李尚遠 肖雪迪 鄭小平

(清華大學電子工程系，北京信息科學與技術國家研究中心 北京 100084)

1 引言

近年來，提高雷達威力、分辨力、生存性等性能，是應對諸如彈道導彈、無人機、蛙人、小艇等低雷達截面積、小尺度的高機動或慢速目標威脅的主要手段。采用分布式陣列、以多部雷達信號相參的方式對上述目標進行探測、識別和高精度成像，可有效提升對目標的信息獲取能力和識別率。由此形成了一種重要的新體制雷達架構，即分布式相參孔徑雷達(Distributed Coherent Aperture Radar,DCAR)。

DCAR是指利用多個空間分離的天線孔徑，向同一區(qū)域輻射信號，實現空間電磁波相參合成的雷達系統(tǒng)[1—6]。它由N部單元雷達和1個中心控制處理系統(tǒng)組成，通過對空間分布的多個單元雷達小孔徑進行信號相干合成，可獲得等效大孔徑的性能，如圖1所示[6]。各天線孔徑在統(tǒng)一的控制下，對雷達發(fā)射波形進行時間和相位控制，使各孔徑發(fā)射信號在目標處干涉疊加達到極大，獲得最大的發(fā)射相參增益；同時各接收機在統(tǒng)一的時鐘支持下，相參接收目標反射到各個孔徑的回波，獲得最大的接收相參增益。N個全同天線孔徑進行相參合成時，理論上可以達到目標回波信噪比改善N3的效果[5,6]。在實現遠距離目標搜索和高精度目標識別的同時，多個同樣配置的分布式孔徑，還帶來了潛在的單孔徑成本低、系統(tǒng)生存性高、可維護性強、靈活可擴展等諸多優(yōu)點，受到了國內外研究者的關注。而采用高頻寬帶信號對目標進行高精度成像，是DCAR的重要發(fā)展趨勢。

圖1 分布式相參孔徑雷達原理圖[6]Fig.1 Schematic diagram of the Distributed Coherent Aperture Radar[6]

如果進一步賦予DCAR對目標進行雷達成像的能力、實現分布式相參孔徑成像雷達(Distributed Coherent Aperture Imaging Radar, DCAIR)，那么將為目標探測、識別提供更為豐富的細節(jié)特征和依據，可以使DCAIR更有效地應對低雷達截面積、小尺度的高機動或慢速目標威脅，提高目標探測和識別精度。可以說，實現DCAR是實現DCAIR的基礎，只有在優(yōu)異的DCAR基礎上，再結合針對成像的波形、控制、算法等技術支撐，才能實現DCAIR。

本文將首先介紹DCAR的概況、基本原理和國內外發(fā)展情況；然后結合DCAR的關鍵技術，闡述微波光子技術與DCAR相融合的途徑；最后介紹清華大學在基于微波光子學的DCAR方面的工作。

2 分布式相參孔徑雷達概況

2.1 發(fā)展歷程

DCAR最早由美國麻省理工學院林肯實驗室于2003年提出，旨在實現高精度目標成像，解決地基、?；磳Ю走_系統(tǒng)移動性差、生存能力弱和效費比低等問題[1]。2005年，在白沙導彈靶場利用2部工作于X波段、帶寬500 MHz的AN/MPS?36雷達構成了分布式相參系統(tǒng)，實驗獲得了9 dB的信噪比增益[1]，成功驗證了DCAR的可行性。

2008年，林肯實驗室用前述X波段雷達和2 GHz帶寬的Ku波段雷達進行了稀疏分布相參成像雷達的實驗[7]；2014年，研制成功了W波段、帶寬8 GHz的HUSIR雷達[8]。仿真研究表明，該雷達能夠在沒有其它信息的支持下，清晰地辨認出小尺度的太空目標。林肯實驗室計劃將該雷達加入到由X/Ku波段雷達組成的稀疏DCAR中，構建X/Ku/W波段單元雷達組成的、性能更強大的DCAR，實現對空中目標的尺寸、形狀、姿態(tài)、運動狀態(tài)的識別，并區(qū)分出復雜目標中的精細結構[8]。

