基于微波光子技术的可重构雷达系统

曹继明，崇毓华，梅 理，朱宇鹏，段宗明

(1.安徽省天线与微波工程实验室,安徽 合肥 230088;2.中国电子科技集团公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

现代雷达在目标成像、追踪以及目标识别等场景中得到了广泛应用[1-4]。由于实际场景对不同波段的电磁波反射特性不同，特别是对于军事场景中的隐身目标难以做到在连续宽频段范围内都具有隐身能力，因此，对具有在不同工作频段切换能力的可重构雷达展开研究有着重要意义[5-6]。然而，传统电学雷达系统难以做到在一套硬件设备上实现宽频段范围内的工作频段切换。

近年来，微波光子学由于具有低传输损耗、抗电磁干扰和大带宽处理能力等优势，已逐渐被引入到现代雷达系统中用以提升雷达性能[7-13]。意大利研究团队率先研制出了世界上首个光子雷达系统[14]，在发射端利用一个锁模激光器(Mode Locked Laser, MLL)调制不同的微波信号，通过选择调制光边带和MLL不同模式之间进行拍频完成不同波段雷达波形的产生，最终实现了雷达工作频段的可重构。然而该方案的发射信号带宽受限于MLL的模式间隔。南京航空航天大学研究团队提出一种双波段雷达波形产生方案[15]，能够生成中心频率和带宽相对于原始微波信号四倍频的射频微波信号。

图1. 可重构微波光子去调频雷达成像系统原理图Figure 1. The structure of reconfigurable microwave photonics radar based on de-chirp processing

本文提出了一种可重构微波光子去调频雷达成像系统方案。在发射机端，通过级联两个马赫增德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)分别调制本振信号和基带微波信号来控制MZM的直流偏置电压，从而抑制光载波及高阶光边带。然后，结合可编程光滤波器筛选出需要的光边带进行拍频处理。最终，得到中心频率上变频且带宽同时倍频的射频微波信号。该信号作为雷达的发射信号，通过调整本振信号的频率能够灵活改变雷达发射信号的工作频率，实现雷达工作频段的可重构。在接收端，为了实现对高分辨率宽带雷达发射信号的接收，利用一个双平行马赫增德尔调制器实现雷达回波信号的去调频接收。去调频接收技术在获得高分辨率图像的同时缓解了对ADC(Analog to Digital Converters)采样速率的要求[16]，最后得到去调频中频信号通过后续数字信号处理来提取目标的信息。

1 系统结构与原理

本文提出的可重构微波光子去调频雷达成像系统结构如图1所示，整个系统由负责雷达信号产生的发射机模块和负责雷达回波信号接收的雷达接收机模块以及微波天线组成。其中，发射机中通过级联电光调制器和选择适当的本振信号，能够实现原始微波调制信号的倍频和变频处理。接收机中利用双平行电光调制器将雷达的参考和回波信号调制到光载波上，通过相应光边带之间的拍频实现雷达信号的去调频接收。

发射机模块由激光器、两个电光调制器、本振源、宽带调制信号产生模块、可编程光滤波器、光电探测器、滤波器、微波信号放大器和功分器构成。激光器产生的窄线宽连续光载波在电光调制器中被单频本振信号调制，激光器产生的光载波可记为Aoexp(jwot)，而本振源产生的单频微波信号可表示为VLcos(wLt+jL)。通过直流偏置电压的调整，使电光调制器1工作在最小偏置点。在小信号调制情况下，调制光信号中只考虑一阶边带，高阶光边带均可被忽略。则电光调制器1的输出信号可记为

(1)

式中，Ao、VL和wo、wL分别为光载波和本振信号的幅度与角频率；φL为本振信号的初始相位；β1=πVL/Vπ为电光调制器1的调制系数。由式(1)可以看出，光载波和偶阶光边带均被抑制，输出调制光信号中仅存在正负一阶调制光边带，如图1中节点A所示。电光调制器1输出的两个光边带作为新的载波信号输入到电光调制器2中。宽带信号产生模块生成的基带微波信号对光载波信号E1进行强度调制，这里的基带微波信号可表示为

SB=VBcos(ωBt+kπt2)

(2)

式中，VB为基带微波信号的幅度；wB和k分别为微波信号的角频率和调频率。电光调制器2同样工作在最小偏置点，因此其输入的两个光边带均被抑制，电光调制器2输出的光信号可表示为

(3)

式中，β2=πVB/Vπ为电光调制器2的调制系数。由式(3)可看出，输出调制光信号包含基带微波信号的4个调制光边带，电光调制器2输出光谱如图1中节点B所示。调制后的光信号输入到可编程光滤波器中进行光边带选择，通过对可编程光滤波器的控制，选择出调制器2输出的调制光信号中后续需要的光边带，而将其它不需要的光边带进行滤除。最终在光电探测器中进行光电转换，实现原始微波信号的倍频或者变频处理。这里以微波信号的上变频为例，光滤波器选择(wo+wL+wB)和(wo-wL-wB)处的光边带作为上变频拍频所需的两个光边带，输入到光电探测器中进行拍频得到上变频后的微波信号，如图1中节点C所示，其中虚线轮廓表示可编程滤波器的通带。滤波得到的两个光边带在探测器中进行平方律检波得到的光电流可表示为

(4)

其中，R为光电探测器的响应度。经过滤波器滤出杂散后的上变频微波信号可表示为

(5)

从式(5)可以看出，相对于原始基带微波信号，最终得到的微波信号不仅进行了上变频，且带宽也是原始信号的两倍，即同时完成了倍频处理。接着该信号输入到功分器中分为两路，其中一路作为去调频接收的参考信号；另一路经过功率放大后接入发射天线作为雷达发射信号。

