基于微波光子技術的可重構雷達系統

曹繼明，崇毓華，梅 理，朱宇鵬，段宗明

(1.安徽省天線與微波工程實驗室,安徽 合肥 230088;2.中國電子科技集團公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

現代雷達在目標成像、追蹤以及目標識別等場景中得到了廣泛應用[1-4]。由于實際場景對不同波段的電磁波反射特性不同，特別是對于軍事場景中的隱身目標難以做到在連續寬頻段范圍內都具有隱身能力，因此，對具有在不同工作頻段切換能力的可重構雷達展開研究有著重要意義[5-6]。然而，傳統電學雷達系統難以做到在一套硬件設備上實現寬頻段范圍內的工作頻段切換。

近年來，微波光子學由于具有低傳輸損耗、抗電磁干擾和大帶寬處理能力等優勢，已逐漸被引入到現代雷達系統中用以提升雷達性能[7-13]。意大利研究團隊率先研制出了世界上首個光子雷達系統[14]，在發射端利用一個鎖模激光器(Mode Locked Laser, MLL)調制不同的微波信號，通過選擇調制光邊帶和MLL不同模式之間進行拍頻完成不同波段雷達波形的產生，最終實現了雷達工作頻段的可重構。然而該方案的發射信號帶寬受限于MLL的模式間隔。南京航空航天大學研究團隊提出一種雙波段雷達波形產生方案[15]，能夠生成中心頻率和帶寬相對于原始微波信號四倍頻的射頻微波信號。

圖1. 可重構微波光子去調頻雷達成像系統原理圖Figure 1. The structure of reconfigurable microwave photonics radar based on de-chirp processing

本文提出了一種可重構微波光子去調頻雷達成像系統方案。在發射機端，通過級聯兩個馬赫增德爾調制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)分別調制本振信號和基帶微波信號來控制MZM的直流偏置電壓，從而抑制光載波及高階光邊帶。然后，結合可編程光濾波器篩選出需要的光邊帶進行拍頻處理。最終，得到中心頻率上變頻且帶寬同時倍頻的射頻微波信號。該信號作為雷達的發射信號，通過調整本振信號的頻率能夠靈活改變雷達發射信號的工作頻率，實現雷達工作頻段的可重構。在接收端，為了實現對高分辨率寬帶雷達發射信號的接收，利用一個雙平行馬赫增德爾調制器實現雷達回波信號的去調頻接收。去調頻接收技術在獲得高分辨率圖像的同時緩解了對ADC(Analog to Digital Converters)采樣速率的要求[16]，最后得到去調頻中頻信號通過后續數字信號處理來提取目標的信息。

1 系統結構與原理

本文提出的可重構微波光子去調頻雷達成像系統結構如圖1所示，整個系統由負責雷達信號產生的發射機模塊和負責雷達回波信號接收的雷達接收機模塊以及微波天線組成。其中，發射機中通過級聯電光調制器和選擇適當的本振信號，能夠實現原始微波調制信號的倍頻和變頻處理。接收機中利用雙平行電光調制器將雷達的參考和回波信號調制到光載波上，通過相應光邊帶之間的拍頻實現雷達信號的去調頻接收。

發射機模塊由激光器、兩個電光調制器、本振源、寬帶調制信號產生模塊、可編程光濾波器、光電探測器、濾波器、微波信號放大器和功分器構成。激光器產生的窄線寬連續光載波在電光調制器中被單頻本振信號調制，激光器產生的光載波可記為Aoexp(jwot)，而本振源產生的單頻微波信號可表示為VLcos(wLt+jL)。通過直流偏置電壓的調整，使電光調制器1工作在最小偏置點。在小信號調制情況下，調制光信號中只考慮一階邊帶，高階光邊帶均可被忽略。則電光調制器1的輸出信號可記為

(1)

