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來源：互聯網

微波光子雷達是由中國成功研制的第一臺樣機，其通過外場非合作目標成像測試獲得了國內首張微波光子雷達成像圖樣。該雷達在圖像分辨率方面達到了國際領先水平，甚至超越了現有技術水平一個數量級。

技術研發

微波光子雷達的研發過程中，研究人員針對雷達總體光子架構設計、雷達信號光子產生和光子壓縮處理，以及成像算法等關鍵環節進行了深入的研究和攻關。通過一系列嚴格的實驗和測試，包括實驗平臺原理驗證、微波暗室回轉工作臺實驗、系統集成聯調和外場試驗，最終實現了對空中隨機目標——波音737飛機的快速成像。所得到的成像工程圖顯示出了極高的分辨率，能夠清晰地分辨出飛機的各個部件，如發動機、尾翼、襟翼導軌及其數量等。據稱，該雷達在外場成像分辨率方面的表現超過了已知報道的所有微波光子雷達，提升了約30倍，并且還有望在未來進一步提高分辨率一個數量級。

歷史沿革

研制背景

未來的戰爭將是地、海、空、天一體化的多維空間立體戰，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，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。雷達作為現代戰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、全天候、復雜環境下發現和跟蹤各種威脅的重要手段，自誕生以來就被廣泛研究。然而，隨著雷達技術的發展，對抗雷達的作戰平臺和作戰方式也得到了長足的發展；同時，隨著飛行器技術的發展，雷達所需探測的目標的特征和電磁特性也日益復雜，使得雷達技術和系統必須不斷發展和演進才能有效發揮作用。傳統雷達基本上屬于單一功能設備，即某一特定雷達只能完成某一種或某一類特定任務，這不可避免會造成一定的缺陷。1、雷達裝備的品種繁多、結構復雜，給研制、生產、使用和維護帶來極大不便，直接影響裝備的通用化和標準化建設；2、作戰中，大量數據從各個性能不同的雷達傳感器送至控制計算機，在系統反應時間上形成薄弱環節，最終影響作戰效能；3、在艦船、飛機、衛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，同時配置多部雷達將帶來嚴重的電磁兼容性等問題，對載荷能力和續航能力提出巨大的挑戰；4、各雷達參數固定，在電子對抗中易被捕獲和壓制，生存能力較低。

如果雷達的工作頻率可以跨越多個波段，一方面雷達的參數在作戰時不易被敵方獲取，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中同時實現或快速切換雷達的功能，使之擁有多種工作模式。此外，大帶寬本身對應著雷達的高分辨率。因此實現集多種功能于一體的新型雷達，研制和試驗多波段寬帶可重構雷達已成為重要的發展趨勢。

意大利

2014年，比薩大學的Bogoni課題組將光生微波和光模數轉換相結合，在世界上首次實現了微波光子雷達原理樣機的研制和試驗。之后還進行過雙波段微波光子雷達的試驗和微波-激光一體化雷達的研究。

美國

早在20世紀80年代末，美國DARPA就開始支持微波光子雷達相關的研究，并形成了一個發展規劃。根據該規劃，微波光子學在雷達系統中的應用將分3個階段。美國DARPA在第1階段開展高線性模擬光鏈路的研究，利用超低損耗的光纖（傳輸損耗僅有0.0002dB/m）取代體積大、質量大、損耗大和易被電磁干擾的同軸電纜。這個階段的典型成果為20世紀70年代末美國莫哈韋沙漠中的“深空網絡”，它由分布在數十km內的多個大型蝶形天線組成，這些天線借助光纖傳輸1.42GHz超穩參考信號，并利用相控陣原理等效成一個巨大的天線。

美國DARPA微波光子雷達第2階段的目標是實現光控（真延時）波束形成網絡，用于替代在寬帶情況下會出現波束傾斜、孔徑渡越等問題的傳統相移波束形成網絡，這個階段的典型成果是1994年美國休斯飛機公司（HughesAircraft）實現的基于光纖波束形成網絡的寬帶共形陣列。在該陣列中，休斯飛機公司采用了電延時和光延時的混合模塊實現對發射信號延時的控制，其中光延時模塊采用的是最簡單的基于光開關的延時模塊。該相控陣系統實現了0.35~2.1GHz范圍內16陣元的±45°范圍內1.31°的角度掃描精度，且在寬帶寬角掃描時沒有觀測到波束傾斜效應。

