摘要
雷达是人类进行全天候目标探测与识别的主要手段，多功能、高精度、实时探测一直是雷达研究者追求的目标。这些特性实现的基础都是对宽带微波信号的高速操控，但受限于“电子瓶颈”，宽带信号的产生、控制和处理在传统电子学中极为复杂甚至无法完成。光子技术与生俱来的大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，使其成为突破雷达带宽瓶颈和“照亮雷达未来”的关键使能技术。同时光子系统重量轻、体积小、可集成，可以将雷达系统的体积重量降低数十倍，从而大大减轻飞机、卫星、舰艇等的载荷。因此光子技术的引入有可能改变现有雷达系统的体制，赋予雷达系统更加蓬勃的生命力。本文总结了国内外光子雷达系统的主要研究进展，讨论了光子雷达系统中的关键技术，并展望了光子雷达及其关键技术的发展趋势。
关键词
微波光子雷达；信号产生；信号处理；波束形成
未来的战争将是地、海、空、天一体化的多维空间立体战，不但有水下、水面、空中、地面硬杀伤兵器在有形空间展开的火力战，还有信息获取传感器与软杀伤兵器在无形空间展开的信息战。导弹等精确制导武器的大量使用改变了以往战争中的攻防结构，扩大了交战的空间，交战双方相距很远时，就可以用导弹相互实施攻击，先知先觉成为有效攻击和防御的首要任务。雷达作为现代战争中极为重要的军事装备，是海、陆、空、天各兵种的“眼睛”，是全天时、全天候、复杂环境下发现和跟踪各种威胁的重要手段，自诞生以来就被广泛研究[1-5]。然而，随着雷达技术的发展，对抗雷达的作战平台和作战方式也得到了长足的发展；同时，随着飞行器技术的发展，雷达所需探测的目标的特征和电磁特性也日益复杂，使得雷达技术和系统必须不断发展和演进才能有效发挥作用。当前，日趋复杂的战场环境要求雷达既能搜索远距离目标，又能发现近距离目标；既能探测中空、高空目标，又能指示低空目标；既能进行多目标搜索、跟踪，又能进行制导和导航；既能轻松识别强目标，又能有效探测到低、慢、快、小、隐等低可观测目标[4-5]；此外，雷达在作战中还担负着战场环境感知（成像、气象观测）、警戒、电子反制、敌我识别等多种任务。然而，传统雷达基本上属于单一功能设备，即某一特定雷达只能完成某一种或某一类特定任务，这不可避免会造成以下后果[6]：1）雷达装备的品种繁多、结构复杂，给研制、生产、使用和维护带来极大不便，直接影响装备的通用化和标准化建设；2）作战中，大量数据从各个性能不同的雷达传感器送至控制计算机，在系统反应时间上形成薄弱环节，最终影响作战效能；3）在舰船、飞机、卫星等具有有限装备空间、有限载重范围和有限能源供给的载体中，同时配置多部雷达将带来严重的电磁兼容性等问题，对载荷能力和续航能力提出巨大的挑战；4）各雷达参数固定，在电子对抗中易被捕获和压制，生存能力较低。如果雷达的工作频率可以跨越多个波段，一方面雷达的参数在作战时不易被敌方获取，在电子对抗中具有较高的生存能力，另一方面可以在同一部雷达中同时实现或快速切换雷达的功能，使之拥有多种工作模式[7]。此外，大带宽本身对应着雷达的高分辨率。因此实现集多种功能于一体的新型雷达，研制和试验多波段宽带可重构雷达已成为重要的发展趋势。
要想实现多波段宽带可重构雷达，宽带射频前端是当前最为关键的挑战。然而受限于“电子瓶颈”，电子技术难以实现宽带信号的产生、控制和处理。微波光子技术的快速发展和不断成熟为多波段可重构雷达带来了希望。相比于传统电子技术，微波光子技术能够提供高频率、多波段的本振源和高精细、大带宽的任意波形产生，基于光真延时的波束形成可克服传统相控阵波束倾斜和孔径渡越等难题，微波光子模数变换在高采样率下仍能保持较高的有效比特数。此外，微波光子技术相对于电技术还具有传输损耗低、质量轻及抗电磁干扰等潜在优势[8-10]，因此基于微波光子技术的雷达能有效克服传统电子器件的若干技术瓶颈，改善和提高传统雷达多项技术性能，甚至有望成为下一代雷达系统的关键，为雷达等电子装备技术与形态带来变革。
