微波光子雷达及关键技术（四）
2、微波光子雷达关键技术
雷达是通过发射电磁波并接收回波来探测目标位置、速度和特性的系统，一般由中控设备、发射机、接收机等组成，基本原理如图14所示。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。下面从5方面深入探讨微波光子雷达的关键技术。
图14、传统雷达系统原理
Fig. 14 Schematic diagram of the traditional radar system
2.1 本振信号光产生
在雷达系统中，本振信号质量的好坏很大程度上决定了发射信号和接收机中频信号的质量。一个高稳定低相噪的本振源对弱目标探测至关重要，否则目标回波信号将淹没在噪声中难以提取。另一方面，本振信号还作为参考信号提取回波信号的延时，得到目标的位置信息等，不稳定的信号会对延时的测量引入较大误差，影响雷达的探测性能。此外，为了降低系统的虚预警率，本振信号需具有较大的边模抑制比。随着下一代雷达系统对更高载波频率的需求，传统的电微波产生方法不断显现出其局限性。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[31]，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。
光电振荡器的基本结构如图15所示，主要由激光器、电光调制器、光电探测器、放大器和带通滤波器等组成。光源发出的连续光信号进入电光调制器进行强度调制，然后经过光纤传输后进入光电探测器。光电探测器将光信号转变为电信号后进入由微波放大器、带通滤波器组成的选频、放大链路，其中带通滤波器执行选频操作，抑制不需要的杂波，微波放大器提供微波信号增益。最后微波信号输入电光调制器，调制光源发出的连续光信号，形成反馈回路。信号在整个回路中多次循环，经过不断光电转换、放大及反馈过程，最终建立起稳定的自激振荡。由于光纤的损耗较低，电光调制器和光电探测器之间的光纤可以长数km或数十km，这将大大提高振荡腔的储能时间，而储能时间又正比于振荡器的品质因数，所以光电振荡器可以振荡出超高纯度的微波信号。作为比较，传统微波谐振腔的腔长仅为数cm，因此光电振荡器的相位噪声可有若干数量级的降低。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。
图15、光电振荡器的基本结构
Fig. 15 Schematic diagram of the basic structure of OEO
为了实现高频微波信号的产生，可以在振荡器内采用新型大带宽器件，譬如：美国中佛罗里达大学采用带宽70 GHz的电光调制器和光电探测器以及高精细度的法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）标准具实现了最高频率为60 GHz的光电振荡器[32]；北京大学基于布里渊散射效应实现了60 GHz的可调谐光电振荡器[33]；也可以在光电振荡器内进行倍频，例如南京航空航天大学微波光子学实验室提出的基于偏振调制器的倍频光电振荡器等[34-36]。
在光电振荡器中，输出信号的相位噪声主要来源于激光器、光电探测器、放大器等有源器件的热噪声、散射噪声及相对强度噪声，因此要降低信号的相位噪声，可以通过优化各器件（如激光器、调制器、探测器、放大器等）的参数与工作状态（偏压、增益、饱和、非线性等），并结合使用长光纤环路（因长光纤会带来衰减、非线性、色散等，并非越长越好）[37]。
为了获得高的边模抑制比，最直接的方法是采用很窄的滤波器滤除边模。但是为了得到高Q 值，通常需要选取长光纤，这就使得振荡模式间隔极小，普通的电滤波器或光滤波器很难滤除所有的边模。通常的解决办法是构建2个或多个环路，利用游标卡尺效应，实现边模的有效抑制[38-39]。还有一种方法是用超高Q 值的光滤波器，如相移-光纤布拉格光栅（PS-FBG）[40]、法布里-珀罗（F-P）腔、回音壁模式谐振器等[41-42]。这种光滤波器既可以精细滤波，本身也是一种良好的储能器件，因而可以代替长光纤，这使得光电振荡器的结构极为紧凑，甚至可以集成[42]。还可以采用耦合式光电振荡器结构，通过主动锁模光纤激光器环路提高振荡器的Q 值，从而避免长光纤的使用[39,43]。此外，基于外部注入锁定的光电振荡器通过将OEO的振荡模式引导至外部注入信号频率处，并形成振荡。由于注入信号的激励作用，OEO的边模可被极大抑制[44]。
由于OEO的环路主要由光纤构成，其腔长容易受到环境的温度、应力等影响发生变化，直接造成起振基频的变化，从而使输出频率发生漂移或跳频。当前维持光电振荡器稳定振荡的主要思路是将其小型化并加以适当的锁相环、工程封装和温度控制。例如，OEwaves公司开发了一种可集成的回音廊模式谐振器代替光纤形成高Q 值振荡腔，已将OEO向实用化推进[45]；欧洲空间局提出采用对温度不敏感的特殊光纤（如实芯光子晶体光纤）代替普通单模光纤，降低振荡腔对环境的敏感度；同时，美国空军实验室使用锁相环技术实现了光电振荡器的频率稳定输出[46]。
