搜索微波光子雷達(dá)技術(shù)最新研究進(jìn)展
2017-04-03 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
微波光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展及其在雷達(dá)上的應(yīng)用是雷達(dá)領(lǐng)域的一項潛在顛覆性技術(shù),是新一代多功能、軟件化雷達(dá)的重要技術(shù)支撐。微波光子雷達(dá)作為雷達(dá)發(fā)展的新形態(tài),能有效克服傳統(tǒng)電子器件的技術(shù)瓶頸,改善和提高傳統(tǒng)雷達(dá)多項技術(shù)性能,為雷達(dá)等電子裝備技術(shù)與形態(tài)帶來變革。
微波光子技術(shù)在電子信息系統(tǒng)中的應(yīng)用演進(jìn)
微波光子技術(shù)在電子系統(tǒng)中的最初應(yīng)用形式為光模擬信號傳輸,即將單個或多個模擬微波信號加載到光載波上并通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。近年來,微波光子逐漸從模擬光傳輸功能演變?yōu)榘ㄎ⒉ü庾訛V波、變頻、光子波束形成等多種信號處理功能的綜合能力。
(圖為:微波光子技術(shù)在電子系統(tǒng)中的發(fā)展歷程)
微波光子學(xué)最早的系統(tǒng)層應(yīng)用是70年代末美國莫哈韋沙漠中的“深空網(wǎng)絡(luò)”,它由分布在數(shù)十公里內(nèi)的十多個大型碟形天線組成,這些天線借助光纖傳遞1.42 GHz超穩(wěn)定參考信號,并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(shù)已應(yīng)用到雷達(dá)、電子戰(zhàn)、衛(wèi)星通信、綜合射頻和深空探測等領(lǐng)域。
典型的微波光子雷達(dá)系統(tǒng)包括:休斯公司的光纖波束形成網(wǎng)絡(luò)寬帶共形陣列、泰勒斯公司的光控相控陣樣機(jī)、全光子數(shù)字雷達(dá)(PHODIR)樣機(jī)、雙波段微波光子雷達(dá)樣機(jī)、以及俄羅斯射頻光子陣列(ROFAR)開發(fā)項目。
(圖為:微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展演進(jìn))
典型的微波光子機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)包括:ALR-2001嵌入微波光子鏈路驗證系統(tǒng)、歐空局的電子戰(zhàn)光控分系統(tǒng)(EWOCS)和F/A-18E/F大黃蜂上的ALE-55光纖拖曳式誘餌。
(圖為:微波光子電子戰(zhàn)系統(tǒng))
典型衛(wèi)星通信和成像系統(tǒng)包括:EUROSTAR3000通信衛(wèi)星、土壤濕度和海洋鹽度(SMOS)地球探測衛(wèi)星、PROBA-V成像衛(wèi)星的高密度空間連接器驗證(HERMOD)載荷、ALPHASAT通信衛(wèi)星的光互聯(lián)系統(tǒng)模塊(SIOS)。
為實現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信等多頻段寬帶信號的綜合管理和分配,一種可行途徑是采用基于射頻光子縱橫交換技術(shù)和光纖射頻傳輸技術(shù)的多功能綜合射頻方案。美國海軍就這兩種技術(shù)在AMRFC項目中進(jìn)行了研究,并分別用于艦載可重構(gòu)孔徑陣列的波形產(chǎn)生和射頻分配網(wǎng)絡(luò)中。
在深空探測方面,智利的阿塔卡馬大型毫米波陣列(ALMA)預(yù)計安裝66面口徑12米的拋物面天線,進(jìn)行毫米波和亞毫米波(31~950GHz)太空觀測,利用18km長的光釬基線,為每個天線提供本振參考信號。
