張 武，譚慶貴，蔣 煒，梁 棟，王 迪，龔靜文

(中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室，西安 710100)

0 引言

早期的脈沖雷達(dá)，發(fā)射的是固定載頻的脈沖，其距離分辨力反比于發(fā)射脈沖的時寬，而作用距離卻正比于發(fā)射脈沖的時寬，雷達(dá)探測距離和距離分辨能力之間存在相互矛盾的問題。脈沖壓縮雷達(dá)利用匹配濾波的原理可很好地解決這一矛盾，實現(xiàn)兼具遠(yuǎn)探測距離與高距離分辨率的雷達(dá)探測。

脈沖壓縮雷達(dá)的距離分辨率不再取決于發(fā)射脈沖時寬，而是與所發(fā)射脈沖的帶寬有關(guān)。為了實現(xiàn)高精度的探測，未來雷達(dá)系統(tǒng)正朝著大帶寬的方向發(fā)展。脈沖壓縮信號主要包括線性調(diào)頻(LFM)信號和相位編碼信號兩類，目前的雷達(dá)系統(tǒng)大多采用LFM信號，受到電子瓶頸限制，單路帶寬僅在2 GHz左右，難以滿足高精度探測的技術(shù)需求。由于相位編碼雷達(dá)具有反隱身特性、良好的抗干擾性和低截獲概率，相位編碼信號也具有較好的應(yīng)用場景，相位編碼信號帶寬與編碼速率相對應(yīng)，但目前的相位編碼的速率大多在幾百M(fèi)bps的量級，在信號時寬一定的條件下，限制了相位編碼信號的編碼位數(shù)，進(jìn)而限制了雷達(dá)系統(tǒng)的探測分辨率。

微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)，是采用光學(xué)方法實現(xiàn)微波信號的生成，可直接生成大帶寬的脈沖壓縮信號。2014年，意大利國家光子網(wǎng)絡(luò)實驗室的Bogoni團(tuán)隊完成了結(jié)合微波光子多載波產(chǎn)生、發(fā)射和接收的光子雷達(dá)收發(fā)信機(jī)PHODIR的研究[1]，展現(xiàn)了微波光子雷達(dá)在帶寬方面技術(shù)優(yōu)勢，圖1為該雷達(dá)收發(fā)信機(jī)的樣機(jī)照片和外場測試結(jié)果。自此，微波光子雷達(dá)逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。目前報道的微波光子雷達(dá)的瞬時帶寬可達(dá)10.02GHz，實現(xiàn)分辨率為1.68cm的高分辨率探測[2]。作為微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中一項關(guān)鍵技術(shù)，微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)已在多個微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，實現(xiàn)了厘米級的高分辨率測距與成像[3-4]。

(a) (b)

文章主要闡述微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)，分類介紹微波光子脈沖壓縮信號生成技術(shù)的工作原理、主要實現(xiàn)方法及研究進(jìn)展。最后對各類微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)進(jìn)行了對比分析，并分析限制其實際應(yīng)用的具體問題。

1 微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)可主要分為基于微波光子倍頻、基于電光相位調(diào)制、基于光譜整形和頻時映射、基于光注入半導(dǎo)體激光器、基于光脈沖延時拍頻、基于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換等多種技術(shù)類型，下面分類介紹不同技術(shù)類型的工作原理、主要實現(xiàn)方法及研究進(jìn)展。

1.1 基于微波光子倍頻的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

微波光子倍頻技術(shù)是將電域生成的低頻窄帶線性調(diào)頻(LFM)信號調(diào)制到光域，利用電光調(diào)制器的非線性來實現(xiàn)微波光子倍頻，增加LFM的載頻和帶寬。該方法利用電域成熟的技術(shù)產(chǎn)生窄帶信號，利用光子技術(shù)的大帶寬特性來拓寬其載頻和帶寬，產(chǎn)生高頻、大帶寬的LFM信號。

