曹繼明，崇毓華，梅 理，朱宇鵬，段宗明

(1.安徽省天線與微波工程實驗室,安徽 合肥 230088;2.中國電子科技集團公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

現(xiàn)代雷達在目標成像、追蹤以及目標識別等場景中得到了廣泛應用[1-4]。由于實際場景對不同波段的電磁波反射特性不同，特別是對于軍事場景中的隱身目標難以做到在連續(xù)寬頻段范圍內(nèi)都具有隱身能力，因此，對具有在不同工作頻段切換能力的可重構雷達展開研究有著重要意義[5-6]。然而，傳統(tǒng)電學雷達系統(tǒng)難以做到在一套硬件設備上實現(xiàn)寬頻段范圍內(nèi)的工作頻段切換。

近年來，微波光子學由于具有低傳輸損耗、抗電磁干擾和大帶寬處理能力等優(yōu)勢，已逐漸被引入到現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中用以提升雷達性能[7-13]。意大利研究團隊率先研制出了世界上首個光子雷達系統(tǒng)[14]，在發(fā)射端利用一個鎖模激光器(Mode Locked Laser, MLL)調(diào)制不同的微波信號，通過選擇調(diào)制光邊帶和MLL不同模式之間進行拍頻完成不同波段雷達波形的產(chǎn)生，最終實現(xiàn)了雷達工作頻段的可重構。然而該方案的發(fā)射信號帶寬受限于MLL的模式間隔。南京航空航天大學研究團隊提出一種雙波段雷達波形產(chǎn)生方案[15]，能夠生成中心頻率和帶寬相對于原始微波信號四倍頻的射頻微波信號。

圖1. 可重構微波光子去調(diào)頻雷達成像系統(tǒng)原理圖Figure 1. The structure of reconfigurable microwave photonics radar based on de-chirp processing

本文提出了一種可重構微波光子去調(diào)頻雷達成像系統(tǒng)方案。在發(fā)射機端，通過級聯(lián)兩個馬赫增德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)分別調(diào)制本振信號和基帶微波信號來控制MZM的直流偏置電壓，從而抑制光載波及高階光邊帶。然后，結合可編程光濾波器篩選出需要的光邊帶進行拍頻處理。最終，得到中心頻率上變頻且?guī)捦瑫r倍頻的射頻微波信號。該信號作為雷達的發(fā)射信號，通過調(diào)整本振信號的頻率能夠靈活改變雷達發(fā)射信號的工作頻率，實現(xiàn)雷達工作頻段的可重構。在接收端，為了實現(xiàn)對高分辨率寬帶雷達發(fā)射信號的接收，利用一個雙平行馬赫增德爾調(diào)制器實現(xiàn)雷達回波信號的去調(diào)頻接收。去調(diào)頻接收技術在獲得高分辨率圖像的同時緩解了對ADC(Analog to Digital Converters)采樣速率的要求[16]，最后得到去調(diào)頻中頻信號通過后續(xù)數(shù)字信號處理來提取目標的信息。

1 系統(tǒng)結構與原理

本文提出的可重構微波光子去調(diào)頻雷達成像系統(tǒng)結構如圖1所示，整個系統(tǒng)由負責雷達信號產(chǎn)生的發(fā)射機模塊和負責雷達回波信號接收的雷達接收機模塊以及微波天線組成。其中，發(fā)射機中通過級聯(lián)電光調(diào)制器和選擇適當?shù)谋菊裥盘?，能夠實現(xiàn)原始微波調(diào)制信號的倍頻和變頻處理。接收機中利用雙平行電光調(diào)制器將雷達的參考和回波信號調(diào)制到光載波上，通過相應光邊帶之間的拍頻實現(xiàn)雷達信號的去調(diào)頻接收。

發(fā)射機模塊由激光器、兩個電光調(diào)制器、本振源、寬帶調(diào)制信號產(chǎn)生模塊、可編程光濾波器、光電探測器、濾波器、微波信號放大器和功分器構成。激光器產(chǎn)生的窄線寬連續(xù)光載波在電光調(diào)制器中被單頻本振信號調(diào)制，激光器產(chǎn)生的光載波可記為Aoexp(jwot)，而本振源產(chǎn)生的單頻微波信號可表示為VLcos(wLt+jL)。通過直流偏置電壓的調(diào)整，使電光調(diào)制器1工作在最小偏置點。在小信號調(diào)制情況下，調(diào)制光信號中只考慮一階邊帶，高階光邊帶均可被忽略。則電光調(diào)制器1的輸出信號可記為

(1)