進入21世紀后，隨著光纖通信的發展，光子技術越來越成熟，光電轉換效率不斷提升，微波光子技術也得到了飛速發展。因而，美國DARPA將微波光子雷達研究第3階段目標定為微波光子信號處理的實現，期望研制出芯片化的微波光子雷達射頻前端。為此美國DARPA設立了諸多項目，包括“高線性光子射頻前端技術”（PHORFRONT），“光子型射頻收發”（P-STAR），“適于射頻收發的光子技術”（TROPHY），“超寬帶多功能光子收發組件”（UL?TRA-T/R），“光任意波形產生”（OAWG），“可重構的微波光子信號處理器”（PHASER）、“大瞬時帶寬AD變換中的光子帶寬壓縮技術”（PHOBIAC），“模擬光信號處理”（AOSP），“高精度光子微波諧振器”（APROPOS）等。

歐盟

不同于美國，歐盟更加關注微波光子雷達系統的研究。防務集團意大利芬梅卡尼卡集團認為微波光子雷達系統的發展要分4步走。第1步，采用光子技術輔助射頻功能的完成，主要包括利用光纖進行射頻信號的遠距離傳輸等；第2步，采用光子完成復雜的射頻功能，包括高頻高穩高純微波信號的光學產生，利用光子技術進行微波信號的移相濾波變頻采樣等處理；第3步，光子技術取代部分電技術在雷達系統中發揮作用，主要涉及光控波束形成在部分雷達系統中的應用；第4步，采用光子技術構建雷達系統，亦即實現全光的雷達收發樣機。

歐盟第1次在雷達系統中測試微波光子技術要追溯到1996年歐洲最大防務電子集團——泰勒斯（Thales）集團完成的光控相控陣樣機。不同于美國休斯飛機公司的光纖波束控制雷達系統，泰勒斯集團的光控相控陣系統采用了空間光延時模塊對信號的延時進行控制。該系統工作于2.5~3.5GHz，擁有16個陣元，可實現5刨刀的延時控制和6bit的相位控制。實驗中完成了2.7~3.1GHz范圍內±20°的波束控制，無波束傾斜效應。此后泰勒斯集團還基于空間光延時實現了緊湊的真延時單元，并進行了外場測試，可實現6~18GHz，掃描角度為±20°的無波束傾斜波束控制。

2013年，意大利國家光子網絡實驗室的Bogoni團隊完成了1個結合微波光子多載波產生、發射和接收的光子雷達收發信機PHODIR，該工作于2014年3月在《Nature》發表。2015年，Bogoni研究組對系統進行了改進，將PHODIR雷達拓展至雙波段。系統核心是1個雙波段射頻發射機和1個雙波段射頻無線電接收機。

俄羅斯

俄羅斯也一直在發展微波光子雷達技術，由于其主要論文均由俄文撰寫，國際社會對其研究進展了解甚少，直至2014年俄羅斯最大的無線電子設備制造商無線電電子技術聯合集團（KRET）公開宣布，受俄羅斯聯邦政府資助開展“射頻光子相控陣”（ROFAR）項目研究。該項目旨在開發基于光子技術的通用技術和核心器件，制造射頻光子相控陣樣機，用于下一代雷達和電子戰系統。ROFAR采用分布式系統，可以發射帶寬高達100GHz的信號，發射機能效大于60%，可以對幾百km外的物體實現3D成像。相對于傳統雷達，ROFAR雷達的系統質量降低50%，分辨率可以提升數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”計劃中和第六代戰斗機上，實現集無源偵收、有源探測、電子對抗和安全通信多功能于一體的360°全覆蓋掃描以及機上資源的一體化調度；ROFAR也有可能安裝在俄羅斯正在研制的飛艇上，利用飛艇大表面優勢，將天線陣列分布于蒙皮上，為俄羅斯提供導彈預警。