中國也有很多單位開展了DCAR的探索研究：

(1) 在DCAR原理驗證方面，2011年起，北京無線電測量研究所進行了C波段兩單元雷達線饋、空饋實驗[4,5,9]，其中空饋實驗中，接收相參時實現信噪比增益5.7 dB，收發(fā)全相參時信噪比增益約8.5 dB[9]，在國內率先驗證了分布式相參合成原理的可行性；后針對民航飛機等運動目標開展P波段、X波段兩單元雷達相參合成試驗[10—13]，在X波段發(fā)射相參時的回波幅度改善為5.76 dB，收發(fā)相參時回波幅度改善均值為11.82 dB，相參合成跟蹤距離比單元雷達有明顯提升[12,13]。北京理工大學研究基于步進頻信號的相參合成算法[3,14—16]，搭建Ka波段(帶寬512 MHz)的兩單元DCAR試驗系統(tǒng)，針對角反和二面反射鏡目標，分別開展暗室和外場試驗，在收發(fā)全相參時實現了信噪比增益7.4 dB、合成效率68.2%的結果[17]。

(2) 在DCAR的關鍵技術研究中，北京理工大學等單位開展了時間與相位同步方面的研究[18—21]。清華大學、國防科技大學、北京理工大學、西安電子科技大學在DCAR的相參參數估計算法、幾何布置、相參合成效果的影響因素、相參合成性能監(jiān)控等關鍵問題上也開展了廣泛研究[22—31]。

2.2 DCAR的基本工作原理

一般來說，DCAR由中心控制處理系統(tǒng)和多部單元雷達構成。每部單元雷達既可獨立進行搜索、檢測、跟蹤和識別工作；也可在統(tǒng)一控制之下，與其他雷達協(xié)同工作，實現多部雷達間的相參合成，完成對目標的相參跟蹤、成像和識別等任務[9]。

DCAR的工作可分為3個模式：獨立工作模式、接收相參模式、全相參模式[5,6]。

(1) 獨立工作模式：在該模式下，各單元雷達獨立工作，可執(zhí)行搜索、捕獲任務，也可對目標進行初步的跟蹤和識別。該模式下，雷達一般發(fā)射窄帶波形。

(2) 接收相參模式：該模式的主要任務是實現對目標的跟蹤，并為全相參模式獲取相參參數。各雷達工作在接收相參下，采用時分、頻分或者碼分等方式發(fā)射窄帶或寬帶的正交波形，以區(qū)分各單元雷達信號的回波。其中，發(fā)射正交編碼的波形是最常用的方法：各雷達單元發(fā)射相互正交的波形，接收本雷達發(fā)射信號的回波、并同時接收其他所有單元雷達的回波，進而通過對所有回波的處理，獲得各回波的延時和相位等參數。這些參數為全相參提供必要的相參參數，其準確性是收發(fā)波形全相參的保證。此時，N部雷達可以獲得N2的信噪比增益。

(3) 全相參模式：在目標鎖定、相參參數測量完成后，DCAR進入全相參模式，各單元雷達發(fā)射相同的波形，并根據相參參數調整各自的延時和相位，使各信號同時到達目標，實現發(fā)射相參。此時各路信號同相疊加，信噪比將進一步提升N倍，相比單部雷達獲得N3的信噪比增益。在全相參模式下，目標跟蹤全部由中心控制處理系統(tǒng)實現，并在相參跟蹤的同時，動態(tài)監(jiān)控和調整相參參數，保證跟蹤全過程的相參性。

2.3 DCAR的優(yōu)勢

DCAR與具有相同功率?孔徑積的單天線雷達或相控陣雷達相比，具有相同的探測威力。而最明顯的差異，是DCAR各單元雷達“分布式”的特征：系統(tǒng)由多部小孔徑的單元雷達組成，各子孔徑空間分散，可以為整個雷達系統(tǒng)帶來諸多優(yōu)勢[1—8,12]，包括：

