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。

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。

图2、美国休斯飞机公司电光混合真延时模块示意
Fig. 2 Hybrid electronic and optical true time delay module of Hughes Aircraft

进入21世纪后，随着光纤通信的蓬勃发展，光子技术越来越成熟，光电转换效率不断提升，微波光子技术也得到了飞速发展。因而，美国DARPA将微波光子雷达研究第3阶段目标定为微波光子信号处理的实现，期望研制出芯片化的微波光子雷达射频前端，如图1（d）所示。为此美国DARPA设立了诸多项目^[11]，包括“高线性光子射频前端技术”（PHORFRONT），“光子型射频收发”（P-STAR），“适于射频收发的光子技术”（TROPHY），“超宽带多功能光子收发组件”（UL⁃TRA-T/R），“光任意波形产生”（OAWG），“可重构的微波光子信号处理器”（PHASER）、“大瞬时带宽AD变换中的光子带宽压缩技术”（PHOBIAC），“模拟光信号处理”（AOSP），“高精度光子微波谐振器”（APROPOS）等。目前不少项目及其衍生项目还在执行中。尽管美国DARPA对微波光子学的研究投入了大量人力财力，大大推动了微波光子学的发展，但其更加重视微波光子学基础技术的攻关，而在微波光子雷达系统上的报道较少。

1.2 欧盟微波光子雷达研究进展

不同于美国，欧盟更加关注微波光子雷达系统的研究。世界十大防务集团之一——意大利芬梅卡尼卡集团认为微波光子雷达系统的发展要分4步走，如图3所示。第1步，采用光子技术辅助射频功能的完成，主要包括利用光纤进行射频信号的远距离传输等；第2步，采用光子完成复杂的射频功能，包括高频高稳高纯微波信号的光学产生，利用光子技术进行微波信号的移相滤波变频采样等处理；第3步，光子技术取代部分电技术在雷达系统中发挥作用，主要涉及光控波束形成在部分雷达系统中的应用；第4步，采用光子技术构建雷达系统，亦即实现全光的雷达收发样机。

图3、欧盟微波光子雷达发展规划
Fig. 3 Development plan of microwave photonic radar of European Union

欧盟第1次在雷达系统中测试微波光子技术要追溯到1996年欧洲最大防务电子集团——泰勒斯（Thales）集团完成的光控相控阵样机^[15]，如图4（a）所示。不同于美国休斯飞机公司的光纤波束控制雷达系统，泰勒斯集团的光控相控阵系统采用了空间光延时模块对信号的延时进行控制。该系统工作于2.5~3.5 GHz，拥有16个阵元，可实现5 bit的延时控制和6 bit的相位控制。实验中完成了2.7~3.1 GHz范围内±20°的波束控制，无波束倾斜效应。此后泰勒斯集团还基于空间光延时实现了紧凑的真延时单元，并进行了外场测试，可实现6~18 GHz，扫描角度为±20°的无波束倾斜波束控制。该模块的照片和结果如图4（b）~（c）所示。

图4、泰勒斯集团的光控相控阵样机、真延时单元照片及外场测试结果

Fig. 4 Optically controlled phased array prototype of Thales, the photo of true time delay module, and the results of the field test

2013年，意大利国家光子网络实验室的Bogoni团队完成了1个结合微波光子多载波产生、发射和接收的光子雷达收发信机PHODIR（图5（a）），该工作于2014年3月在《Nature》

发表^[16]。在发射端，具有超低抖动的锁模激光器产生1串光频梳输入到微波光子信号发生器中。在微波光子信号发生器中，光频梳信号被分成两路，分别经过2个光滤波器选出2根梳齿，其中1根梳齿调制上中频信号，另1根梳齿经过频移后与前1根梳齿合并拍频，实现雷达发射信号的产生。通过选择不同的梳齿可以产生400 MHz~40 GHz频率步进可调的雷达发射信号。在接收端，利用锁模激光器产生的光脉冲对接收到的雷达回波进行超快采样。采样后的信号经过光串并转换和时域拉伸进行降速，再进入低速电模数转换器中做进一步的量化和编码。该方案采用了锁模激光器为雷达发射机提供可重构波形，理论上可以产生上百GHz的微波信号，同时为接收机的光模数变换提供超低抖动的窄脉冲，避免了混频器的使用，提高了系统的稳定性和灵敏度，保证了收发相差。PHODIR雷达还进行了外场测试，得到了如图5（b）~（e）所示的结果。其中图5（b）为外场测试飞机的起飞轨道，图5（c）为A所在点的距离-速度图，图5（d）为距离和速度分辨率的放大图，图5（e）为未使用编码时的距离图，图5（f）为使用了13位巴克码编码的距离图。从实验结果可以看出，未使用编码前系统的距离分辨率为150 m，速度分辨率为2 km/h。编码后系统的距离分辨率提升至23 m。该系统的探测距离可达30 km。

