微波光子雷达及关键技术 留言

波形发生器产生的雷达波形与本振信号混频至所需波段，通过波束形成网络实现发射波束的空间指向控制，经由阵列天线辐射到空间。接收时，接收到的信号经过分发、切换和传输，再经过波束形成网络实现不同空间方向的信号收集，随后变频、滤波、数字化，输入到信号处理器中进一步处理。

从上述系统可以看出，雷达系统的关键技术包括高性能本振产生、任意波形产生、混频、波束形成、模数转换等。从传统雷达到“全光数字雷达”不是一步到位，可经过以下4步逐渐替代更多环节。

1，采用光子技术辅助射频功能的完成，主要包括利用光纤进行射频信号的远距离传输等；2，采用光子完成复杂的射频功能，包括高频高稳高纯微波信号的光学产生，利用光子技术进行微波信号的移相滤波变频采样等处理；3，光子技术取代部分电技术在雷达系统中发挥作用，主要涉及光控波束形成在部分雷达系统中的应用；4，采用光子技术构建雷达系统，亦即实现全光的雷达收发样机。

光电振荡器(OEO)，作为一种产生高频谱纯度微波和毫米波的新型信号源，可产生数MHz到数百GHz的高纯度微波或毫米波信号，相位噪声可以达到接近量子极限的-163 dBc/Hz@10 kHz，是一种非常理想的高性能微波振荡器。

当前国内外对光电振荡器的研究主要集中在4个方面，一是突破光电器件带宽的限制实现高频微波信号产生，二是实现超高纯度超低相位噪声信号的产生，三是有效抑制边模和杂散，四是提升所得信号的频率稳定度。

受益于光子技术的大带宽，微波光子技术提供了超大带宽雷达信号产生的可能性。当前微波光子雷达波形产生的思路主要有5种。

光频时映射法。光脉冲发生器产生一串超窄脉冲（宽谱信号），经光频谱整形器将信号频谱刻画成所需信号的时域形状，再经过色散元件将频谱形状映射到时域，通过光电探测器检测出时域包络，得到所需要的信号。

光注入半导体激光器法。由于半导体激光器腔长极短（数百μm量级），从外界注入光功率消耗腔内载流子，即可改变谐振腔的等效折射率，进而改变谐振波长。这个特点使得高效、高速操控光信号的频率、相位和幅度成为可能。若外注入光仍然存在，其波长与激光器谐振波长的间隔在微波波段，则可以产生频率、相位和幅度可高速调控的雷达波形。

电光相位调制与外差法。基本原理是根据目标波形计算出其相位随时间变化的关系式，然后相位调制2个相位相关的光波长，使相位差等于所需的相位表达式，最后经过光电探测器拍频即可得到所需的波形。这种方法较为简单，可以实现任意波形的产生 。

微波光子倍频法。将电域产生的波形经过电光转换调制到光信号上，通过微波光子倍频技术增加波形的中心频率和带宽。这种方法的优点在于结合了光电各自的优势：电系统产生窄带信号已经非常成熟，而光技术的宽带特性使其在宽带倍频方面优势明显，从而能够产生高频大带宽信号。

光数模转换(DAC)法。基本原理是通过设计不同的数字信号序列，然后经过数模转换产生所需的波形。DAC 根据其主要结构可以划分为并行加权 DAC、串行加权DAC这2种。

微波光子信道化接收机在光域将宽带的接收信号分割到多个窄带的处理信道中，然后对每个窄带信道中的接收信号进行光电探测和信号处理。微波光子信道化的实现原理大致可以分为以下2类，基于频谱切割的信道化接收机和基于多通道变频的信道化接收机。

波束形成主要分为相移法和延时法2种，基本原理是通过控制阵列天线中各发射信号的相位或者延时，使得波束在特定的波前方向干涉相加。

相移法对于瞬时带宽较大的信号具有波束倾斜效应，解决这一问题的方法就是用真时延替代移相，实现光控真延时波束形成。光控真延时波束形成的研究首先需要解决的是光控微波延时的问题。目前，光控微波延时的方法主要可分为调节光器件响应函数和调节光载波参数两大类。

为突破电ADC的带宽瓶颈，具有大带宽、抗电磁干扰能力强等诸多优点的光子技术被引
入到ADC系统中，构成了光子辅助ADC，使ADC发展到新的阶段。光子辅助ADC，将光子技术应用到了信号模拟预处理、采样保持、高速实时量化等多个方面。

光域信号预处理将待转换的模拟电信号调制到光载波上，利用光器件的超大带宽实现对模拟信号的处理，以降低信号模数变换的难度，目前主要有信号时域拉伸和信号复制2种形式。

光采样型光子辅助ADC利用激光脉冲对输入的电信号进行采样。锁模激光器输出光脉冲经复用送入电光调制器，其强度被待转换电信号所调制，光电探测器将光脉冲序列携带的电信号提取出来并送入电ADC进行量化。 光子技术同样还可应用于模拟信号的实时量化。

微波光子技术的引入可以大大提升了雷达系统的性能，例如探测精度得到提升、多波段多功能实现融合等，但大部分雷达系统还只是能力演示，难以真正实用，因此，对微波光子雷达系统中关键技术的研究与提升仍然是当前关键。