微波光子技术自诞生以来就受到了国际学术界、工业界和国防部门的高度重视，美国国防部高级研究计划局（DAR⁃PA）近年来设立了数十个项目支持核心微波光子器件、光电振荡器、光任意波形产生（OAWG）、光模数转换（ADC）、模拟光子信号处理、模拟光子前端、光电集成等技术的研究[11]。中国和欧盟也对微波光子技术进行了重点支持，相应的器件、模块、单元技术日趋成熟。随着微波光子技术的发展，将微波光子技术应用于多功能雷达系统已成为众多国家的重要研究课题。以欧盟为例[12]，设立“全光数字雷达”（PHODIR）项目以设计和实现基于光子技术的全数字式雷达验证装置。该装置在发射机端实现了高频信号的光子学产生，同时在接收端对雷达回波信号进行了超高比特率的光子采样，发射和接收共享同一基准源，从而确保了收发相参。在PHODIR项目的基础上，设立“预工业化光子雷达设计”（PREPaRE）项目，进行微波光子雷达的预工业化设计，以期将PHODIR项目的光子雷达推向工业化。设立“用于宽带互联的集成光毫米波器件和功能”（IPHOBAC）项目，研究先进紧凑的光子源，包括高频谱纯度及稳定性的微波源，超宽带可调谐微波源和带集成天线的发射机。设立“用于下一代合成孔径雷达应用的光子前端”（GAIA）项目，发展用于未来合成孔径雷达的阵列天线所要求的光子技术，包括阵列天线的光信号分发，在发射和接收时采用集成光路对每个天线单元进行真时延控制，设计适用于大型可展开天线的光控波束形成。因此，微波光子雷达不仅被学术界认为是新型雷达的未来，也被工业界视作切实可行的解决方案。本文将回顾国内外微波光子雷达关键技术与系统集成的主要研究进展，并对微波光子雷达进一步发展进行展望。
1、微波光子雷达系统研究进展
目前国际上微波光子雷达主要有美国、欧盟、俄罗斯3条发展路径，中国也在不断跟踪研究中形成了鲜明的特色。
1.1 美国微波光子雷达研究进展
早在20世纪80年代末，美国DARPA就开始支持微波光子雷达相关的研究，并形成了图1中的发展规划。根据该规划，微波光子学在雷达系统中的应用将分3个阶段。图1（a）为传统微波雷达接收前端：雷达回波由天线阵列收集，随后放大、滤波，接着波束形成网络对来源于不同空间方向的信号进行选择，所得到的信号经传输网络送至中心处理站，变频后进入数字接收机做进一步处理。在这种雷达前端中，信号传输一般由同轴电缆完成，其传输损耗约为1 dB/m，长距离传输时需多级放大才能补偿信号衰减，而这必然引入大量的非线性和噪声，增加了能耗。因此，美国DARPA在第1阶段开展高线性模拟光链路的研究，如图1（b）所示，利用超低损耗的光纤（传输损耗仅有0.0002 dB/m）取代体积大、质量大、损耗大和易被电磁干扰的同轴电缆。这个阶段的典型成果为20世纪70年代末美国莫哈韦沙漠中的“深空网络”[13]，它由分布在数十km内的多个大型蝶形天线组成，这些天线借助光纤传输1.42 GHz超稳参考信号，并利用相控阵原理等效成一个巨大的天线。
图1、DARPA 微波光子雷达发展规划
Fig. 1 Development plan of microwave photonic radar of DARPA
美国DARPA微波光子雷达第2阶段的目标是实现光控（真延时）波束形成网络，用于替代在宽带情况下会出现波束倾斜、孔径渡越等问题的传统相移波束形成网络，如图1（c）所示。这个阶段的典型成果是1994 年美国休斯飞机公司（Hughes Aircraft）实现的基于光纤波束形成网络的宽带共形阵列[14]。在该阵列中，休斯飞机公司采用了电延时和光延时的混合模块实现对发射信号延时的控制，如图2所示，其中光延时模块采用的是最简单的基于光开关的延时模块。该相控阵系统实现了0.35~2.1 GHz范围内16阵元的±45°范围内1.31°的角度扫描精度，且在宽带宽角扫描时没有观测到波束倾斜效应。
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