中國

中國的微波光子雷達的研究可以追溯至21世紀初，雖然相比美國和歐盟起步略晚，但發展迅速。2013年南京航空航天大學成立了雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室，先后開展了基于光纖連接的分布式雷達、超寬帶噪聲雷達、無源雷達等雷達系統研究。2017年6月，南京航空航天大學聯合中國電子科技集團有限公司第14研究所研制出了可實現小目標實時成像的微波光子雷達驗證系統。該雷達通過外場非合作目標成像測試，獲得中國第一幅微波光子雷達成像圖樣，在圖像分辨率上比國際水平高出一個數量級。

基本組成

與電學雷達體制類似，微波光子雷達分為發射和接收兩大部分。雷達信號光學產生系統產生雷達信號，經過微波光子饋電到達射頻發射前端。在接收端，雷達回波信號經射頻接收前端，進入微波光子接收鏈路，然后經過光模數轉換，再進入數字化處理系統、顯示控制系統，從而形成完整雷達。因雷達體制和功能不同，具體微波光子雷達組成可能不完全相同，但大體上覆蓋了這幾部分。

原理及特點

微波光子雷達采用光子作為信息載體，利用光譜資源的豐富性和光子技術的靈活性，能夠高效地產生并處理雷達寬帶信號。相較于傳統的電子雷達，微波光子雷達具備快速成像、高分辨率和精準的目標辨識能力。這一技術突破克服了傳統雷達受電子器件帶寬限制而導致的分辨率和處理速度提升瓶頸，從而滿足了未來高性能雷達的應用需求。

關鍵技術

雷達系統的關鍵技術包括高性能本振產生、任意波形產生、混頻、波束形成、模數轉換等。微波光子雷達的關鍵技術體現在以下5個方面：

本振信號光產生

在雷達系統中，本振信號質量的好壞很大程度上決定了發射信號和無線電接收機中頻信號的質量。一個高穩定低相噪的本振源對弱目標探測至關重要，否則目標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，得到目標的位置信息等，不穩定的信號會對延時的測量引入較大誤差，影響雷達的探測性能。此外，為了降低系統的虛預警率，本振信號需具有較大的邊模抑制比。隨著下一代雷達系統對更高載波頻率的需求，傳統的電微波產生方法不斷顯現出其局限性。光電振蕩器（OEO），作為一種產生高頻譜純度微波和毫米波的新型信號源，可產生數MHz到數百GHz的高純度微波或毫米波信號，相位噪聲可以達到接近量子極限的-163dBc/Hz@10kHz，是一種非常理想的高性能微波振蕩器。

雷達波形的光學產生

在雷達系統中，發射信號的功率、時寬、帶寬、編碼形式等參數決定了系統的探測距離、探測精度和抗干擾能力。隨著下一代雷達系統對探測能力的要求越來越高，傳統電子波形產生技術已越來越難以滿足雷達系統的需求。截至2017年，電子較好的技術水平能生成與處理的信號帶寬往往低于2GHz。而某些新型雷達已希望具備5~10GHz甚至20GHz以上的超大帶寬信號生成能力，以期達到cm量級的分辨率，從而大幅提升雷達系統的識別能力。受益于光子技術的大帶寬，微波光子技術提供了超大帶寬雷達信號產生的可能性。

信道化接收與混頻

微波光子信道化接收機在光域將寬帶的接收信號分割到多個窄帶的處理信道中，然后對每個窄帶信道中的接收信號進行光電探測和信號處理。相比傳統信道化接收機，微波光子信道化具有較強的抗電磁干擾能力、較大的承載帶寬和瞬時帶寬、極低的傳輸損耗等顯著優勢。而且信道化本質上是1個多通道并行處理系統，而光域豐富的光譜資源和靈活的復用手段（例如波分復用）與此不謀而合，因此微波光子信道化得到了廣泛關注。

光控波束形成網絡

波束形成主要分為相移法和延時法2種，基本原理是通過控制陣列天線中各發射信號的相位或者延時，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在電學中已經非常成熟，但由于光學方法具有頻率高、尺寸小、質量輕、傳輸損耗小、響應快速、抗電磁干擾等特性，因而基于移相的光控波束形成網絡的報道仍然很多。這種技術可以應用于對瞬時帶寬要求較低，但頻率范圍較大的系統中。比較典型的有悉尼大學Yi課題組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，實現了1個4陣元的波束形成網絡。本課題組也提出一種基于微波光子移相的波束形成網絡，實現了1個14GHz、4陣元的相控陣天線。然而相移法對于瞬時帶寬較大的信號具有波束傾斜效應，難以滿足下一代雷達系統對大帶寬的需求。解決這一問題的方法就是用真時延替代移相，實現光控真延時波束形成。