式中，Ao、VL和wo、wL分別為光載波和本振信號的幅度與角頻率；φL為本振信號的初始相位；β1=πVL/Vπ為電光調(diào)制器1的調(diào)制系數(shù)。由式(1)可以看出，光載波和偶階光邊帶均被抑制，輸出調(diào)制光信號中僅存在正負一階調(diào)制光邊帶，如圖1中節(jié)點A所示。電光調(diào)制器1輸出的兩個光邊帶作為新的載波信號輸入到電光調(diào)制器2中。寬帶信號產(chǎn)生模塊生成的基帶微波信號對光載波信號E1進行強度調(diào)制，這里的基帶微波信號可表示為

SB=VBcos(ωBt+kπt2)

(2)

式中，VB為基帶微波信號的幅度；wB和k分別為微波信號的角頻率和調(diào)頻率。電光調(diào)制器2同樣工作在最小偏置點，因此其輸入的兩個光邊帶均被抑制，電光調(diào)制器2輸出的光信號可表示為

(3)

式中，β2=πVB/Vπ為電光調(diào)制器2的調(diào)制系數(shù)。由式(3)可看出，輸出調(diào)制光信號包含基帶微波信號的4個調(diào)制光邊帶，電光調(diào)制器2輸出光譜如圖1中節(jié)點B所示。調(diào)制后的光信號輸入到可編程光濾波器中進行光邊帶選擇，通過對可編程光濾波器的控制，選擇出調(diào)制器2輸出的調(diào)制光信號中后續(xù)需要的光邊帶，而將其它不需要的光邊帶進行濾除。最終在光電探測器中進行光電轉換，實現(xiàn)原始微波信號的倍頻或者變頻處理。這里以微波信號的上變頻為例，光濾波器選擇(wo+wL+wB)和(wo-wL-wB)處的光邊帶作為上變頻拍頻所需的兩個光邊帶，輸入到光電探測器中進行拍頻得到上變頻后的微波信號，如圖1中節(jié)點C所示，其中虛線輪廓表示可編程濾波器的通帶。濾波得到的兩個光邊帶在探測器中進行平方律檢波得到的光電流可表示為

(4)

其中，R為光電探測器的響應度。經(jīng)過濾波器濾出雜散后的上變頻微波信號可表示為

(5)

從式(5)可以看出，相對于原始基帶微波信號，最終得到的微波信號不僅進行了上變頻，且?guī)捯彩窃夹盘柕膬杀?，即同時完成了倍頻處理。接著該信號輸入到功分器中分為兩路，其中一路作為去調(diào)頻接收的參考信號；另一路經(jīng)過功率放大后接入發(fā)射天線作為雷達發(fā)射信號。

當可編程光濾波器選擇(wo+wL-wB)和(wo-wL+wB)處光邊帶通過時，將得到一個角頻率為2(wL-wB)的微波信號，且?guī)捠窃夹盘杻杀兜纳漕l信號。相對于原始微波信號的二倍頻信號也能夠通過控制光濾波器的通帶位置來實現(xiàn)。綜合前述分析可知，本文所提出的微波光子輔助雷達發(fā)射機通過調(diào)節(jié)本振信號的頻率和可編程光濾波器的通帶能夠實現(xiàn)雷達工作頻段的可重構。

對于接收機模塊，雷達參考信號和回波信號經(jīng)過雙平行電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上，使調(diào)制器工作在最小偏置點，則光載波及高階光邊帶可被抑制而忽略。調(diào)制信號中可認為僅包含一階光邊帶，從而選擇參考和回波信號的一階調(diào)制光邊帶進行光電轉換，最終實現(xiàn)去調(diào)頻接收。具體原理已在文獻[13]中有詳細介紹，這里不再進行贅述。

2 實驗與分析

本文對微波光子可重構雷達進行了實驗驗證。本振源生成的單頻信號頻率為4 GHz，任意波形發(fā)生器 (Tektronix AWG70002A)產(chǎn)生一個基帶線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation，LFM)波形，它是一個中心頻率為4 GHz，帶寬為2 GHz，脈沖重復周期為50 ms的LFM連續(xù)波信號。該基帶微波LFM信號與前述本振信號在雷達發(fā)射機模塊中產(chǎn)生上變頻雷達發(fā)射波形，繼而產(chǎn)生一個中心頻率為16 GHz，帶寬為4 GHz的Ku波段LFM信號，變頻后脈沖重復周期與原始微波信號一致。本實驗通過在發(fā)射機端光電探測器之后使用電濾波器選擇需要的射頻信號來代替可編程光濾波器的作用。上變頻后的LFM信號經(jīng)過放大后輸入到Ku波段發(fā)射天線。