在雷達性能方面：(1)一般采用稀疏布陣，形成的虛擬孔徑大、波束窄，角分辨率高；(2)小孔徑雷達波束寬、跟蹤指向精度要求低，易于實現大掃描范圍；(3)孔徑到目標路徑不同，有抗大氣擾動的能力。

在應用領域方面：(1)單元雷達的體積小、重量輕、功耗低，可運輸、機動靈活，戰(zhàn)場生存性強；(2)可根據探測目標的情況，靈活配置布陣方式、陣列規(guī)模，實現功能擴展和威力擴展；(3)可根據任務需求，靈活實現通信、雷達探測等多種功能。

在工程實現與維護方面：(1)各子孔徑可采用同樣的設計、批量生產，設計難度低、制造容差大，可降低系統(tǒng)的單位功率孔徑積的成本；(2)多部小孔徑雷達配置相同、復雜度低，維修保障簡單、效率高，系統(tǒng)魯棒性強、可用性好。

2.4 DCAR的關鍵技術

由DCAR的原理和工作過程可以看到，實現全相參合成的核心，一是保證各單元雷達發(fā)射信號到達目標的相參性和接收處理過程的相參性；二是收發(fā)系統(tǒng)要根據雷達工作模式的不同，在可控的時刻、以可控的頻率和相位、產生并處理可變帶寬和可變波形的信號。

而要進一步實現目標的成像探測、為目標識別提供更為豐富的細節(jié)特征和依據，則需要雷達具備更優(yōu)異的方位向和距離向分辨率、具備相參合成孔徑的探測能力等，這就需要雷達具有更高的載頻和更大的帶寬。

其中的關鍵技術包括：(1)高精度時頻分配和同步；(2)分布式相參陣列的設計與布陣；(3)高頻、寬帶正交波形的設計與相參產生；(4)相參參數的快速估計；(5)高頻寬帶信號的陣列相參接收[9]。

3 微波光子學與DCAR的融合途徑

3.1 微波光子學

微波光子學利用光電子器件組成系統(tǒng)來產生、分配、控制以及處理寬帶微波毫米波信號。由于光波頻率是微波頻率的103倍以上，寬帶電信號在光頻段屬于窄帶信號，利用成熟的信號處理理論可以很方便地在光域對微波信號進行處理；其次，光子器件具有優(yōu)異的寬帶特性和強大的并行處理能力，可以較方便地實現寬帶雷達信號的產生、真延時和高速采樣；同時，光纖的低損耗特性和寬帶信號傳輸能力，也使其成為相參時頻同步分配網唯一可行的方案[32,33]。

3.2 微波光子雷達

微波光子技術與雷達的結合早已有之，在20世紀，微波光子技術主要解決雷達中的信號遠程傳輸問題。而微波光子學與雷達的深度結合則始于2014年：在歐洲研究院PHODIR、PREPARE、意大利國防部SOPHIA等項目資助下，文獻[34]在Nature雜志上報導了國際上第1個采用了微波光子器件的雷達：它利用光學上變頻和光子輔助模數轉換器(Analog?to?Digital Converter, ADC)產生和采樣載頻10 GHz和40 GHz、帶寬13 MHz的雷達信號，對距離5.5 km外的運動目標進行2維成像，得到150 m的距離分辨率和2 km/h的速度分辨率，該成果首次證明了微波光子單元技術在雷達中應用的可行性。

此后，國內研究者也開展研究，提出很多微波光子雷達方案[35,36]，并在多年研究積累上，充分發(fā)揮微波光子技術大帶寬的優(yōu)勢，研制出多種高分辨率成像雷達。2017年5月，清華大學在激光與光電子會議(Conference on Lasers and Electro?Optics,CLEO)上，報道了基于微波光子寬帶信號產生的微波光子ISAR成像雷達，獲得了優(yōu)于0.05 m的成像分辨率[37]。同年，中國科學院電子學研究所、南京航空航天大學分別報道了基于微波光子技術的SAR和ISAR成像雷達[38,39]。2018年，清華大學、南京航空航天大學、武漢某研究單位等又先后發(fā)表了采用微波光子技術的W波段超寬帶成像雷達、MIMO雷達、以及Ka波段超寬帶成像雷達等研究成果，驗證了微波光子學雷達系統(tǒng)的可行性和高分辨率的優(yōu)勢[40—42]。