当可编程光滤波器选择(wo+wL-wB)和(wo-wL+wB)处光边带通过时，将得到一个角频率为2(wL-wB)的微波信号，且带宽是原始信号两倍的射频信号。相对于原始微波信号的二倍频信号也能够通过控制光滤波器的通带位置来实现。综合前述分析可知，本文所提出的微波光子辅助雷达发射机通过调节本振信号的频率和可编程光滤波器的通带能够实现雷达工作频段的可重构。

对于接收机模块，雷达参考信号和回波信号经过双平行电光调制器调制到光载波上，使调制器工作在最小偏置点，则光载波及高阶光边带可被抑制而忽略。调制信号中可认为仅包含一阶光边带，从而选择参考和回波信号的一阶调制光边带进行光电转换，最终实现去调频接收。具体原理已在文献[13]中有详细介绍，这里不再进行赘述。

2 实验与分析

本文对微波光子可重构雷达进行了实验验证。本振源生成的单频信号频率为4 GHz，任意波形发生器 (Tektronix AWG70002A)产生一个基带线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)波形，它是一个中心频率为4 GHz，带宽为2 GHz，脉冲重复周期为50 ms的LFM连续波信号。该基带微波LFM信号与前述本振信号在雷达发射机模块中产生上变频雷达发射波形，继而产生一个中心频率为16 GHz，带宽为4 GHz的Ku波段LFM信号，变频后脉冲重复周期与原始微波信号一致。本实验通过在发射机端光电探测器之后使用电滤波器选择需要的射频信号来代替可编程光滤波器的作用。上变频后的LFM信号经过放大后输入到Ku波段发射天线。

在接收机端，接收机由激光器、双平行马赫增德尔调制器、光电探测器、低噪声放大器和数据采集模块构成。连续波激光器(RAYPRO)发射的波长为1 550.12 nm，功率为15.96 dBm。来自于激光器的光波输入到双平行马赫增德尔调制器(Fujitsu FTM7962EP)中作为光载波。在实验中，双平行马赫增德尔调制器上下两臂的子MZM均工作在最小偏置点。光电探测器将调制光边带进行光电转换，从而实现去调频接收。去调频中频信号由采样速率为100 MSa·s-1的ADC采集记录。量化后的信号输入到数字信号处理器中进行信号处理以恢复目标的距离和多普勒频率等信息。

为了验证所提出的光子辅助可重构雷达系统，本文采用两个边长为15 cm的三面角反射器 (Trihedral Corner Reflector，TCR)作为目标。首先，将两个角反射器在距离向摆放相差约为70 cm，对这两个角反射器进行距离测量。光子去调频接收机输出的去调频中频信号频谱如图2所示，可以看到，一维频谱图中能观察到对应于两个角反射器相应位置的两个频率峰，根据去调频接收的频率-距离对应公式计算得到测距结果为68.25 cm。作为对比实验，调整原始微波信号的带宽使雷达发射带宽为1 GHz，此时的静态目标距离测量去调频接收频谱如图3所示。在1 GHz探测带宽下两个频率峰相差92 kHz，对应于测量距离69 cm。同时不难看出，在1 GHz下目标所对应的频谱宽度比4 GHz带宽下频谱宽度大得多，这是由发射信号带宽的不同造成的。在线性调频雷达系统中，发射信号带宽越大，雷达距离分辨率也越高，相应脉冲压缩的频谱宽度也越窄。在4 GHz发射带宽下，两个角反射器目标对应频率峰值相差为364 kHz，其约为1 GHz发射带宽下频率差值92 kHz的4倍，与理论值相符。随后，将若干个角反射器摆放成CETC字母形状的模型放置在转台上进行转动目标成像实验，如图4所示，转台转速为(π/15) rad·s-1。字母模型的雷达成像结果如图5所示，成像结果较好地反映了各角反射器目标的相对位置信息。成像结果表明所提出的光子雷达结构具有对动目标进行成像的能力。

图2 两角反4 GHz带宽下测距结果Figure 2.Range measurement of two TCRs at bandwidth of 4 GHz

图3 两角反1 GHz带宽下测距结果Figure 3. Range measurement of two TCRs at bandwidth of 1 GHz

图4 CETC字母模型光学图片Figure 4. Photographs of CETC targets

图5 CETC字母模型成像结果Figure 5.Radar image of CETC targets

3 结束语

本文提出并验证了一种基于可重构微波光子发射机结构的去调频接收雷达系统方案，综合分析了该方案的工作原理，并对提出的系统进行了实验验证。本文所提出的可重构微波光子去调频雷达成像系统，通过一套硬件设备实现了雷达发射波形的可重构，为减小可重构发射波形雷达的体积、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术在可重构雷达系统中的潜力。现代雷达系统为了实现不同功能，需要在不同工作频段上进行切换，如目标搜索、成像以及电子对抗等，微波光子技术在不更改系统硬件的基础上，能够完成雷达工作频段的可重构，从而适应现代雷达性能的需求。微波光子技术凭借其低传输损耗、大处理带宽、抗电磁干扰的优势，在现代雷达系统中将逐步替代传统电子技术在雷达系统中功能模块的作用。研究人员已经在光子变频、光采样、光学真延时以及新体制雷达等方面取得了相关的研究成果，并已开始应用到现代雷达系统中以提升雷达性能。未来将通过对宽带波束形成、光子辅助雷达信号处理、超低相噪光电振荡器和光电集成等关键技术更深入的研究来推动微波光子雷达系统性能的发展。