潘時龍，張方正，葉星煒，高彬棟，郭清水

(南京航空航天大學 雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

雷達成像是利用微波毫米波照射目標，并根據(jù)回波計算得到目標微波像的一種先進技術。利用微波毫米波頻段電磁波對雨、雪、煙和霧霾的穿透性，以及雷達的主動探測工作模式，雷達成像已在航天測控、遙感和戰(zhàn)場偵查等方面取得了廣泛的應用[1]。隨著無人駕駛、快速安檢、精確制導等技術的發(fā)展，人們對成像分辨率和實時性要求不斷提升，傳統(tǒng)電子雷達遇到了巨大挑戰(zhàn)。一方面，由于雷達距離向分辨率與信號帶寬之間成反比關系，高分辨成像所需的厘米級或亞厘米級分辨率需要雷達系統(tǒng)產(chǎn)生帶寬達數(shù)吉赫茲甚至數(shù)十吉赫茲的微波毫米波信號，且所產(chǎn)生的寬帶信號需要具有相參性。另一方面，為提升雷達成像的實時性，并減輕后端數(shù)字信號處理系統(tǒng)的處理壓力與功耗，雷達收發(fā)機需要實現(xiàn)對大帶寬微波信號的模擬域實時處理。以上兩方面需求對傳統(tǒng)的基于純電子技術的雷達收發(fā)機提出了巨大挑戰(zhàn)。此外，為了提升雷達成像的方位向/角向分辨率，在合成孔徑雷達(SAR)或逆合成孔徑雷達(ISAR)技術之外，多輸入多輸出(MIMO)技術也被引入雷達成像系統(tǒng)中。這表明：多路正交寬帶信號的產(chǎn)生與處理需要在多個通道并行完成。因此，雷達成像系統(tǒng)迫切需要一種新型技術來構建多通道、大帶寬收發(fā)信機，以適應實時高分辨微波毫米波成像的發(fā)展需求。

近年來取得廣泛關注的微波光子技術，可借助光子學手段實現(xiàn)微波或射頻信號的產(chǎn)生、傳輸及處理等功能，具有高頻、寬帶、體積小、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢[2-4]，被認為是突破傳統(tǒng)電子系統(tǒng)頻率與帶寬限制的有效手段。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微波光子技術已經(jīng)在超低相位噪聲微波源、寬帶微波信號的產(chǎn)生、幅度相位延時控制、上下變頻、低損耗穩(wěn)相傳輸、大帶寬模擬-數(shù)字轉換等方面顯示出了明顯優(yōu)勢，并逐步成為先進雷達系統(tǒng)發(fā)展的重要技術途徑。目前，研究人員已提出并驗證了許多基于微波光子技術的雷達信號產(chǎn)生與處理方案[5-8]，并構建了若干微波光子雷達的系統(tǒng)方案[9-13]，研究結果充分證明了微波光子技術在雷達應用中的巨大潛力。

本文介紹了一種新的具備高分辨率探測與實時信號處理能力的微波光子雷達架構，詳細闡述其系統(tǒng)構成、原理及特點，并展示其在實時高分辨率微波成像上的應用。以此為基礎，本文還將介紹微波光子雷達在MIMO體制下的改進與優(yōu)化。

1 微波光子雷達系統(tǒng)