微波光子雷達(dá)研究進(jìn)展
一、世界首部全光子數(shù)字雷達(dá)(PHODIR)
意大利PHODIR項目于2009年底啟動,旨在設(shè)計、研制和驗證具備發(fā)射信號光產(chǎn)生、接收信號光處理能力的全數(shù)字雷達(dá)驗證機(jī),解決阻礙全數(shù)字雷達(dá)收發(fā)機(jī)的瓶頸問題,例如無雜散動態(tài)范圍(SFDR)和相位噪聲電平。該項目于2013年取得重大進(jìn)展,所研制的單站單通道PHODIR樣機(jī)成功實現(xiàn)對非合作民航客機(jī)的跟蹤與測量。
二、雙波段微波光子雷達(dá)
2015年6月,研究小組將PHODIR雷達(dá)擴(kuò)展至兩個頻段,系統(tǒng)核心是一個雙波段射頻發(fā)射機(jī)和一個雙波段射頻接收機(jī)。在意大利SanBenedetto del Tronto港口對雙波段雷達(dá)進(jìn)行了外場驗證。下圖B和C分別是SEAEAGLE雷達(dá)和雙波段微波光子雷達(dá)X頻段分系統(tǒng)的PPI圖像,兩圖像符合極好,證明該雙波段雷達(dá)樣機(jī)已達(dá)到了商用先進(jìn)雷達(dá)的性能。
微波光子雷達(dá)的內(nèi)在相參性能夠省去數(shù)據(jù)融合時復(fù)雜的相位校準(zhǔn)算法。下圖A是目標(biāo)A的圖像,圖B和C分別為S、X波段探測到的一維距離像,圖D是利用上述融合算法合成的一維距離像,此時圖中顯示出了更多的細(xì)節(jié)。根據(jù)船體實際結(jié)構(gòu),可以看到船尾部有更多的散射源(絞盤),上層形狀顯示桅桿和背部隔板分離。
(圖為:目標(biāo)船(A)以及采用S波段(B)、X波段(C)探測得到的一維距離像,(D)融合后的結(jié)果)
2016年5月,實驗小組實現(xiàn)了對空中和海上非合作目標(biāo)的ISAR成像。
圖為:(A)波音737-800飛機(jī),(B)和(C)是利用S波段和X波段對該飛機(jī)的ISAR成像結(jié)果;(D)目標(biāo)油輪,(E)和(F)是S波段和X波段對油輪的ISAR成像結(jié)果
三、雷達(dá)/通信集成系統(tǒng)
2016年5月,PHODIR小組搭建了一個雷達(dá)/通信雙用途原型機(jī),該原型機(jī)基于同一個天線和光子收發(fā)機(jī)完成雷達(dá)與通信信號的接收和檢測,可同時執(zhí)行監(jiān)視與通信任務(wù),且兩分系統(tǒng)之間不會互生干擾。未來,該原型機(jī)可利用同一個光子收發(fā)機(jī)和天線完成信號的產(chǎn)生、發(fā)射、接收和檢測,實現(xiàn)真正意義上軟硬件共享的的雷達(dá)/通信一體化系統(tǒng)。
四、 激光雷達(dá)/雷達(dá)集成系統(tǒng)
激光雷達(dá)因具有更好的指向性和空間分辨率,被廣泛用于測距儀、測速儀和成像系統(tǒng)。但激光雷達(dá)對粗糙目標(biāo)和大氣湍流產(chǎn)生的斑點(diǎn)噪聲非常敏感,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小組基于一個MLL將激光雷達(dá)系統(tǒng)和微波光子雷達(dá)系統(tǒng)集成起來,減小了硬件和功耗負(fù)擔(dān),提供了多角度環(huán)境感知的能力。下文介紹該系統(tǒng)原理以及它在速度測量方面的魯棒性和靈活性。
五、用于下一代SAR成像系統(tǒng)的光子前端(GAIA)
GAIA(2012~2015)項目屬于歐盟第七框架計劃,旨在開發(fā)用于SAR天線系統(tǒng)的光子技術(shù),包括了天線上光信號分布、利用光子集成電路實現(xiàn)收/發(fā)天線單元上寬帶信號(覆蓋Ku波段)的實時延遲控制、適應(yīng)于大型可移動天線的光纜捆束以及X波段天線陣列模塊。最終該項目將設(shè)計一套可實現(xiàn)尺寸、重量、復(fù)雜度和成本效益的完整的光實時延遲模塊化SAR天線系統(tǒng)。
