Broadband array radar based on microwave photonic frequency multiplication and de-chirp receiving (Invited)

雷达（Radar）是20世纪最伟大的电子工程发明之一^[1]，它通过发射无线电磁波并接收目标反射回波来获取目标的位置、速度等信息，是人类进行目标探测与识别的重要手段之一。随着探测环境与探测目标的日益复杂与多样，雷达迫切需要具备更高的分辨能力，以实现对目标的精细探测进而完成识别等功能^[2]。然而，受到“电子瓶颈”的限制，传统雷达在工作带宽和信号处理速度等方面面临巨大挑战，越来越难以满足未来复杂环境下的探测需求。微波光子学是融合光子技术与微波技术的新兴交叉学科，主要研究利用光子技术实现宽带微波信号产生、处理、传输与控制的机理、方法及系统性能^[3-5]。微波光子技术满足未来雷达在高频、宽带、多波段等方面的发展需求^[6-7]，能突破传统雷达面临的瓶颈，是极具发展潜力的技术。2013年，意大利科学家成功构建了世界上第一部光子雷达系统^[8]，验证了光子技术在雷达中应用的可行性。自2016年以来，国内清华大学^[9]、上海交通大学^[10]、中国科学院空天信息创新研究院^[11]、空军预警学院^[12]以及南京航空航天大学^[13-14]等单位都报道了微波光子雷达的相关研究成果，证明了微波光子雷达在宽带高分辨探测方面的巨大优势。目前已报道的微波光子雷达能实现的距离分辨率达厘米甚至亚厘米量级^[15-16]。

为了提升雷达角分辨探测能力并实现波束扫描，将微波光子雷达与阵列技术相结合是必然发展趋势^[17]。微波光子阵列雷达不仅具有突出的宽带工作特性，还具备以下几方面优势^[18]：（1）具有低传输损耗和抗电磁干扰能力；（2）利用丰富的光谱资源能实现多维操控与复用；（3）微波光子系统在宽带范围内的幅相特性平坦。早在20世纪70年代，国际上便开展了大量基于光真延时的宽带相控阵研究^[19-22]，目的是克服宽带波束倾斜问题，实现宽带波束扫描。在此后的数十年中，研究人员提出了多种光真延时与光控宽带相控阵的实现方案，并开展了实验验证。然而，基于光真延时的宽带相控阵本质上是通过模拟的方式实现波束控制，此类系统通常面临复杂度高、灵活性差、控制精度不高的问题。近年来，随着微波光子信号处理技术的不断发展，研究人员提出了一些新型的基于光子技术的阵列雷达^[23-29]。其中，基于微波光子倍频与去斜接收的阵列雷达不仅具备突出的宽带信号产生与处理能力，还能充分发挥先进数字信号处理技术的优势，具备灵活数字补偿与处理能力，为宽带阵列雷达的发展提供了新的思路。文中综述了作者在此方面研究的最新进展，首先介绍了基于微波光子倍频与去斜接收的雷达收发单元，然后阐述了基于以上雷达收发单元构建的宽带相控阵雷达与实现数字波束扫描的性能。最后，将阵列形式扩展至多输入多输出（MIMO）阵列，介绍了宽带微波光子MIMO雷达的实现方法并分析了其探测与成像性能。

雷达收发单元是构成阵列雷达的关键部分，其性能参数直接决定了雷达探测精度和探测范围。图1所示为基于微波光子四倍频与去斜接收的雷达收发单元示意图^[30]。半导体激光器（Laser Diode, LD）产生的直流光通过双平行马赫增德尔调制器（Dual-parallel Mach–Zehnder modulator, DPMZM）被任意波形发生器（Arbitrary waveform generator, AWG）产生的中频线性调频信号（Intermediate-frequency linearly frequency modualted signal, IF-LFM）调制。其中，DPMZM由两个马赫增德尔子调制器（Mach-Zehnder modulator, MZM）构成，输入其中的光信号被分成两路分别送入两个子调制器。AWG产生的中频线性调频信号经过90° Hybrid后得到相位差为90°的两路信号，分别驱动DPMZM的两个子调制器。调节两个子调制器的偏置电压使其均工作在最大强度传输点，同时将DPMZM干涉臂偏置于最小强度传输点，输出的光信号主要包含±2阶调制光边带。此信号经光耦合器（Optical coupler, OC）分成两路后，一路送入光电探测器（Photodetector, PD）完成光电转换，另一路作为参考信号（REF）用于去斜接收处理。使用带通滤波器（Electrical band-pass filter, EBPF）滤除PD输出信号中的直流分量和高次谐波后，得到线性调频信号的频率和带宽均为中频信号的四倍，即通过微波光子四倍频方法得到了宽带雷达发射信号。产生的雷达信号经功率放大器（Power amplifier, PA）后被天线发射至探测空间。