2014年日本國立信息通信技術(shù)研究所Atsμshi Kanno等人提出了基于雙平行馬增調(diào)制器(DPMZM)的光學(xué)四倍頻的LFM信號生成方案[5]。該方案的結(jié)構(gòu)如圖2所示，任意波形發(fā)生器(AWG)生成載頻為2.890635GHz、帶寬為1.09375GHz、時寬為1μs的LFM信號，先經(jīng)過電八倍頻器倍頻為載頻為23.125GHz、帶寬為8.75GHz、時寬為1μs的LFM信號。該信號經(jīng)由DPMZM調(diào)制到光載波上，由于DPMZM的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性，DPMZM會產(chǎn)生各階光邊帶。通過調(diào)節(jié)DPMZM調(diào)制器的偏壓點(diǎn)在最大工作點(diǎn)來抑制奇數(shù)階光邊帶，使得DPMZM輸出只包含光載波和偶數(shù)階光邊帶。DPMZM輸出端的光譜如圖2(a)所示，主要包含光載波和±2階光邊帶(功率較小的高階邊帶可忽略不計)。然后用光陷波濾波器(OBEF)濾除光載波，只保留±2階光邊帶，光濾波器的輸出如圖2(b)所示。最后將濾波后的信號輸入到光電探測器(PD)中進(jìn)行拍頻，實現(xiàn)信號的四倍頻。四倍頻信號的時頻曲線如圖2(c)所示，可以看出所生成的LFM信號的載頻為92.5GHz、帶寬為35GHz、時寬為1μs。

圖2 基于DPMZM光學(xué)四倍頻的LFM信號生成技術(shù)

該類方法多基于單個電光調(diào)制器即可實現(xiàn)LFM信號的倍頻，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。目前的微波光子雷達(dá)多采用該方法生成大帶寬的LFM信號。但是該類方法仍然需要電子技術(shù)提供低頻窄帶的LFM信號，未完全擺脫電子瓶頸的限制。

1.2 基于電光相位調(diào)制的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于電光相位調(diào)制的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)中，首先將光載波分為兩路，對其中一路進(jìn)行頻移，另一路進(jìn)行電光相位調(diào)制。最后將兩路信號耦合后輸入光電探測器進(jìn)行拍頻，即可生成載頻為兩路信號頻差、帶寬為編碼速率的相位編碼信號。

2014年西安電子科技大學(xué)陳陽等人提出了一種基于DPMZM與相位調(diào)制器(PM)并聯(lián)的相位編碼信號生成方案[6]。該方案的結(jié)構(gòu)如圖3所示，激光器生成的光載波經(jīng)光分路器(OC)分為兩路，其中一路信號利用DPMZM完成光載波的頻移(采用90度電橋?qū)㈩l率為f的本振電信號分為兩路，分別加載到DPMZM的兩個子MZM上，并將子調(diào)制器的偏壓點(diǎn)均設(shè)置在最小點(diǎn)，主調(diào)制器偏壓設(shè)置在正交點(diǎn)，即可對光載波完成頻率間隔為f的頻移)。另一路利用PM對光載波的相位進(jìn)行調(diào)制。然后將兩路光信號進(jìn)行偏振耦合，耦合之后的信號經(jīng)過起偏器投射到同一偏振方向上，最后輸入到PD中進(jìn)行拍頻。本方案采用頻率為20GHz的本振信號來驅(qū)動DPMZM，碼率為500Mb/s的二進(jìn)制相位編碼信號來驅(qū)動PM，生成了載頻為20GHz，帶寬為500MHz的相位編碼信號。

該類技術(shù)支持通過改變本振信號的頻率(最大可到70GHz)、相位編碼信號的速率(最大可到40 Gb/s)，即可對所生成相位編碼信號的載頻、帶寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有靈活可調(diào)的優(yōu)勢。此外，可通過對PM加載拋物線信號來生成LFM信號[7]。但是由于該技術(shù)需要多個電光調(diào)制器，結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜。此外，該方法還需要電信號源來提供本振信號，也未完全擺脫電子瓶頸的限制。