在接收機端，接收機由激光器、雙平行馬赫增德爾調(diào)制器、光電探測器、低噪聲放大器和數(shù)據(jù)采集模塊構成。連續(xù)波激光器(RAYPRO)發(fā)射的波長為1 550.12 nm，功率為15.96 dBm。來自于激光器的光波輸入到雙平行馬赫增德爾調(diào)制器(Fujitsu FTM7962EP)中作為光載波。在實驗中，雙平行馬赫增德爾調(diào)制器上下兩臂的子MZM均工作在最小偏置點。光電探測器將調(diào)制光邊帶進行光電轉換，從而實現(xiàn)去調(diào)頻接收。去調(diào)頻中頻信號由采樣速率為100 MSa·s-1的ADC采集記錄。量化后的信號輸入到數(shù)字信號處理器中進行信號處理以恢復目標的距離和多普勒頻率等信息。

為了驗證所提出的光子輔助可重構雷達系統(tǒng)，本文采用兩個邊長為15 cm的三面角反射器 (Trihedral Corner Reflector，TCR)作為目標。首先，將兩個角反射器在距離向擺放相差約為70 cm，對這兩個角反射器進行距離測量。光子去調(diào)頻接收機輸出的去調(diào)頻中頻信號頻譜如圖2所示，可以看到，一維頻譜圖中能觀察到對應于兩個角反射器相應位置的兩個頻率峰，根據(jù)去調(diào)頻接收的頻率-距離對應公式計算得到測距結果為68.25 cm。作為對比實驗，調(diào)整原始微波信號的帶寬使雷達發(fā)射帶寬為1 GHz，此時的靜態(tài)目標距離測量去調(diào)頻接收頻譜如圖3所示。在1 GHz探測帶寬下兩個頻率峰相差92 kHz，對應于測量距離69 cm。同時不難看出，在1 GHz下目標所對應的頻譜寬度比4 GHz帶寬下頻譜寬度大得多，這是由發(fā)射信號帶寬的不同造成的。在線性調(diào)頻雷達系統(tǒng)中，發(fā)射信號帶寬越大，雷達距離分辨率也越高，相應脈沖壓縮的頻譜寬度也越窄。在4 GHz發(fā)射帶寬下，兩個角反射器目標對應頻率峰值相差為364 kHz，其約為1 GHz發(fā)射帶寬下頻率差值92 kHz的4倍，與理論值相符。隨后，將若干個角反射器擺放成CETC字母形狀的模型放置在轉臺上進行轉動目標成像實驗，如圖4所示，轉臺轉速為(π/15) rad·s-1。字母模型的雷達成像結果如圖5所示，成像結果較好地反映了各角反射器目標的相對位置信息。成像結果表明所提出的光子雷達結構具有對動目標進行成像的能力。

圖2 兩角反4 GHz帶寬下測距結果Figure 2.Range measurement of two TCRs at bandwidth of 4 GHz

圖3 兩角反1 GHz帶寬下測距結果Figure 3. Range measurement of two TCRs at bandwidth of 1 GHz

圖4 CETC字母模型光學圖片F(xiàn)igure 4. Photographs of CETC targets

圖5 CETC字母模型成像結果Figure 5.Radar image of CETC targets

3 結束語

本文提出并驗證了一種基于可重構微波光子發(fā)射機結構的去調(diào)頻接收雷達系統(tǒng)方案，綜合分析了該方案的工作原理，并對提出的系統(tǒng)進行了實驗驗證。本文所提出的可重構微波光子去調(diào)頻雷達成像系統(tǒng)，通過一套硬件設備實現(xiàn)了雷達發(fā)射波形的可重構，為減小可重構發(fā)射波形雷達的體積、重量和功耗提供了一套有效方案。本工作展示了微波光子技術在可重構雷達系統(tǒng)中的潛力?，F(xiàn)代雷達系統(tǒng)為了實現(xiàn)不同功能，需要在不同工作頻段上進行切換，如目標搜索、成像以及電子對抗等，微波光子技術在不更改系統(tǒng)硬件的基礎上，能夠完成雷達工作頻段的可重構，從而適應現(xiàn)代雷達性能的需求。微波光子技術憑借其低傳輸損耗、大處理帶寬、抗電磁干擾的優(yōu)勢，在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中將逐步替代傳統(tǒng)電子技術在雷達系統(tǒng)中功能模塊的作用。研究人員已經(jīng)在光子變頻、光采樣、光學真延時以及新體制雷達等方面取得了相關的研究成果，并已開始應用到現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中以提升雷達性能。未來將通過對寬帶波束形成、光子輔助雷達信號處理、超低相噪光電振蕩器和光電集成等關鍵技術更深入的研究來推動微波光子雷達系統(tǒng)性能的發(fā)展。