Figure 1.  The broadband radar transceiver based on microwave photonic frequency multiplication and de-chirp receiving

雷达回波信号经接收天线收集并通过低噪声放大器（Low-noise amplifier, LNA）后，用于驱动一个MZM，对参考信号（REF）进行电光调制。由于回波信号具有一定的时间延迟，由雷达回波调制产生的光边带与参考信号中的光边带存在一个瞬时频率差，经光电探测器（PD）进行光边带混频并完成低通滤波（Low-pass filter, LPF）后，可以得到此频率差对应的时域信号。使用模数转换器（Analog-to-digtial converter, ADC）进行采样后，对得到数字信号进行频谱分析可以获得雷达回波的延迟以及目标距离的信息。此过程类似于传统雷达对线性调频信号的去斜处理，如图2所示，但利用微波光子混频完成去斜处理在理论上具有大于50 GHz的带宽处理能力，结合正交平衡微波光子混频方法可以抑制杂散与噪声，具备大于60 dB的动态范围^[31]。微波光子去斜接收的另一个突出优势是可以将宽带雷达回波信息转移至低频去斜信号，能极大降低信号采集、存储与处理方面的硬件需求，进行实时高分辨目标探测。作者基于微波倍频与去斜接收原理，构建了带宽为12 GHz（28~40 GHz）、理论距离分辨率为1.25 cm的Ka波段宽带微波光子雷达，并进行了目标探测实验，实验场景与去斜信号的频谱图如图3所示。可以发现，构建的宽带微波光子雷达能够清晰地分辨出沿雷达距离向间距为1.3 cm的两个目标，证明了其极高的距离分辨能力。

Figure 2.  Principle of de-chirp processing

Figure 3.  (a) Picture showing the detection scenario; (b) Spectra of the de-chirped signal

基于微波光子倍频与去斜接收的雷达收发单元具有宽带工作能力，并且去斜信号的采样率低、数据量小，用于构建阵列雷达时，可以在数字域完成真延时补偿与波束扫描。图4所示为基于微波光子倍频与去斜接收构建的1发N收相控阵雷达结构示意图^[27]。该系统利用DPMZM进行微波光子四倍频调制，得到的光信号经过掺铒光纤放大器（Erbium-doped optical fiber amplifier, EDFA）与光分路器（Optical splitter）后得到N+1路信号，其中1路经光电转换后得到雷达发射信号，其余N路作为参考信号，分别对接收的N路回波信号进行去斜处理，得到的多个去斜信号经低通滤波、采样后完成数字信号处理。在数字信号处理模块中，首先将多路去斜信号进行快速傅里叶变换得到对应的一维距离像，然后以其中一个接收天线对应的一维距离像为参考计算每个天线之间的延时差并进行真延时补偿，得到补偿后的信号为^[27]：

Figure 4.  Setup of the phased array radar based on microwave photonic frequency multiplication and de-chirp receiving

式中：F(·)表示快速傅里叶变换；S_i(t)是第i个接收机接收到的去斜信号（i=1,2,···,N）；τ_i为第i个回波与参考信号对应的延时差；k为发射的线性调频信号的啁啾率；c是信号在空气中的传播速度。这里f=2kr/c是一个与距离相关的函数，能保证对所有探测距离均能完成真延时补偿，从而克服宽带波束倾斜问题。完成数字真延时补偿后，依据阵列的导向矢量，即：

通过改变θ可实现数字波束扫描。需要注意的是，与窄带数字波束扫描中载波频率视为定值的情况不同，公式（2）中的f为需要考虑发射信号的各个频率。

基于以上原理，搭建了1×4的宽带微波光子相控阵雷达，其工作带宽为4 GHz （22~26 GHz），每个接收通道的采样率为500 MSa/s。图5（a）所示为DPMZM四倍频调制后输出的光信号频谱图，可以看出此信号主要包含±2阶调制光边带，光载波的功率抑制比大于20 dB。经过光电转换后得到的线性调频信号频率范围为22~26 GHz，其频谱与时域波形如图5(b)所示。图6（a）为对单个小尺寸金属板进行探测的实验场景图片。在完成真延时数字补偿后进行波束扫描成像，结果如图6（b）所示。需要说明的是，由于使用的天线尺寸较大（间距约为5倍中心波长），导致成像结果中存在栅瓣。对主瓣成像目标进行分析，获得图7所示的距离向与角度向的点扩散函数（Point spread function, PSF），发现距离分辨率与角分辨率分别为3.85 cm和2.68°，与理论值相符。将四个间距较近的小目标依次排开进行多目标探测成像实验，结果如图8所示。可以发现，四个目标可以清晰地分辨出来，进一步证明了微波光子宽带相控阵雷达的高分辨探测能力。