光模數轉換

隨著DSP技術的飛速發展，雷達回波的信息提取基本上都在數字域完成。作為連接模擬域回波和數字信號間的橋梁，ADC在雷達接收機中發揮著重要的作用。由于ADC孔徑抖動等原因，大的模擬帶寬和高的有效位數在完全基于電子技術的ADC中難以兼得。因此，電ADC的性能往往成為限制寬帶雷達發展的瓶頸。為突破電ADC的帶寬瓶頸，具有大帶寬、抗電磁干擾能力強等諸多優點的光子技術被引入到ADC系統中，構成了光子輔助ADC，使ADC發展到新的階段。光子輔助ADC最早出現于20世紀70年代。經過40余年的發展，專家學者提出了多種光子輔助ADC，將光子技術應用到了信號模擬預處理、采樣保持、高速實時量化等多個方面。

應用前景

微波光子雷達因其對目標精細結構和特征的快速識別能力，不僅適用于作戰平臺對小型化目標的實時辨識，還能夠為無人智能設備提供精確的環境信息。這種雷達技術在軍事和民用領域的應用前景廣闊，具有重要的戰略價值。

發展趨勢

雷達是現代戰爭中極為重要的軍事裝備，是海、陸、空、天各兵種的“眼睛”。下一代雷達向著高頻率、超寬帶、多功能一體化方向發展，以期在提高距離分辨率、改善目標識別成像等諸多性能的同時，又能提高雷達的隱蔽性與抗干擾性能。微波光子技術憑借其寬帶、抗電磁干擾等特性，將逐步取代部分傳統電技術在雷達系統中發揮作用。當前該領域的研究，已經從單元研究向系統研究轉變，全面進入了雷達樣機研制和功能演示階段。但是微波光子雷達各關鍵技術的融合，系統指標的提升，轉換能效，動態范圍，可靠性等方面還需進一步提高以滿足實戰系統的需求。尤其是光電集成技術相對于純電集成技術還較初步，這必將限制微波光子雷達系統的應用范圍。通過研究人員在超低相噪光電振蕩器、超寬帶波形產生、多功能信號處理、光控真延時波束形成網絡以及各技術之間融合的探索，一定能推動微波光子雷達系統的大發展。

主要特點

微波光子雷達可克服相控陣雷達的波束傾斜、孔徑渡越以及柵瓣抑制問題，實現大陣列遠程探測、高精度測量和大角度覆蓋。其瞬時帶寬可比傳統寬帶雷達提升數倍，因此成像分辨率也將提高數倍。微波光子雷達采用高穩定光生基準源，比傳統雷達基準源相位噪聲低兩個數量級以上，為低慢小、高快隱目標的探測奠定了基礎。微波光子雷達還可實現在一部雷達上實現探測、跟蹤、成像與目標識別等多功能一體，并快速協同反應。同時，它抗復雜電磁干擾，能實現在復雜環境中對復雜目標的有效探測。

雷達具有全天時全天候對目標探測、成像的能力，在軍事民用上具有廣泛應用。傳統雷達以電子為載體實現信號的產生和處理，分辨率和處理速度因電子器件的帶寬限制而存在提升瓶頸，難以滿足未來應用對高性能雷達的需求。而微波光子雷達，以光子為信息載體，利用豐富的光譜資源和靈活的光子技術，能夠更好、更快地產生和處理雷達寬帶信號，具有快速成像、高分辨率和清晰辨識目標的能力。

研制意義

微波光子雷達對目標精細結構和特征的快速識別，使其不僅能夠應用于作戰平臺對小型化目標的實時辨識，也能為無人智能設備提供準確的環境信息，在軍民兩棲領域具有重要意義。微波光子雷達采用光子學方法產生與處理雷達信號，具有高頻、寬帶、多路并行處理能力強等優勢，有望在高分辨雷達成像與目標識別等領域發揮重要作用。

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