一種典型的微波光子雷達系統(tǒng)如圖1所示[10]。其發(fā)射機利用微波光子倍頻技術產(chǎn)生寬帶線性調頻信號，接收機利用微波光子混頻技術實現(xiàn)寬帶雷達回波去斜處理。半導體激光器(LD)發(fā)出的直流光被送入一個平行馬赫-曾德爾調制器(DPMZM)。由低速電信號發(fā)生器產(chǎn)生的中頻線性調頻信號(IF-LFM)經(jīng)過一個90°電橋后，得到的兩路信號分別加載于雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個射頻輸入口。通過設置雙平行馬赫-曾德爾調制器的偏置電壓并控制驅動信號的幅度，經(jīng)過雙平行馬赫-曾德爾調制器調制的光信號僅存在±2階調制邊帶[14]。此信號經(jīng)過光耦合器(OC)分為兩路，其中一路經(jīng)過寬帶光電探測器(PD1)得到線性調頻信號(LFM)，其載波與帶寬均為中頻線性調頻信號的4倍，即實現(xiàn)了對中頻線性調頻信號的四倍頻操作。得到的線性調頻信號由電放大器(EA1)進行功率放大，隨后經(jīng)過發(fā)射天線發(fā)射至探測空間。經(jīng)目標反射后的雷達回波信號由接收天線收集，經(jīng)過低噪聲放大器放大后用于驅動電光相位調制器(PM)對光耦合器輸出的另一路信號進行相位調制。此過程中，輸入相位調制器的光信號包含兩個掃頻光載波，經(jīng)過雷達回波信號調制后，會在兩個初始光載波附近產(chǎn)生新的調制邊帶。產(chǎn)生的調制邊帶與初始載波的頻率差取決于雷達回波延時量，因此使用光帶通濾波器(OBPF)濾出一個初始光載波及其附近的調制邊帶，經(jīng)過光電探測器(PD2)拍頻后，得到電信號的頻率正比于雷達回波信號延時，即正比于目標與雷達間的距離[15]。此過程利用微波光子混頻實現(xiàn)寬帶雷達回波信號的去斜處理。經(jīng)過去斜處理后，接收機僅需采用低速模數(shù)轉換器，即可進行實時信號處理。

圖1 一種典型微波光子雷達的原理框圖Fig.1 Schematic diagram of proposed microwave photonics-based radar

此雷達能克服電子器件在工作帶寬方面的限制，在保證超高分辨率的同時實現(xiàn)實時信號處理?；谝陨显?，成功構建了工作帶寬為8 GHz(18～26 GHz)的K波段雷達樣機及工作帶寬為12 GHz(28～40 GHz)的Ka波段雷達樣機[15-16]。其中Ka波段雷達的實測分辨率高達1.3 cm，如圖2所示。實驗中，待測目標為2個三角形角反射器(2個目標之間的擺放距離為1.3 cm，測試結果為1.4 cm)，其與雷達天線間的距離約為0.8 m。

圖2 探測角反射器的實驗裝置及去斜后信號的頻譜Fig.2 Experimental setup for detecting angular reflector and frequency spectrum of de-chirped signals

2 實時高分辨ISAR成像

利用構建的微波光子雷達樣機進行實時高分辨ISAR成像實驗。利用K波段雷達(帶寬8 GHz)進行ISAR成像的結果如圖3所示。實驗中探測目標是由若干2 cm×2 cm×2 cm角反射器分別擺放而成的字母“N”“U”“A”“A”。圖3(a)為實驗中目標擺放的實物圖，擺放面板以約30°傾角安裝在轉速為360 (°)/s的轉臺上，轉臺與雷達天線間的距離約為1.2 m。圖3(b)為雷達樣機的成像結果，成像結果可以清晰地顯示出“N”“U”“A”“A”四個字母。

圖3 成像實驗目標實物與雷達樣機成像結果Fig.3 Photographs of targets and imaging results of prototype radar in experiment

為進一步驗證微波光子雷達的實時高分辨成像特性，利用構建的K波段(帶寬8 GHz)雷達樣機，對葉片裹有錫箔紙的1臺五葉小風扇進行ISAR成像實驗。圖4(a)為小風扇的靜態(tài)圖，每個扇葉的長度和寬度分別為16 cm和6 cm。成像實驗中，雷達天線與目標風扇間的距離為2.35 m，所用轉臺在水平面內(nèi)以2 (°)/ms 的角速度旋轉。經(jīng)微波光子去斜處理后，回波信號中目標對應的頻譜分量位于26 MHz附近。該信號以100 MSa/s的速率進行模數(shù)轉換?？倳r長為100 ms的信號得以存儲，其中每一幀圖像對應的相參累積時間為10 ms，對應的成像速率為100 幀/s。圖4(b)～4(d)分別為第1幀、第2幀與第5幀的成像結果。以上成像結果的二維分辨率優(yōu)于2 cm×2 cm，5個葉片可以清晰地加以區(qū)分。考慮到目前的數(shù)字雷達接收機已經(jīng)能對采樣率為100 MSa/s的數(shù)據(jù)流進行實時處理，快速甚至實時ISAR成像可在搭建的微波光子雷達樣機的基礎上實現(xiàn)。若通過對雷達樣機的簡單調節(jié)使LFM 信號的啁啾率減小，去斜后信號的頻率可進一步降低，這將減小實時成像的難度。