图5、PHODIR 雷达及外场测试结果
Fig. 5 Schematic diagram and the field test result of PHODIR

2015年，Bogoni研究组^[17]对系统进行了改进，将PHODIR雷达拓展至双波段。系统核心是1个双波段射频发射机和1个双波段射频接收机，如图6所示。在发射端，锁模激光器产生的宽谱信号分成3路，分别通过3个光滤波器选出不同载波的光梳齿，其中第1路被调制上中频波形信号，后与第2路和第3 路合并拍频，拍频可以得到2 个载有信息的射频信号。分两路由2个射频前端进行选频放大，而后经过天线发射出去。在接收端，天线接收到的雷达回波经过选频放大等操作被重新调制回锁模激光器的1个梳齿上，与另外2根梳齿合并混频，从而将射频信号下变频到中频。所得到的中频信号输入电模数转换器和数字信号处理模块中进一步处理。该研究小组还对PHODIR双波段雷达进行了外场测试，首先对比了PHODIR 和商用X波段SEAEAGLE 雷达成像结果，如图7所示。图7（a）为光子雷达探测到港口图片，图7（b）、（c）分别是SEAEAGLE雷达和双波段微波光子雷达X频段分系统的平面位置指示器图像，二者符合极好，证明该双波段雷达样机已达到了商用先进雷达的性能。随后又同时发射S和X波段波形对港口的一艘轮船进行成像和测速，并利用发射的S和X波段波形内在的相参性将两波形进行数据融合，省去了数据融合时复杂的相位校准算法，最终等效成带宽为两信号带宽之和的信号。图8（a）为目标的图像，图8（b）、（c）分别为S、X波段探测到的一维距离像，图8（d）是利用融合算法合成的一维距离像。此时的探测精度相当于两信号带宽之和对应的探测精度，使得图中显示出了更多的细节。该小组还对更多的非合作目标进行了合成孔径成像，如图8（e）~（j）所示。图8（e）为空中非合作目标波音737，图8（h）为海上非合作目标轮船。图8（f）和（g）分别为S波段和X波段对图8（e）的成像结果，图8（i）和（j）分别为S波段和X波段对图8（h）的成像结果。该系统的最大优点在于通过同一个发射机和接收机同时实现了双波段信号的发射与接收，大大降低了系统对硬件的要求。此外，该系统在发射机和接收机中使用了同一个锁模激光器，保证了收发的相干性，有利于通过光混频方法将信号频率降到中频处理。然而，要实现对发射信号频率的灵活选择，要么需要多组特定频率的雷达射频前端，要么需要性能较好的可调谐电滤波器，这仍然是该系统的挑战之一。

图6、基于光子系统的双波段雷达发射机和接收机
Fig. 6 Transmitter and receiver of the dual-band PHODIR

图7、PHODIR 与商用SEAEAGLE 成像对比
Fig. 7 Imaging result comparison between the PHODIR and SEAEAGLE

（a）目标的图像；（b）S 波段探测到的一维距离像；（c）X 波段探测到的一维距离像；（d）利用上述融合算法合成的一维距离像；（e）空中非合作目标波音737；（h）海上非合作目标轮船；（f）和（g）分别为S 波段和X 波段对（e）的成像结果；（i）和（j）分别为S 波段和X 波段对（h）的成像结果

图8、PHODIR 双波段雷达外场测试结果
Fig. 8 Field test results of the dual-band PHODIR

除了对全光多波段雷达样机的探索，Bogoni团队还研究了雷达/通信双用途原型机^[18]，基本框图如图9所示。系统中通过一个雷达发射机产生并发射中心频率为2.4 GHz、带宽为20 MHz的雷达信号测试动目标“汽车”的距离和速度，同时通过1个通信发射机发射4.9 GHz的64-QAM信号用于无线通信。两信号通过相互独立的天线发射，但被同一个开槽波导阵列双波段天线接收，输入到同一个射频接收机中进行处理。通过同时对两信号进行光下变频处理。一方面测得了汽车的行驶速度约为50 km/h，距离约为13.8 m，另一方面，在雷达信号存在的情况下，通信信号的误差矢量幅度并没有什么变化，说明两分系统之间不会互生干扰。与没有光电下变频，直接接收电信号对比，仅有光电电光转换引入的3 dB左右损耗。上述系统的实现，说明未来该原型机能够利用同一个光子收发信机和天线完成多波段、多制式信号的产生、发射、接收和检测，实现真正意义上软硬件共享的雷达/通信一体化系统。除此以外，该研究小组还研究了激光雷达和射频雷达的综合系统^[19]，利用同一个锁模激光器分别为激光雷达和射频雷达提供高稳定的光源，在节省硬件资源的同时，也使得两雷达系统可以互为补充，增加了雷达系统在作战环境中的鲁棒性。

图9、雷达/通信双用途原型机原理及测试结果

Fig. 9 Schematic diagram and the experimental results of the integrated radar and communication system