3.3 微波光子技術應用于DCAR的途徑

微波光子學的研究表明，微波光子技術可以實現數十km范圍內、優(yōu)于ps級的傳輸時間穩(wěn)定性[43]；可以實現帶寬10 GHz以上、數十GHz載頻下的寬帶微波信號產生[40]；可以實現寬帶微波毫米波信號的變頻、濾波等信號處理[44]；可以實現頻率、延時等諸多信號參數的全光測量[45]。這些單元技術與DCAR的關鍵技術匹配，是有可能加以運用的。

然而必須要注意到，微波光子單元技術往往以電信號為輸入輸出接口，單獨運用時，其損耗等特性還可以控制在合理的水平。但在實現復雜的系統(tǒng)功能時，各功能模塊級聯(lián)，性能迅速惡化。如何在DCAR中，通過原理的突破和全新的設計，將各單元技術以更高效的方式組合成有機的整體，將是“微波光子”和“分布式相參孔徑雷達”結合過程中面臨的最主要的挑戰(zhàn)。

為此，需要開展微波光子單元技術的功能集成的研究，即在各功能模塊級聯(lián)時，省去其中的光/電、電/光轉換過程，降低這些過程引入的損耗，保證微波光子單元技術與DCAR相結合時的性能，例如：高頻寬帶雷達信號產生與濾波技術的功能集成、下變頻與濾波技術的功能集成，將降低雷達信號產生和接收過程的損耗，在保證波形信噪比的同時，發(fā)揮微波光子技術在高頻、寬帶方面的優(yōu)勢。

3.4 我國開展基于微波光子學的DCAR研究的情況

2017年起，清華大學聯(lián)合中國科學院電子學研究所、北京大學、北京郵電大學、上海交通大學等單位，聯(lián)合承擔了國家自然科學基金重大項目“面向高頻寬帶分布式相參成像雷達的微波光子學基礎研究”，瞄準核心科學問題、突破微波光子關鍵技術，開展系統(tǒng)功能集成、寬帶多通道雷達波形產生、高精度時頻分配、高精度光控波束形成、低噪聲高頻寬帶光采樣等單元技術研究，并建立基于微波光子學的分布式相參成像雷達實驗平臺。

2018年底，清華大學首次實驗驗證了采用微波光子技術的DCAR系統(tǒng)，在兩通道收發(fā)全相參的工作模式下，獲得8.3 dB的信噪比增益，接近理論的9 dB結果，本文將重點介紹這一工作[46]。未來，還將進一步與雷達成像相結合，開展DCAIR中的微波光子技術研究，提升DCAIR在探測威力、分辨力、靈活性等多方面的性能。

4 基于微波光子學原理的DCAR

4.1 系統(tǒng)總體架構

基于微波光子學原理的DCAR，是指利用微波光子學功能模塊實現傳統(tǒng)雷達各項功能、實現分布式相參孔徑合成的雷達，其基本功能模塊與信號處理流程與基于電子學技術的傳統(tǒng)雷達完全相同，布陣方式、信號處理算法也沒有區(qū)別，差異主要體現在單元模塊的實現方法和模塊間接口上。

圖2為基于微波光子學原理的DCAR總體架構，主要由中心控制處理系統(tǒng)和單元雷達構成。中心控制處理系統(tǒng)包括頻率參考、時間基準、中心信號處理等部分；各單元雷達采用相同的設計，單元雷達內部包括單元控制處理核心(包括單元信號處理、頻率和時間管理等)、微波光子發(fā)射機、微波光子接收機、射頻收發(fā)前端和天線。

在具體實現上，目前除了信號處理、射頻收發(fā)前端和天線外，其他所有模塊既可以全部采用微波光子技術實現(此時各模塊之間的連接為光纖而不是電纜)；也可部分采用微波光子技術、部分保留傳統(tǒng)的電子學技術，并對接口做相應的調整。