国内对光电振荡器的研究稍晚于国外，且研究更多地集中于基于光电振荡器分立器件系统的研究与应用。清华大学娄采云课题组[47]首先将光电振荡器应用于时钟提取与分频研究中。天津大学于晋龙等[48]基于光偏振复用技术实现新型双环OEO。此外，北京大学、浙江大学、中国科学院半导体研究所、东南大学等国内多个高校和研究所在国家自然科学基金等项目的支持下，也对光电振荡器进行了深入研究，实现了多种结构的光电振荡器，形成了若干样机，并用于码型转化、射频上下变频、时钟恢复等信号处理单元中。图16为南京航空航天大学构建的基于注入锁定及锁相技术的光电振荡器原理样机。该样机的输出频率为10 GHz，1 kHz 频偏处的相位噪声低于-125 dBc/Hz，10kHz频偏处的相位噪声低于-148 dBc/Hz，杂散抑制比>80 dBc，阿伦方差@1 s为10-12。
图16、南京航空航天大学的10 GHz 超低相噪光电振荡器
Fig. 16 Photos and phase noise of the ultra-low phase noise OEO of NUAA
2.2 雷达波形的光学产生
在雷达系统中，发射信号的功率、时宽、带宽、编码形式等参数决定了系统的探测距离、探测精度和抗干扰能力。随着下一代雷达系统对探测能力的要求越来越高，传统电子波形产生技术已越来越难以满足雷达系统的需求。当前电子较好的技术水平能生成与处理的信号带宽往往低于2 GHz。而某些新型雷达已希望具备5~10 GHz甚至20 GHz以上的超大带宽信号生成能力，以期达到cm量级的分辨率，从而大幅提升雷达系统的识别能力。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。
第1种是光频时映射法。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。美国普渡大学的Weiner课题组[49]对这种方法研究较为深入。加拿大渥太华大学[50]，国内的上海交通大学[30]、西南交通大学[51]、南京航空航天大学[52]等对此都有所研究。这种方法的优点在于可以灵活控制输出信号的波形，可以产生带宽高达50 GHz的超大带宽信号。但是其局限主要在于所产生信号的时宽较小，通常只有几ns，难以满足远距离雷达的需求。
第2种是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。国际上，加州大学洛杉矶分校的Liu课题组[53]对此研究较为深入，实验和理论详细研究了光注入半导体激光器的各种非线性动态特性，并从光谱特性上分析了各种动态现象的成因。本课题组也基于这种方法提出了宽带雷达波形产生方案[54-56]，即通过改变调制在外注入光上的低速电信号动态地控制注入到激光器的光强度，进而实现对所产生微波信号瞬时频率的控制。改变低速电信号的参数，则雷达波形的带宽、时宽、重复频率、中心频率、波形种类等参数均随之改变，波形切换速度快（<100 ps）。基于这种方法，本课题组使用一个100 kHz重频的锯齿波得到了带宽大于12 GHz、时宽大于10 μs的线性调频信号[54]；使用多电平阶梯波信号得到了高速跳频微波信号（包括线性递增序列和科斯塔斯序列等）[55]。
第3种是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[57-61]。但它的主要问题在于调制器所能承受的最大功率有限，调制系数较低，所生成信号的时宽带宽积受限（通常只有10左右）。为了解决这一问题，提出一种基于分段调制方法等效提升系统的调制系数，得到了中心频率可连续调谐，带宽为4 GHz，时宽为1 μs的大时宽带宽积线性调频信号。相对于未分段情况，这种方法可将时宽带宽积提升了500倍以上[62]。
第4种是微波光子倍频法。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。日本情报通信研究机构对此研究较多。实验最高产生了频率75~110 GHz、脉冲持续时间20 μs、时宽带宽积为7×105的线性调频信号[63]。也基于这种方法在电域产生时宽为1 μs的4.5~5.5 GHz和7~8 GHz的线性调频信号，利用偏分复用双平行马赫增德尔调制器得到了4倍频的18~22 GHz和28~32 GHz的双波段雷达发射波形[64]。
第5种是光数模转换（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。并行光DAC最早由美国IPITEK公司于2003年提出，利用并行电光调制器实现了2 bit，80 MSa/s的数模转换[65]。而串行光DAC 最早由日本电报电话公司（NTT）于2001年提出，基于加权延时叠加实现了10 GSa/s和2 GSa/s信号速率的数模转换[66]，并将其应用到脉冲信号产生中。清华大学郑小平课题组[67]于2015年提出一种基于脉冲整形的并行光数模转换方案，实现了10 GSa/s、4 bit的光数模转换，得到了15 GHz/30 GHz的锯齿波和正弦波信号。本课题组于2017年提出一种基于相位调制和色散的串行光DAC方案[68]，实验得到了2.5 GSa/s，有效比特数为3.49的光DAC，利用该DAC产生了三角脉冲、抛物线脉、方形脉冲和锯齿脉冲。