圖3 基于DPMZM和PM的相位編碼生成方案

1.3 基于光譜整形和頻時映射的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于光譜整形和頻時映射的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)中的光譜整形指的是將鎖模激光器輸出光脈沖的光譜進(jìn)行整形，使光譜中幅度分量呈現(xiàn)脈沖壓縮信號的波形。但是此時光譜的橫軸仍為頻率，需要經(jīng)過頻時映射將橫軸從頻率映射到時間，即可實現(xiàn)脈沖壓縮信號的生成。頻時映射多基于色散效應(yīng)實現(xiàn)，基本原理是不同頻率的光經(jīng)過相同的色散介質(zhì)后會有不同的時延，分別在不同時刻到達(dá)光電探測器，由此可將其光譜映射為時域波形。

2013年美國普渡大學(xué)電氣與計算機(jī)工程學(xué)院Amir Dezfooliyan等人提出了基于一種基于光譜整形和頻時映射的LFM信號生成方案。該方案的結(jié)構(gòu)如圖4所示，鎖模激光器生成重復(fù)率為50MHz、波長范圍在1520 nm-1610 nm的光脈沖，光脈沖輸入到商用的光脈沖整形器中，對脈沖的光譜進(jìn)行整形。整形后的光譜如圖4(a)所示，可以看出，若把橫軸看作時間軸，整形后的光譜即為一個LFM信號。整形后的脈沖經(jīng)過色散介質(zhì)(長度為10.3km的單模光纖)來實現(xiàn)頻時映射，最后輸入到光電探測器中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，得到的LFM信號的頻譜和波形如圖4(b)、如圖4(c)所示。可以看出，生成的LFM信號的載頻為20.5GHz、帶寬為41GHz、時寬為6.8ns。

圖4 基于光譜整形和頻時映射的LFM信號生成方案

該技術(shù)采用全光的方法來實現(xiàn)任意波形的生成，除可生成LFM信號外，也可將光譜整形為相位編碼的波形來生成相位編碼信號，具有大帶寬的優(yōu)勢。但是由于頻時映射要在時域夫瑯和費(fèi)近似條件下才能成立，即|Φ|·τ2/2π，其中Φ表示色散量，τ表示脈沖寬度。因此，生成信號的脈沖時寬會受到色散量的限制，一般在ns級別。這也是上述方案生成的LFM信號時寬只有6.8ns的原因。

1.4 基于激光器注入的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于激光器注入的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)，是基于當(dāng)激光器注入、從激光器工作在P1態(tài)(Period-one oscillations，該狀態(tài)下從激光器的輸出呈現(xiàn)單邊帶調(diào)制的效果)時，從激光器輸出光信號的波長差可通過控制主激光器的光強(qiáng)來改變的特性來實現(xiàn)LFM信號的生成。2016年，南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子學(xué)重點(diǎn)實驗室Zhou Pei等人提出了一種基于激光器注入的LFM信號生成方案。圖5為該方案的結(jié)構(gòu)和原理圖，如圖5(b)中A所示，主激光器(ML)輸出頻率為fm的光波，其經(jīng)由一個強(qiáng)度調(diào)制器(IM)注入到從激光器(SL)中。由圖5(b)中B可知，SL在不注入時輸出頻率為fs的光波?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)IM的工作電壓，控制從激光器的注入強(qiáng)度(自由工作時ML輸出光強(qiáng)與SL輸出光強(qiáng)之比)，使得SL工作在P1態(tài)。如圖5(b)中C所示，此時SL輸出的光信號主要由兩部分組成：ML輸出的光波和紅移后SL輸出的光波(頻率為fs')，兩者之間的頻率差fo可通過控制注入強(qiáng)度來改變。因此，可通過調(diào)節(jié)IM的偏壓點(diǎn)，改變SL的注入強(qiáng)度，使得SL輸出光的頻率差fo逐漸增大，然后通過光電探測，即可獲得LFM信號。

圖6(a)為IM的偏置電壓波形，其呈現(xiàn)一個類似鋸齒波的波形。此時，光電探測后LFM信號的波形如圖6(b)所示，其時頻曲線如圖6(c)所示。由圖可知，該方案可生成載頻為16GHz、帶寬為12GHz、時寬為1μs的LFM信號。

(a) (b)

(a) (b) (c)

