光子雷达文献提炼

1、网络报道下一代雷达（无线电侦查与测距）系统以软件定义的无线电通讯为基础，具有载频更高、 天线更小、带宽更广的特点，高度灵活以适应变化的环境。最近，一个意大利研究小组在自 然杂志上发表论文，介绍了他们开发出的首个全光子学基础的相干雷达系统。研究人员介绍了他们是怎样建造这种新式雷达系统的。美国海军研究实验室官员詹森 麦可金尼在同期刊上发表了对该雷达系统的未来展望，概括了要把这种全光子雷达系统在真 实世界里付诸实施应注意哪些问题。该雷达系统是PHODIR计划（基于光子学的全数字雷达）的一部分，该计划旨在提高目 前电子信号系统的跟踪和速度计算能力。众所周知，这种系统需要更高频的信号，而现有系 统还做不

2、到这一点，因为高频会增加噪声，使接收的信号更不清楚。因此，科学家正在探索 如何利用更稳定的激光信号。要用激光建造雷达系统必须克服的一个难题是，需要一个振荡光模来保持高度稳定的相 位关系。据物理学家组织网近日报道，研究人员用了一个锁模激光器来建立低定时抖动的激 光脉冲周期序列，把它和装有新写软件的计算机相连，再加上一个滤光器和一个光电二极管， 就能以低噪声产生无线电射频（RF）信号。虽然目前的全光子雷达系统还是个原型，但它确实管用。研究小组用它来真实监控了一 个附近机场的飞机起飞，以测试它的能力，并将观察数据和来自传统电子信号系统的数据进 行了比较，结果极为吻合。Nature中文评述下一代雷达系

3、统将需要高度自动化，采用软件定义的信号生成和检测来在监测和无线通信应 用中灵活操作。然而，必要的“模-数”转换对传统微波电子元件造成严重技术局限。这使 得非常适合数字化操作的光子雷达成为一个有吸引力的选项。此前，基于光子的无线电信号 生成和检测一般都是被分开研究的。在这项研究中，Paolo Ghelfi等人将各个元件结合起来 生成了一个能够发挥功能的全光子雷达系统。该系统的有效性和精确性在一项涉及对过往飞 机进行检测的现场试验中得到了演示。Photonicsilluminatesthefutureofradar（内容整理）在使用光子技术进行宽带射频信号处理上有需求。这项研究主要的动力是：电子系

4、统无 法在发生、处理高频宽带数字信号时保持信号不失真。目前软件控制的信号敏捷度很高，这 样可以提供高分辨。相参雷达使用了回波信号的幅度和相位进行测距和测速。信号被调制到高载频并经过放 大和发射到目标。讲了一堆雷达原理。精确的雷达测速要求载波频率和参考频率都确定已知 这要求相位噪声很低。在数字相参雷达里，回波处理通过计算机实现。这样的处理要求高精度模数转换。数字 化要求采样时间精确知道，这要求定时抖动最小化。低相噪和定时抖动是紧密关联的：定时 抖动与在频率上积分的相位噪声成正比。最小化相位噪声也意味着最小化定时抖动。考虑模式锁定激光一一一系列光学振荡模态保持高稳定相位关系的激光。这种相位稳定 性

5、可以生成一串低定时抖动的周期性激光脉冲。当两个光学模态被一个光学滤波器选中并被 导引到一个光敏传感器（光敏二极管），传感器的电输出即是一个低相位噪声的射频信号。 这个信号的频率很容易被选中的两个光学模态调制。RF信号产生的效率由在选定频率的光 敏二极管的电响应决定。对相参雷达应用，这种激光即可以产生可调制的低相噪射频信号， 又可以作为低定时抖动ADC的基础。这也是Ghelfi等人在建造相参雷达系统中做的主要工 作，其隶属于一个PHODIR（基于光子的全数字化雷达）的项目在这个项目中，一个单模态锁定的激光被用来生成所需要的连续波射频信号并在一个光 学ADC中对回波采样。实验室测量表明在接近40G

6、Hz的频率时信号表现出来的积累相噪 及定时抖动近似是最好的传统射频合成器的一半。更重要的是，由于激光脉冲序列的定时抖 动大约是最好电子ADC的十分之一，作者获得了 40GHz连续波信号数字化的创纪录精度。 这个光学ADC的数字灵敏度大概是最优电子器件的100倍。而且器件与现有的光子ADC相 比在10倍带宽下都有类似的灵敏度，这是十分重要的结果。在一个史无前例的论证中，Ghelfi和他的同事将他们的光子发射接收机并入到一台载波 频率为10GHZ的相参雷达中，在实际中通过测量数个飞机的起飞航迹来测试系统。他们将 距离和速度数据与公开航迹数据进行了对比，发现两者十分吻合。结果表明基于光子的发射 接收

7、机可以成功应用与雷达系统中。谈到其他基于光子的器件，系统的发射机和ADC的独立性能都是世界级的。此外，随 时可调的载波和参考信号，与光子ADC 一样，都移除了全电子雷达中固有的复杂的频率转 换部分。当然，这些器件和他们在一个功能性系统中的整合，都昭示着未来频率敏捷和软件 定义的雷达发展方向。但一个更重要的问题必须要考虑，即光子雷达是否可以取得与电子雷达相比相近的或是 更优的性能？与这台雷达相比，现有的工作在10GHz的商用数字雷达系统有着更高的动态 范围。由于动态范围直接意味着雷达灵敏度和虚警率，因此必须很高。另一个需要考虑的问题是探测距离，较远的探测距离需要更长的处理时间，这对载波频 率偏移

8、较小时的长时间定时抖动和相位噪声提出了更严格的要求，而这对光子器件来说很难 最小化。Ghelfi和他的同事的工作还存在其他问题。光子对何种雷达系统影响最大？给定一种特 定的雷达应用，这对我们的技术会提出何种需求，这又能否实现？Afullyphotonics-basedcoherentradarsystem （内容提炼）系统在高频时提供了前所未有的频率可调性、信号质量和接收机分辨率。光子产生RF 信号主要有两种途径：光电振荡器和在一个光敏二极管中差分两个激光。前者可调性较差。 后者更易调制任意频率。但需要两个激光相锁。实际可以实现RF频率的可调性和在RF信号 上的任意调制。高频雷达中ADC需要高

9、采样率和高信噪比。传统电子ADC受到定时抖动的限制，而光 子ADC则可以克服这个问题：一列短光学脉冲可以直接被射频信号调制以用来数字化，这 样每个光学脉冲的峰值幅度就可以被检测出来及数字化。“基于光子的全数字雷达”的基本理念即是使用单一的模式锁定激光来实现RF信号的 发生和采用。但这两个所需要的频率不同，因此需要在外差前移动一个模式锁定激光的频率。 ADC中后级使用了并行分路、光电转换来实现电子采集。光子的精度在相参雷达中很重要，因此速度是通过多普勒测量获得，而多普勒测量需要 对回波信号频率和参考信号频率作差。所使用的模态锁定激光以400MHz的PRF产生亚皮秒的脉冲。频率调制是通过可选RF滤波器在RF域实现的。通过直接在中频产生调制信号，我们可以在需要的RF载频上生成调制信号。此外，通 过从合成器对数字信号增加一个相位调制，可以实现相位编码的雷达脉冲以满足宽带高分辨 的需求。带宽可以拓展到模态锁定激光重复频率的一半（200MHz）。实际飞机实验，信号脉宽1us，积累时间2