圖4 實時高分辨ISAR成像實驗的成像目標與成像結果Fig.4 Imaging target and results in imaging experiment based on real-time high-resolution ISAR

圖5 外場ISAR成像實驗系統(tǒng)及多幀成像結果Fig.5 Setup and imaging results of prototype ISAR in field experiment

利用構建的K波段微波光子雷達樣機(帶寬8 GHz)，進一步對非合作目標進行外場ISAR成像實驗[17]，結果如圖5所示。此實驗中，成像目標為低空飛行的小型無人機，其機身長150 cm，翼展為180 cm，機翼寬度為20 cm。進行ISAR圖像的計算重構時，每一幀圖像的相參累積時間為40 ms，對應的多普勒頻率分辨率為25 Hz。圖5中4幀連續(xù)的圖像由總時寬為160 ms的數(shù)據(jù)計算得到。從圖5可看出，無人機與雷達天線間的距離約為17 m。無人機的運動可通過4幀圖像中主要部分對應的多普勒頻率，即方位向坐標的變化得到證實。實驗中ISAR成像速率高達25 幀/s，這證明所構建的微波光子雷達在實時高分辨雷達成像實際應用中的可行性。

此外，本文構建了Ka波段微波光子成像雷達(帶寬12 GHz)，并對小型飛機模型進行了ISAR轉臺成像實驗[16]。實驗中轉臺轉速為360 (°)/s，飛機模型機身長為29.2 cm，翼展為32 cm。雷達接收機對去斜信號的采樣率為2.5 MSa/s，進行ISAR成像時的相參累積時間為200 ms。成像結果清晰地顯示出飛機模型的輪廓。

3 微波光子MIMO雷達成像

基于以上微波光子雷達架構，本文提出了一種MIMO微波光子雷達系統(tǒng)，目的是利用空間采樣代替時間采樣，能在相同的累積時間內(nèi)獲得更高的方位向分辨率[18]。微波光子MIMO雷達系統(tǒng)結構如圖6所示。圖中：OC為光耦合器; WDM為波分復用器; EDFA為摻鉺光纖放大器; PD為光電探測器; EA為電放大器; PA為功率放大器; LNA為低噪聲放大器; MZM為馬赫-曾德爾調制器; LPF為電低通濾波器; ADC為模數(shù)轉換器。

該MIMO雷達由M個發(fā)射機和N個接收機基于波分復用結構組合而成。其中M個激光器提供不同中心波長的激光作為光源，分別送入M個DPMZM中。利用低速的任意波形發(fā)生器產(chǎn)生M個帶寬和啁啾率相同但中心頻率不同的中頻線性調頻信號，分別驅動M個DPMZM，并調節(jié)DPMZM的偏壓使其工作在四倍頻模式。M個DPMZM輸出的光信號通過波分復用器(WDM)合并為一路，并送入摻鉺光纖放大器(EDFA)中進行放大。放大后的光信號經(jīng)過光耦合器分成兩路，上路送入寬帶光電探測器中完成光電轉換，下路則經(jīng)過光纖傳輸后送入接收機作為參考信號。上路光信號經(jīng)光電探測器拍頻后產(chǎn)生的電信號經(jīng)過電放大器放大后分成M個分別送入不同中心頻率的電帶通濾波器中，產(chǎn)生M個帶寬相同、中心頻率不同的線性調頻信號。最后，這些線性調頻信號經(jīng)過功率放大后分別由M個發(fā)射天線發(fā)射，被探測目標反射后由N根接收天線接收。每個接收天線接收到回波信號后，在接收機中對其進行去斜處理、多路分離和數(shù)字采樣，獲得M個數(shù)字信號。因為有N根接收天線，所以最終可以得到M×N個數(shù)字信號。在該MIMO雷達系統(tǒng)的每個接收機中，為了確保多通道的去斜信號能被無干擾地分離出來，發(fā)射的M個線性調頻信號的頻率范圍應該滿足以下條件：1)相鄰通道線性調頻信號的起始頻率間的差值應遠大于去斜后信號的頻率值；2)發(fā)射信號的瞬時頻率值應大于相鄰通道間線性調頻信號的初始頻率差值。由于去斜后的信號頻率一般都很低，對寬帶雷達系統(tǒng)來說上述兩個條件都很容易滿足。