該技術(shù)采用全光的方式生成LFM信號，其帶寬不再受到電子瓶頸的限制。但是由于需要SL工作在P1態(tài)，此時ML與SL頻差被限定在一定范圍內(nèi)，所以該方法的帶寬也是受限的，一般在40GHz左右。此外，該方法生成信號的線性度還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，以滿足實際系統(tǒng)對線性度的要求。

1.5 基于光脈沖延時拍頻的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

基于光脈沖延時拍頻的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)，是利用一個拋物線調(diào)頻的光脈沖，與其延時的信號相拍頻，即可得到LFM信號的原理來實現(xiàn)LFM信號的生成。2015年加拿大渥太華大學(xué)微波光子學(xué)研究實驗室的Olympio L.Coutinho等人提出了一種基于光脈沖延時拍頻的LFM信號生成方案。圖7為該方案的結(jié)構(gòu)圖，任意波形發(fā)生器(AWG)生成拋物線形狀的電脈沖，該脈沖經(jīng)由跨導(dǎo)放大器(TCA)加載到激光器(LD)上，生成拋物線調(diào)頻的光脈沖。此外，AWG還通過光衰減器(ATT)來控制光脈沖的開關(guān)。拋物線光脈沖輸入到一個馬赫增干涉儀(MZI)。在MZI中，光脈沖首先被分為兩路，其中一路經(jīng)過延時后再與另一路進(jìn)行耦合。耦合后的光脈沖輸入到PD中實現(xiàn)兩路拋物線光脈沖(一路不延時、一路延時)的拍頻來生成LFM信號。該方案生成信號的載頻由MZI中的時延大小決定，帶寬由拋物線脈沖的啁啾率與用于拍頻的有效光脈沖時寬決定。此外，AWG還通過ATT來實現(xiàn)脈沖的開關(guān)，控制生成信號的時寬。

圖8(a)中上方藍(lán)色曲線為AWG生成的加載到LD上的拋物線形狀的控制信號，圖8(a)下方綠色曲線為此時PD拍頻后所生產(chǎn)的LFM信號的波形。該信號經(jīng)頻率為3.5GHz的本振信號變頻后的波形與時頻曲線如圖8(b)所示。由圖可知，該方案可生成載頻為3.5GHz、帶寬為4.2GHz、時寬為1μs的LFM信號。

圖7 基于光脈沖注延時拍頻的LFM信號生成方案的結(jié)構(gòu)圖

(a) (b)

該類技術(shù)也是采用全光的方式實現(xiàn)LFM信號的生成，其帶寬也不再受到電子瓶頸的限制。此外，也可對其進(jìn)一步改進(jìn)來實現(xiàn)相位編碼信號的生成[11]。但是該方案需要額外的控制電路實現(xiàn)脈沖的開關(guān)控制，在一定程度上增加了其復(fù)雜度。此外，該方法生成信號的線性度還受到拋物線脈沖質(zhì)量的限制，需要進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足實際系統(tǒng)對線性度的要求。

1.6 基于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換的大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)

光子數(shù)模轉(zhuǎn)換，是利用光子學(xué)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。然后通過加載不同的編碼，實現(xiàn)任意波形的生成，這其中就包括LFM、相位編碼信號的生成。2018年，清華大學(xué)集成光電國家重點(diǎn)實驗室Peng Shaowen等人提出一種W頻段高分辨率的逆合成孔徑微波光子雷達(dá)，該雷達(dá)中LFM信號是采用光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(LOPDAC)來生成。

圖9為LOPDAC的結(jié)構(gòu)圖。波長分別為λ1、λ2、……λn的激光器的功率分別為P、2P、……2n-1P，輸出的光載波分別輸入到多個雙驅(qū)動MZM(DMZM)中，DMZM加載的編碼信號為01碼。調(diào)制后的信號通過光耦合器(OC)進(jìn)行耦合，然后輸入到光電探測器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，此時不同波長的信號會相互疊加，因此可通過控制加載到DMZM上的編碼序列即可實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。然后再將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的信號再由帶通濾波器(BPF)濾除雜波和放大器(Amp)進(jìn)行功率放大。本方案通過使用DMZM(具有兩個射頻口，可加載兩路時延為1/2周期的01碼)，使得該LOPDAC的采樣率翻倍。

