中國首台微波光子雷達誕生 解析度超美30倍

中科院電子學研究所網站6月12日披露，該所成功研製出中國第一台微波光子雷達樣機，並通過外場非合作目標成像測試，獲得國內第一幅微波光子雷達成像圖樣，在圖像解析度上比國際水平高出一個數量級。

雷達具有全天時全天候對目標探測、成像的能力，在軍事民用上具有廣泛應用。傳統雷達以電子為載體實現信號的產生和處理，解析度和處理速度因電子器件的帶寬限制而存在提升瓶頸，難以滿足未來應用對高性能雷達的需求。而微波光子雷達，以光子為信息載體，利用豐富的光譜資源和靈活的光子技術，能夠更好、更快地產生和處理雷達寬頻信號，具有快速成像、高解析度和清晰辨識目標的能力。

微波光子雷達示意圖

微波光子雷達樣機的研製負責人李王哲研究員告訴科技日報記者，研究團隊對雷達總體光子架構設計、雷達信號光子產生和光子壓縮處理，以及成像演算法等關鍵技術進行了攻關;在經過實驗平台原理驗證、微波暗室轉檯實驗、系統集成聯調和外場試驗等一系列測試後，成功實現了對空中隨機目標——波音737飛機的快速成像。

圖像成圖快、解析度高，從中可以辨識如發動機、尾翼、襟翼導軌及其數量等飛機細節，充分展示了微波光子雷達的優勢。據介紹，在已知報道的微波光子雷達中，該部雷達的外場成像解析度最高，比國際同類雷達提高了約30倍，並具有將解析度繼續提升一個數量級的潛力。

微波光子雷達資料圖

微波光子雷達對目標精細結構和特徵的快速識別，使其不僅能夠應用於作戰平台對小型化目標的實時辨識，也能為無人智能設備提供準確的環境信息，在軍民兩棲領域具有重要意義。

微波光子學技術的發展及其在雷達上的應用是雷達領域的一項潛在顛覆性技術，是新一代多功能、軟體化雷達的重要技術支撐。

微波光子雷達作為雷達發展的新形態，能有效克服傳統電子器件的技術瓶頸，改善和提高傳統雷達多項技術性能，為雷達等電子裝備技術與形態帶來變革。

微波光子技術在電子系統中的最初應用形式為光模擬信號傳輸，即將單個或多個模擬微波信號載入到光載波上並通過光纖進行遠距離傳輸。

光纖

近年來，微波光子逐漸從模擬光傳輸功能演變為包括微波光子濾波、變頻、光子波束形成等多種信號處理功能的綜合能力。

微波光子技術在電子系統中的發展歷程微波光子學最早的系統層應用是70年代末美國莫哈韋沙漠中的「深空網路」。

它由分布在數十公里內的十多個大型碟形天線組成，這些天線藉助光纖傳遞1.42GHz超穩定參考信號，並利用相控陣原理像一個巨大的天線一樣工作，從而與太空的空間飛船保持通信和跟蹤。

近年來，微波光子技術已應用到雷達、電子戰、衛星通信、綜合射頻和深空探測等領域。

典型的微波光子雷達系統包括：休斯公司的光纖波束形成網路寬頻共形陣列、泰勒斯公司的光控相控陣樣機、全光子數字雷達(PHODIR)樣機、雙波段微波光子雷達樣機、以及俄羅斯射頻光子陣列(ROFAR)開發項目。

微波光子雷達系統的發展演進典型的微波光子機載電子戰系統包括：ALR-2001嵌入微波光子鏈路驗證系統、歐空局的電子戰光控分系統(EWOCS)和F/A-18E/F大黃蜂上的ALE-55光纖拖曳式誘餌。

微波光子電子戰系統典型衛星通信和成像系統包括：EUROSTAR3000通信衛星、土壤濕度和海洋鹽度(SMOS)地球探測衛星、PROBA-V成像衛星的高密度空間連接器驗證(HERMOD)載荷、ALPHASAT通信衛星的光互聯繫統模塊(SIOS)。

為實現雷達、電子戰和通信等多頻段寬頻信號的綜合管理和分配，一種可行途徑是採用基於射頻光子縱橫交換技術和光纖射頻傳輸技術的多功能綜合射頻方案。

美國海軍就這兩種技術在AMRFC項目中進行了研究，並分別用於艦載可重構孔徑陣列的波形產生和射頻分配網路中。

在深空探測方面，智利的阿塔卡馬大型毫米波陣列(ALMA)預計安裝66面口徑12米的拋物面天線，進行毫米波和亞毫米波(31~950GHz)太空觀測，利用18km長的光釺基線，為每個天線提供本振參考信號。

微波光子雷達研究進展

一、世界首部全光子數字雷達(PHODIR)

義大利PHODIR項目於2009年底啟動，旨在設計、研製和驗證具備發射信號光產生、接收信號光處理能力的全數字雷達驗證機，解決阻礙全數字雷達收發機的瓶頸問題，例如無雜散動態範圍(SFDR)和相位雜訊電平。

該項目於2013年取得重大進展，所研製的單站單通道PHODIR樣機成功實現對非合作民航客機的跟蹤與測量。

二、雙波段微波光子雷達

2015年6月，研究小組將PHODIR雷達擴展至兩個頻段，系統核心是一個雙波段射頻發射機和一個雙波段射頻接收機。

在義大利SanBenedetto del Tronto港口對雙波段雷達進行了外場驗證。

微波光子雷達的內在相參性能夠省去數據融合時複雜的相位校準演算法。

目標船(A)以及採用S波段(B)、X波段(C)探測得到的一維距離像，(D)融合後的結果)。

根據船體實際結構，可以看到船尾部有更多的散射源(絞盤)，上層形狀顯示桅杆和背部隔板分離。

2016年5月，實驗小組實現了對空中和海上非合作目標的ISAR成像。

(A)波音737-800飛機，(B)和(C)是利用S波段和X波段對該飛機的ISAR成像結果;(D)目標油輪，(E)和(F)是S波段和X波段對油輪的ISAR成像結果。

三、雷達/通信集成系統

2016年5月，PHODIR小組搭建了一個雷達/通信雙用途原型機，該原型機基於同一個天線和光子收發機完成雷達與通信信號的接收和檢測，可同時執行監視與通信任務，且兩分系統之間不會互生干擾。

未來，該原型機可利用同一個光子收發機和天線完成信號的產生、發射、接收和檢測，實現真正意義上軟硬體共享的的雷達/通信一體化系統。

四、激光雷達/雷達集成系統

激光雷達因具有更好的指向性和空間解析度，被廣泛用於測距儀、測速儀和成像系統。但激光雷達對粗糙目標和大氣湍流產生的斑點雜訊非常敏感，它會使得多普勒譜線展寬，從而限制速度分辨力。

2015年2月，PHODIR小組基於一個MLL將激光雷達系統和微波光子雷達系統集成起來，減小了硬體和功耗負擔，提供了多角度環境感知的能力。

下文介紹該系統原理以及它在速度測量方面的魯棒性和靈活性。

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