式中，Ao、VL和wo、wL分別為光載波和本振信號的幅度與角頻率；φL為本振信號的初始相位；β1=πVL/Vπ為電光調制器1的調制系數。由式(1)可以看出，光載波和偶階光邊帶均被抑制，輸出調制光信號中僅存在正負一階調制光邊帶，如圖1中節點A所示。電光調制器1輸出的兩個光邊帶作為新的載波信號輸入到電光調制器2中。寬帶信號產生模塊生成的基帶微波信號對光載波信號E1進行強度調制，這里的基帶微波信號可表示為

SB=VBcos(ωBt+kπt2)

(2)

式中，VB為基帶微波信號的幅度；wB和k分別為微波信號的角頻率和調頻率。電光調制器2同樣工作在最小偏置點，因此其輸入的兩個光邊帶均被抑制，電光調制器2輸出的光信號可表示為

(3)

式中，β2=πVB/Vπ為電光調制器2的調制系數。由式(3)可看出，輸出調制光信號包含基帶微波信號的4個調制光邊帶，電光調制器2輸出光譜如圖1中節點B所示。調制后的光信號輸入到可編程光濾波器中進行光邊帶選擇，通過對可編程光濾波器的控制，選擇出調制器2輸出的調制光信號中后續需要的光邊帶，而將其它不需要的光邊帶進行濾除。最終在光電探測器中進行光電轉換，實現原始微波信號的倍頻或者變頻處理。這里以微波信號的上變頻為例，光濾波器選擇(wo+wL+wB)和(wo-wL-wB)處的光邊帶作為上變頻拍頻所需的兩個光邊帶，輸入到光電探測器中進行拍頻得到上變頻后的微波信號，如圖1中節點C所示，其中虛線輪廓表示可編程濾波器的通帶。濾波得到的兩個光邊帶在探測器中進行平方律檢波得到的光電流可表示為

(4)

其中，R為光電探測器的響應度。經過濾波器濾出雜散后的上變頻微波信號可表示為

(5)

從式(5)可以看出，相對于原始基帶微波信號，最終得到的微波信號不僅進行了上變頻，且帶寬也是原始信號的兩倍，即同時完成了倍頻處理。接著該信號輸入到功分器中分為兩路，其中一路作為去調頻接收的參考信號；另一路經過功率放大后接入發射天線作為雷達發射信號。

當可編程光濾波器選擇(wo+wL-wB)和(wo-wL+wB)處光邊帶通過時，將得到一個角頻率為2(wL-wB)的微波信號，且帶寬是原始信號兩倍的射頻信號。相對于原始微波信號的二倍頻信號也能夠通過控制光濾波器的通帶位置來實現。綜合前述分析可知，本文所提出的微波光子輔助雷達發射機通過調節本振信號的頻率和可編程光濾波器的通帶能夠實現雷達工作頻段的可重構。

對于接收機模塊，雷達參考信號和回波信號經過雙平行電光調制器調制到光載波上，使調制器工作在最小偏置點，則光載波及高階光邊帶可被抑制而忽略。調制信號中可認為僅包含一階光邊帶，從而選擇參考和回波信號的一階調制光邊帶進行光電轉換，最終實現去調頻接收。具體原理已在文獻[13]中有詳細介紹，這里不再進行贅述。

2 實驗與分析

本文對微波光子可重構雷達進行了實驗驗證。本振源生成的單頻信號頻率為4 GHz，任意波形發生器 (Tektronix AWG70002A)產生一個基帶線性調頻(Linear Frequency Modulation，LFM)波形，它是一個中心頻率為4 GHz，帶寬為2 GHz，脈沖重復周期為50 ms的LFM連續波信號。該基帶微波LFM信號與前述本振信號在雷達發射機模塊中產生上變頻雷達發射波形，繼而產生一個中心頻率為16 GHz，帶寬為4 GHz的Ku波段LFM信號，變頻后脈沖重復周期與原始微波信號一致。本實驗通過在發射機端光電探測器之后使用電濾波器選擇需要的射頻信號來代替可編程光濾波器的作用。上變頻后的LFM信號經過放大后輸入到Ku波段發射天線。