圖9 基于光子DAC的LFM信號生成方案結(jié)構(gòu)圖

實驗驗證了2比特LOPDAC來生成LFM信號的能力，將四路12 Gbit/s 非歸零碼加載到兩個DMZM上，生成了圖10所示的LFM信號[12]。圖10(a)、(b)分別為所生成的LFM信號的波形和時頻曲線圖，由圖可知，該方案可生成載頻為6GHz、帶寬為8GHz、時寬為10μs的LFM信號。

由圖10 可知，該方案可生成較為理想的LFM信號，該LFM信號應(yīng)用于微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中，實現(xiàn)了分辨率為1.54cm的高分辨率探測。此外，該技術(shù)的穩(wěn)定性也較好。但是，基于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換的方案需要多路激光器與光電探測器，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。此外，該技術(shù)還難以直接生成高頻段的脈沖壓縮信號，在實際雷達(dá)系統(tǒng)中，需要采用混頻器將其變頻到高頻段。

2 微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)對比分析

由微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，目前針對該技術(shù)的研究尚處于百花齊放的階段，技術(shù)手段多種多樣，表1對比分析了不同微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)、可生成的信號形式及其優(yōu)缺點(diǎn)。

圖10 采用2比特LOPDAC 生成的LFM信號：(a)波形；(b)時頻曲線圖

表1 不同微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)對比

由表1可知，采用微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)可實現(xiàn)高載頻(92.5 GHz)、大帶寬(41GHz)脈沖壓縮信號生成，在頻段、帶寬方面可很好地滿足高分辨率雷達(dá)的性能需求。但在其實際應(yīng)用中，系統(tǒng)的復(fù)雜度、穩(wěn)定性是需要重點(diǎn)考慮的因素。目前的微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中，多采用基于微波光子倍頻的方法來實現(xiàn)LFM信號的生成，主要是考慮到該技術(shù)結(jié)構(gòu)相對簡單且具有良好的穩(wěn)定性。因此，微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)需要多關(guān)注限制該技術(shù)實際應(yīng)用的復(fù)雜度與穩(wěn)定性。此外，雷達(dá)作為一個整體的系統(tǒng)，需要確保各子模塊之間具有很好的相干性。需要研究光電反饋控制系統(tǒng)來解決光電系統(tǒng)間的相干性問題。

3 結(jié)束語

微波光子技術(shù)具有大帶寬的技術(shù)優(yōu)勢，微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)，可直接生成高頻、大帶寬的脈沖壓縮信號，有效解決現(xiàn)有高分辨率雷達(dá)對脈沖壓縮信號帶寬方面的技術(shù)需求。目前微波光子大帶寬生成技術(shù)，在所生成信號的載頻與帶寬方面均可很好的滿足高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)的性能需求，但由于一般是采用離散器件搭建實驗系統(tǒng)來驗證大帶寬脈沖壓縮信號的生成能力，相較于現(xiàn)有電子技術(shù)，微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)在穩(wěn)定性、復(fù)雜性、體積、質(zhì)量、功耗等方面不占據(jù)優(yōu)勢。近年來，微波光子集成技術(shù)發(fā)展迅速，微波光子集成技術(shù)可將上述微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)集成到單芯片上，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，減低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減小系統(tǒng)的體積、重量與功耗。

微波光子技術(shù)除可實現(xiàn)大帶寬脈沖壓縮信號生成之外，也可實現(xiàn)大帶寬脈沖壓縮信號的脈壓、去斜、采樣等接收端的處理。所以，可利用微波光子集成技術(shù)，將脈沖壓縮信號的生成與接收集成到一個微波光子芯片上。該芯片結(jié)合功率放大、收發(fā)天線與電域DSP處理等技術(shù)，即可實現(xiàn)一個完整的雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)系統(tǒng)可充分發(fā)揮微波光子技術(shù)寬帶的技術(shù)優(yōu)勢，有望實現(xiàn)亞厘米級的雷達(dá)探測，對于提高雷達(dá)系統(tǒng)的探測精度，具有重要的意義。綜上所述，集成化、芯片化應(yīng)被視為微波光子大帶寬脈沖壓縮信號生成技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。