1.3 俄罗斯微波光子雷达研究进展

俄罗斯也一直在发展微波光子雷达技术，由于其主要论文均由俄文撰写，国际社会对其研究进展了解甚少，直至2014年俄罗斯最大的无线电子设备制造商无线电电子技术联合集团（KRET）公开宣布，受俄罗斯政府资助开展“射频光子相控阵”（ROFAR）项目研究。该项目旨在开发基于光子技术的通用技术和核心器件，制造射频光子相控阵样机，用于下一代雷达和电子战系统。根据俄罗斯塔斯社最新报道称，ROFAR 采用分布式系统，可以发射带宽高达100 GHz的信号，发射机能效大于60%，可以对几百km外的物体实现3D成像^[20]。相对于传统雷达，ROFAR雷达的系统质量降低50%，分辨率可以提升数10倍。未来，这些射频光子相控阵单元有望用于俄罗斯“智能蒙皮”计划中和第六代战斗机上，实现集无源侦收、有源探测、电子对抗和安全通信多功能于一体的360°全覆盖扫描以及机上资源的一体化调度；ROFAR也有可能安装在俄罗斯正在研制的飞艇上，利用飞艇大表面优势，将天线阵列分布于蒙皮上，为俄罗斯提供导弹预警（图10）。

图10、ROFAR 雷达及其可能应用的飞艇与战斗机
Fig. 10 Photos of ROFAR radar, the seaplane and the fighter

1.4 国内微波光子雷达研究进展

从公开的报道来看，国内微波光子雷达的研究可以追溯至21世纪初，虽然相比美国和欧盟起步略晚，但发展极为迅速。2013年南京航空航天大学成立了雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室，先后开展了基于光纤连接的分布式雷达^[21-22]、超宽带噪声雷达^[23-25]、无源雷达^[26]等雷达系统研究。2017年6月，南京航空航天大学联合中国电子科技集团第14研究所研制出了可实现小目标实时成像的微波光子雷达验证系统^[27]，如图11所示。该系统发射端利用微波光子倍频技术将4.5~6.5 GHz 的线性调频信号倍频到K 波段（18~26GHz），由天线辐射到自由空间。该宽带信号经待测目标反射后，由接收天线收集并与参考信号进行光混频去斜，得到仅包含目标距离，多普勒频移等信息的低速信号。通过数字信号处理实现对待测目标的实时成像。该系统利用微波光子技术对接收信号进行预处理，在不损失信息量的前提下极大地压缩了数据量，成功实现了对小尺寸目标的实时高分辨成像，成像精度优于2 cm。此技术突破了电子技术对带宽与处理速度的限制，能为高精度实时雷达目标监测提供可靠的技术支持。课题组还对小型非合作目标无人机进行了高清实时成像。同期，中国科学院电子学研究所微波成像技术国家重点实验室的研究团队也完成了基于微波光子技术的SAR成像研究^[28]，其雷达发射信号带宽为600 MHz，对应成像分辨率25 cm。该系统实现了大型非合作目标波音737的成像，如图12所示，有效论证了微波光子雷达的可行性。清华大学也报道了一种用于测距和成像的光子雷达系统^[29]，该系统利用1个4位光数模转换器（DAC）产生了1个中心频率10 GHz，带宽4 GHz的线性调频信号，经发射天线发射、目标反射及接收天线接收后，携带上目标的距离和速度等信息。该光子雷达系统的距离精度为5 cm，测速精度为2 m/s。此外，2015年上海交通大学还报道了基于锁模激光器的光子雷达系统，用于测距^[30]，该系统原理如图13所示，发射机利用两路啁啾的光脉冲拍频得到中心频率和带宽可调谐的线性调频信号，经过待测目标反射回接收天线，所接收的信号经过光电调制器调制到光信号的幅度上，再经过一段色散光纤进行时域拉伸后输入光电探测器进行包络探测，得到携带距离信息的信号。在测距实验中，所产生的线性调频信号中心频率为10 GHz，带宽为4 GHz，成功区分出4 m外相距6 cm的2个目标。

图11、南京航空航天大学实时成像光子雷达系统及实验结果

Fig. 11 Schematic diagram and the experimental results of the real-time imaging microwave photonics radar of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA)

图12、中国科学院电子学研究所波音737 外场测试ISAR 成像结果

Fig. 12 ISAR imaging results of Boeing 737 with the microwave photonics radar developed by Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences

图13、上海交通大学光子雷达样机
Fig. 13 Photonics radar prototype developed by Shanghai Jiao Tong Univeristy

从上述若干典型微波光子雷达系统可以看出，微波光子技术的引入可以大大提升了雷达系统的性能，例如探测精度得到提升、多波段多功能实现融合等，但大部分雷达系统还只是能力演示，难以真正实用，因此，对微波光子雷达系统中关键技术的研究与提升仍然是当前关键。

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