在接收機端，接收機由激光器、雙平行馬赫增德爾調制器、光電探測器、低噪聲放大器和數據采集模塊構成。連續波激光器(RAYPRO)發射的波長為1 550.12 nm，功率為15.96 dBm。來自于激光器的光波輸入到雙平行馬赫增德爾調制器(Fujitsu FTM7962EP)中作為光載波。在實驗中，雙平行馬赫增德爾調制器上下兩臂的子MZM均工作在最小偏置點。光電探測器將調制光邊帶進行光電轉換，從而實現去調頻接收。去調頻中頻信號由采樣速率為100 MSa·s-1的ADC采集記錄。量化后的信號輸入到數字信號處理器中進行信號處理以恢復目標的距離和多普勒頻率等信息。

為了驗證所提出的光子輔助可重構雷達系統，本文采用兩個邊長為15 cm的三面角反射器 (Trihedral Corner Reflector，TCR)作為目標。首先，將兩個角反射器在距離向擺放相差約為70 cm，對這兩個角反射器進行距離測量。光子去調頻接收機輸出的去調頻中頻信號頻譜如圖2所示，可以看到，一維頻譜圖中能觀察到對應于兩個角反射器相應位置的兩個頻率峰，根據去調頻接收的頻率-距離對應公式計算得到測距結果為68.25 cm。作為對比實驗，調整原始微波信號的帶寬使雷達發射帶寬為1 GHz，此時的靜態目標距離測量去調頻接收頻譜如圖3所示。在1 GHz探測帶寬下兩個頻率峰相差92 kHz，對應于測量距離69 cm。同時不難看出，在1 GHz下目標所對應的頻譜寬度比4 GHz帶寬下頻譜寬度大得多，這是由發射信號帶寬的不同造成的。在線性調頻雷達系統中，發射信號帶寬越大，雷達距離分辨率也越高，相應脈沖壓縮的頻譜寬度也越窄。在4 GHz發射帶寬下，兩個角反射器目標對應頻率峰值相差為364 kHz，其約為1 GHz發射帶寬下頻率差值92 kHz的4倍，與理論值相符。隨后，將若干個角反射器擺放成CETC字母形狀的模型放置在轉臺上進行轉動目標成像實驗，如圖4所示，轉臺轉速為(π/15) rad·s-1。字母模型的雷達成像結果如圖5所示，成像結果較好地反映了各角反射器目標的相對位置信息。成像結果表明所提出的光子雷達結構具有對動目標進行成像的能力。

圖2 兩角反4 GHz帶寬下測距結果Figure 2.Range measurement of two TCRs at bandwidth of 4 GHz

圖3 兩角反1 GHz帶寬下測距結果Figure 3. Range measurement of two TCRs at bandwidth of 1 GHz

圖4 CETC字母模型光學圖片Figure 4. Photographs of CETC targets

圖5 CETC字母模型成像結果Figure 5.Radar image of CETC targets

3 結束語

本文提出并驗證了一種基于可重構微波光子發射機結構的去調頻接收雷達系統方案，綜合分析了該方案的工作原理，并對提出的系統進行了實驗驗證。本文所提出的可重構微波光子去調頻雷達成像系統，通過一套硬件設備實現了雷達發射波形的可重構，為減小可重構發射波形雷達的體積、重量和功耗提供了一套有效方案。本工作展示了微波光子技術在可重構雷達系統中的潛力。現代雷達系統為了實現不同功能，需要在不同工作頻段上進行切換，如目標搜索、成像以及電子對抗等，微波光子技術在不更改系統硬件的基礎上，能夠完成雷達工作頻段的可重構，從而適應現代雷達性能的需求。微波光子技術憑借其低傳輸損耗、大處理帶寬、抗電磁干擾的優勢，在現代雷達系統中將逐步替代傳統電子技術在雷達系統中功能模塊的作用。研究人員已經在光子變頻、光采樣、光學真延時以及新體制雷達等方面取得了相關的研究成果，并已開始應用到現代雷達系統中以提升雷達性能。未來將通過對寬帶波束形成、光子輔助雷達信號處理、超低相噪光電振蕩器和光電集成等關鍵技術更深入的研究來推動微波光子雷達系統性能的發展。