為驗證所提出的微波光子MIMO雷達系統(tǒng)的可行性，搭建了一個2×2 MIMO雷達系統(tǒng)，并進行了目標定位實驗。如圖7(a)所示，2根發(fā)射天線 (T1和T2) 分別分布在 (0,0) 和 (20 cm,0)處，2根接收天線(R1和R2) 分別分布在 (90 cm,0)和 (110 cm,0)處。探測目標是一個尺寸為6 cm×4 cm的金屬平板 (T)，目標擺放在距天線陣列2 m左右的任意位置 (x,y)，使目標到天線的距離遠大于兩個發(fā)射(接收)天線的間距。進行3組測量，測量結果如圖7(b) 所示。從圖中可看到，利用該2×2 MIMO雷達系統(tǒng)測試得到的目標位置和實際目標位置十分接近，3組結果的誤差都在5 cm內(nèi)。

圖7 2×2 MIMO雷達系統(tǒng)天線陣列與探測目標坐標位置分布與目標定位測試結果Fig.7 Positions of antenna array and detected target and experimental results obtained with 2×2 MIMO radar

進一步對該MIMO雷達系統(tǒng)的ISAR成像功能進行仿真研究。仿真中MIMO雷達系統(tǒng)工作在30～40 GHz頻段內(nèi)，每個發(fā)射信號都是帶寬為3 GHz、重復頻率為2 kHz的寬帶信號。雷達系統(tǒng)的發(fā)射天線陣列采用文獻[19]中的線性分布：接收天線陣列中相鄰天線間距為5 m，發(fā)射天線陣列與接收天線陣列間距為60 m。探測目標由一系列散射點組成，與雷達的間距為1 km，以100 m/s的速度向與天線陣列平行的方向移動。仿真比較了25 ms相參累積時間內(nèi)傳統(tǒng)單發(fā)單收ISAR、2×2 MIMO-ISAR、2×4 MIMO-ISAR、3×4 MIMO-ISAR的成像結果，如圖8所示。由于4種情況下發(fā)射信號的帶寬相同，每個圖像的距離分辨率十分接近。在圖8(a)所示傳統(tǒng)單發(fā)單收ISAR成像結果中，不同的散射點在多普勒域中無法分辨，與其他圖像相比其方位向分辨率最差。在圖8(b)所示2×2 MIMO-ISAR成像結果中，方位向分辨率有一定的提升；圖8(c)中2×4 MIMO-ISAR成像結果的方位向分辨率更好；圖8(d)中3×4 MIMO-ISAR成像效果最好，能清楚地分辨出每一個散射點。對比上述成像結果可得出：在相同的相參測量時間條件下，與傳統(tǒng)的ISAR系統(tǒng)相比，MIMO-ISAR系統(tǒng)能得到更高的方位向分辨率，可大大提升雷達目標探測成像的性能。

圖8 傳統(tǒng)單發(fā)單收ISAR與MIMO-ISAR成像結果對比Fig.8 Imaging results obtained by conventional monostatic ISAR and MIMO-ISAR system

4 結論

本文闡述了基于微波光子倍頻與混頻實現(xiàn)寬帶微波光子雷達的系統(tǒng)結構與基本原理，并給出了利用此雷達進行實時高分辨雷達成像的實驗結果。研究結果表明：基于微波光子技術的雷達與傳統(tǒng)電子雷達相比具有明顯的帶寬優(yōu)勢，低損耗光纖分配網(wǎng)絡與高隔離度波分復用技術也有利于構建MIMO成像雷達。微波光子技術是發(fā)展新一代具有超高分辨率與實時探測能力雷達系統(tǒng)的重要技術途徑。