Figure 5.  (a) Optical spectrum of the signal after DPMZM; (b) Spectra and waveform of the transmitted radar signal

Figure 6.  (a) Photograph of the phased array antennas and target; (b) Image constructed by digital beamforming

Figure 7.  Point spread functions along (a) range direction and (b) azimuth direction in the main beam

Figure 8.  Imaging result of multiple targets

MIMO雷达通过发射并接收多通道正交信号实现目标探测，一个M×N的MIMO天线阵列可以等效为具有MN个单元的天线阵列，如图9所示^[32]。因此，MIMO雷达可以通过较少的物理阵元实现较大的等效孔径从而获得较高的角分辨能力。考虑到目前微波光子雷达中器件成本较高，将微波光子技术与MIMO雷达相结合，对于简化微波光子阵列的复杂度以及降低系统成本具有重要意义。此外，微波光子MIMO雷达的优势还体现在具备高分辨探测、高精度参数估计、多波束扫描与多目标跟踪等能力^[32-33]。

Figure 9.  Equivalent MIMO array by the principle of the phase center approximation

图10所示为基于微波光子倍频与去斜接收，并结合光波分复用（WDM）技术构建的M×N微波光子MIMO雷达结构示意图^[24]。其中，M个雷达发射单元利用不同的光载波完成微波光子四倍频，得到不同频率范围的正交多通道雷达发射信号，同时获得用于多通道回波去斜的光参考信号。接收单元收集的多通道回波信号首先与光参考信号进行微波光子混频，经过波分解复用后进行光电转换和低通滤波，从而完成正交多通道回波信号的去斜与分离，最后经过采样后可获得MN路包含目标信息的数字信号。此过程中，为了避免多通道回波去斜信号的混叠与干扰，每个发射机产生的线性调频信号带宽应远大于去斜信号的频率，并且各通道雷达信号的载频应大于相邻通道线性调频信号的初始频率差^[24]。实验搭建了2×2的微波光子MIMO雷达，每个发射通道的信号带宽为4 GHz，实现了误差小于5 cm的目标定位，实验中收发阵列的位置以及目标定位结果如图11所示。

Figure 10.  Schematic diagram of the microwave photonic MIMO radar based on wavelength division multiplexing

Figure 11.  Results of the target location with microwave photonic MIMO radar

上述微波光子MIMO雷达发射阵列需要多个激光器提供光载波，为了降低复杂度与系统成本，可以采用双光频梳拍频的方法同时产生多个不同频段的正交雷达信号^[29]，接收阵列仍通过微波光子混频的方式实现多通道回波去斜与分离。此方法在降低发射阵列复杂度的同时还能提升多路雷达信号的相干性。基于此方法构建了单通道带宽为2 GHz的4×8微波光子MIMO雷达，采用宽带后向投影成像算法完成了二维成像实验。图12所示为实验中的目标实物图与成像结果图。实验中形成的等效32单元均匀线阵的阵元间距为中心波长的一半，因此成像结果不受栅瓣影响。根据距离向和方位向的点散射函数可得此微波光子MIMO雷达的距离分辨率和角度分辨率分别为7.67 cm和2.18°，均与理论值相符。以上结果证明了宽带微波光子MIMO雷达在高精度目标探测与成像方面的优势。

Figure 12.  (a) Picture of the targets; (b) 2D imaging result of the targets

微波光子技术具有高频、宽带、低传输损耗、抗电磁干扰等方面优势，为突破电子瓶颈、发展宽带阵列雷达提供了关键技术支撑。文中综述了作者在基于微波光子倍频与去斜接收的宽带阵列雷达方面的研究进展，从宽带雷达收发单元、宽带相控阵雷达、宽带MIMO雷达三方面展示了此技术在高分辨探测与成像方面的优势。需要指出的是，文中在介绍微波光子相控阵雷达时，强调了针对接收阵列的信号处理技术，并给出了1发4收相控阵探测与成像的实验结果。为实现发射阵列的波束扫描，将进一步研究基于电域中频数字处理结合微波光子倍频实现发射阵列波束成形方法。