在整體系統(tǒng)中，盡管功能上較為嚴格地劃分了“中心控制處理系統(tǒng)”和“單元雷達”，但在具體實現時，由于各模塊采用光纖作為連接，因此可以根據具體應用場景，靈活地將各單元雷達的某些模塊放在中心控制處理系統(tǒng)、甚至在單元雷達處僅保留光?射頻轉換模塊和射頻部分。

圖2 基于微波光子學原理的DCAR總體架構Fig.2 The overall framework of the microwave photonics?based DCAR

4.2 實驗系統(tǒng)結構

(1) 總體結構。

為驗證基于微波光子學的DCAR能否提升信噪比、提升多少dB這一關鍵參數，結合DCAR的關鍵技術，本文選擇利用微波光子學實現圖2所示系統(tǒng)中的“微波光子發(fā)射機”，并用光纖連接“中心控制處理系統(tǒng)”和“單元雷達”，其它模塊仍采用傳統(tǒng)技術實現。

本文提出了如圖3所示的基于光子學的寬帶DCAR系統(tǒng)，由中心控制處理系統(tǒng)、基于光纖的時間同步網絡和N個單元收發(fā)機組成。在中心控制處理系統(tǒng)，1個可重構多通道光任意波形發(fā)生器(Reconfigurable Multi?channel Optical Arbitrary Waveform Generator,RMOAWG)由1個光子數模轉換器(Photonic Digital?to?Analog Converter, PDAC)和N個相位編碼模塊組成，其中光子數模轉換器用來產生光載線性調頻波(Linear Frequency Modulation Wave, LFMW)并通過光耦合器(Optical Coupler, OC)分成N路，分別經過相位編碼模塊進行相位編碼或不編碼，從而產生N通道的光載相位編碼線性調頻波(Phase?Coded Linear Frequency Modulation Wave,PCLFMW)或LFMW。N通道的光信號經過時間同步網絡，通過可調光延時線(Variable Optical Delay Line, VODL)調整發(fā)射時間，并通過光纖傳到遠端收發(fā)機，通過光/射頻轉換模塊(Optical/RF, O/R)轉換為微波PCLFMW或LFMW，并通過天線發(fā)射出去。接收回波經過射頻/光轉換模塊(RF/Optical,R/O)轉換到光域并通過光纖回傳到中心控制處理系統(tǒng)，再經過O/R轉換模塊轉換到射頻域，經過模數轉換，并進行數字信號處理。

(2) 寬帶正交波形產生。

圖3 基于光子學的寬帶DCAR系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of the photonic?based wideband DCAR system

其中相位編碼模塊由如圖4所示的雙輸出調制器(Dual?Output Mach?Zehnder Modulator,DOMZM)+平衡探測器(Balanced Photodetector,BPD)實現，輸入光載LFMW經過DOMZM調制編碼序列，再經過平衡探測產生脈內相位編碼的LFMW。根據DOMZM的原理，當偏置在正交點、且編碼序列打開時，經過BPD可得到PCLFMW，在1個脈沖寬度內，其相位在0和之間跳變[47]。通過設計編碼序列，可使N部雷達產生的PCLFMW正交。

4.3 實驗結果

在暗室環(huán)境下，本文用所提寬帶DCAR系統(tǒng)開展空饋實驗，對兩單元X?波段DCAR系統(tǒng)進行原理驗證。采用金屬球作為探測目標，每部雷達中，產生的寬帶雷達波形通過喇叭天線發(fā)射；接收回波用另一個喇叭天線接收，用數字信號示波器(DSO81204B，帶寬12 GHz)采集回波并進行數字信號處理。

(1) 正交波形產生。

圖4 相位編碼模塊Fig.4 Configuration of the phase coding module

圖5 PCLFMW與LFMW的自相關和互相關結果Fig.5 Auto?correlation and cross?correlation of the PCLFMW and LFMW

