和相位的對(duì)齊，并相參疊加完成接收相參，至此實(shí)現(xiàn)了收發(fā)全相參。匹配濾波結(jié)果峰值的功率進(jìn)一步提高N2倍，由于各雷達(dá)接收機(jī)噪聲獨(dú)立，噪底功率提高N倍，信噪比增益為N。因此，全相參相比于單發(fā)單收，信噪比增益為N3。實(shí)驗(yàn)中，全相參與單發(fā)單收匹配濾波的結(jié)果如圖8所示，可看到，雷達(dá)1和雷達(dá)2相比于單發(fā)單收的峰值功率增益分別為11.97 dB和11.96 dB，噪底分別抬高了3.65 dB和3.61 dB，信噪比增益分別為8.32 dB和8.35 dB。

圖8 雷達(dá)1和雷達(dá)2匹配濾波的結(jié)果(藍(lán)色/紅色：全相參模式/單發(fā)單收模式)Fig.8 The matched?filtering results of radar 1 and radar 2 (Blue/red line: full coherence mode/monostatic mode)

5 結(jié)論

清華大學(xué)提出的基于光子學(xué)的DCAR系統(tǒng)，帶寬達(dá)到3 GHz，系統(tǒng)的測(cè)距分辨率在厘米量級(jí)，相比于已報(bào)道的微波DCAR系統(tǒng)，帶寬提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)中利用1個(gè)寬帶微波光子信號(hào)源和多個(gè)低速率的電光調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)多路寬帶正交波形的產(chǎn)生，并支持切換為相參波形，滿足DCAR各個(gè)工作模式的需求。此外，中心控制處理系統(tǒng)用光纖和各分布式單元雷達(dá)相連，可在中心控制處理系統(tǒng)完成雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生和處理，解決微波分布式系統(tǒng)中的傳輸損耗，同時(shí)簡(jiǎn)化遠(yuǎn)端單元雷達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，全相參模式下，最終實(shí)現(xiàn)8.3 dB的信噪比增益。