六、多功能光學(xué)可重構(gòu)擴(kuò)展設(shè)備項目
歐洲防務(wù)局的“多功能光學(xué)可重構(gòu)擴(kuò)展設(shè)備”(MORSE)項目旨在開發(fā)一種具備波束形成功能、同時多種射頻功能和陣元動態(tài)可重構(gòu)能力的天線架構(gòu),開發(fā)或鞏固光學(xué)域使能技術(shù),搭建樣機(jī)進(jìn)行概念實驗驗證,以用于海洋系統(tǒng)、地基、無人機(jī)、機(jī)載預(yù)警和機(jī)載截獲系統(tǒng)中,包括雷達(dá)監(jiān)視與跟蹤、雷達(dá)高分辨率、SAR、電子戰(zhàn)、通信和導(dǎo)彈指揮鏈路等。MORSE由SELEX、BAEsystem和SAAB公司共同承擔(dān),總費(fèi)用約460萬歐元。
七、俄羅斯“射頻光子相控陣”項目
2014年11月,俄羅斯高級研究基金會聯(lián)合無線電電子技術(shù)公司(KRET)發(fā)起了“射頻光子相控陣”(ROFAR)項目,該項目為期4.5年,投資6.8億盧布(約1000萬美金),旨在開發(fā)基于光子技術(shù)的通用技術(shù)和元器件,制造射頻光子相控陣樣機(jī),并用于下一代雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。為此,KRET成立了專門實驗室,目前正處于天線單元研發(fā)階段。未來,這些射頻光子相控陣單元有望用于俄羅斯“智能蒙皮”計劃中,即將ROFAR單元集成在T-50等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)蒙皮上,集無源偵收、有源探測、電子對抗和隱秘通訊多功能于一體,實現(xiàn)360o全覆蓋掃描和機(jī)上資源的一體化調(diào)度;ROFAR也有可能安裝在俄羅斯正在研制的飛艇上,利用飛艇大表面優(yōu)勢,將天線陣列分布于蒙皮上,為俄羅斯提供導(dǎo)彈預(yù)警。
(圖為:ROFAR相控陣陣列可用于俄羅斯飛艇、戰(zhàn)機(jī)的智能蒙皮)
八、美國集成光子創(chuàng)新計劃
美國集成光子研究所(AIM-Photonics,原稱IP-IMI)于2015年7月正式成立。作為美國制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的第六家機(jī)構(gòu),該研究所旨在開發(fā)新型快速的光子集成制造技術(shù)和工藝方法,促進(jìn)光子集成電路的設(shè)計、封裝、測試與互連,構(gòu)建從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)品制造的、全產(chǎn)業(yè)鏈集成光子學(xué)生態(tài)平臺,從而解決高動態(tài)范圍、超低損耗、寬帶光子集成芯片和微波頻率電集成芯片的大規(guī)模制造難題。AIM-Photonics將獲得1.1億美元的聯(lián)邦政府資金投入,以及超過5億美元的由地方政府、大學(xué)和企業(yè)等投入的配套資金。目前AIM-Photonics由55家公司、20所綜合性大學(xué)、33個學(xué)院、和16個非營利組織構(gòu)成。
除了上述項目之外, DARPA和歐洲的第七框架計劃(FP7)均開展了眾多針對分系統(tǒng)和元器件層面的微波光子研究項目,這里不再贅述。不可否認(rèn),微波光子雷達(dá)距離實戰(zhàn)應(yīng)用還有較長的距離,微波光子鏈路的技術(shù)成熟度、光子集成化程度是和系統(tǒng)的一體化設(shè)計是制約其實用化的關(guān)鍵因素,這三者也構(gòu)成了未來微波光子雷達(dá)研究和發(fā)展的主旋律。(作者: 中國電科十四所 石汝佳 通訊員 鄧大松)
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