實驗產生了兩路正交波形，第1路為頻率8.5～11.5 GHz、碼率0.5 Gb/s的PCLFMW，第2路為頻率8.5～11.5 GHz的LFMW，其自相關和互相關特性如圖5所示。可看出，雷達的距離分辨率優(yōu)于0.05 m，正交波形之間具有接近30 dB的正交性。

(2) 接收相參模式。

在接收相參模式下，各雷達產生正交PCLFMW并同時發(fā)射，每部雷達都能接收到所有雷達發(fā)射波形的回波，將各雷達的接收回波與其發(fā)射波形作匹配濾波，利用波形間的正交性，可區(qū)分各雷達發(fā)射波形的回波，并計算出各雷達到目標的距離。實驗中產生了上述PCLFMW和LFMW，脈沖寬度8 μs，重復頻率100 kHz。兩部雷達的測距結果如圖6所示，其中藍色曲線表示單站測距結果，即雷達接收回波與該雷達發(fā)射波形作匹配濾波的結果；紅色曲線表示雙站測距結果，即雷達接收回波與另一部雷達發(fā)射波形作匹配濾波的結果。從圖6中可看出，雷達1距離目標比雷達2遠1.515 m。

(3) 全相參模式。

各雷達發(fā)射相參的LFMW，并根據接收相參模式下得到的相參參數，調整各雷達發(fā)射波形的時間和相位，使各發(fā)射波形能夠同時到達目標，系統(tǒng)切換到發(fā)射相參模式。由于各雷達發(fā)射的波形在目標處相參疊加，每個雷達接收回波的幅度相比于單發(fā)單收提高N倍，功率增益為N2，而噪聲功率不變，因此信噪比增益為N2。實驗中，對兩部雷達的接收回波匹配濾波的結果如圖7所示，可看到，相比于單發(fā)單收，峰值功率增益分別為5.97 dB和5.92 dB，噪底功率基本不變，信噪比增益接近理論值6 dB。

圖6 雷達1和雷達2接收回波匹配濾波結果Fig.6 The matched?filtering results of radar 1 and radar 2 receiving echo wave

圖7 雷達1和雷達2匹配濾波的結果(藍色/紅色：發(fā)射相參模式/單發(fā)單收模式)Fig.7 The matched?filtering results of radar 1 and radar 2 (Blue/red line: coherence?on transmit mode/monostatic mode)

最后通過數字信號處理，對兩部雷達匹配濾波的結果進行延時和相位的對齊，并相參疊加完成接收相參，至此實現了收發(fā)全相參。匹配濾波結果峰值的功率進一步提高N2倍，由于各雷達接收機噪聲獨立，噪底功率提高N倍，信噪比增益為N。因此，全相參相比于單發(fā)單收，信噪比增益為N3。實驗中，全相參與單發(fā)單收匹配濾波的結果如圖8所示，可看到，雷達1和雷達2相比于單發(fā)單收的峰值功率增益分別為11.97 dB和11.96 dB，噪底分別抬高了3.65 dB和3.61 dB，信噪比增益分別為8.32 dB和8.35 dB。

圖8 雷達1和雷達2匹配濾波的結果(藍色/紅色：全相參模式/單發(fā)單收模式)Fig.8 The matched?filtering results of radar 1 and radar 2 (Blue/red line: full coherence mode/monostatic mode)

5 結論

清華大學提出的基于光子學的DCAR系統(tǒng)，帶寬達到3 GHz，系統(tǒng)的測距分辨率在厘米量級，相比于已報道的微波DCAR系統(tǒng)，帶寬提高了1個數量級。實驗中利用1個寬帶微波光子信號源和多個低速率的電光調制器，可實現多路寬帶正交波形的產生，并支持切換為相參波形，滿足DCAR各個工作模式的需求。此外，中心控制處理系統(tǒng)用光纖和各分布式單元雷達相連，可在中心控制處理系統(tǒng)完成雷達信號的產生和處理，解決微波分布式系統(tǒng)中的傳輸損耗，同時簡化遠端單元雷達。實驗結果表明，全相參模式下，最終實現8.3 dB的信噪比增益。