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2017-04-03 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
微波光子學技術的發(fā)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、軟件化雷達的重要技術支撐。微波光子雷達作為雷達發(fā)展的新形態(tài),能有效克服傳統(tǒng)電子器件的技術瓶頸,改善和提高傳統(tǒng)雷達多項技術性能,為雷達等電子裝備技術與形態(tài)帶來變革。
微波光子技術在電子信息系統(tǒng)中的應用演進
微波光子技術在電子系統(tǒng)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加載到光載波上并通過光纖進行遠距離傳輸。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:微波光子技術在電子系統(tǒng)中的發(fā)展歷程)
微波光子學最早的系統(tǒng)層應用是70年代末美國莫哈韋沙漠中的“深空網(wǎng)絡”,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,微波光子技術已應用到雷達、電子戰(zhàn)、衛(wèi)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(tǒng)包括:休斯公司的光纖波束形成網(wǎng)絡寬帶共形陣列、泰勒斯公司的光控相控陣樣機、全光子數(shù)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(fā)項目。
(圖為:微波光子雷達系統(tǒng)的發(fā)展演進)
典型的微波光子機載電子戰(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、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,并分別用于艦載可重構孔徑陣列的波形產(chǎn)生和射頻分配網(wǎng)絡中。
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長的光釬基線,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(shù)字雷達(PHODIR)
意大利PHODIR項目于2009年底啟動,旨在設計、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)字雷達驗證機,解決阻礙全數(shù)字雷達收發(fā)機的瓶頸問題,例如無雜散動態(tài)范圍(SFDR)和相位噪聲電平。該項目于2013年取得重大進展,所研制的單站單通道PHODIR樣機成功實現(xiàn)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(tǒng)核心是一個雙波段射頻發(fā)射機和一個雙波段射頻接收機。在意大利SanBenedetto del Tronto港口對雙波段雷達進行了外場驗證。下圖B和C分別是SEAEAGLE雷達和雙波段微波光子雷達X頻段分系統(tǒng)的PPI圖像,兩圖像符合極好,證明該雙波段雷達樣機已達到了商用先進雷達的性能。
微波光子雷達的內(nèi)在相參性能夠省去數(shù)據(jù)融合時復雜的相位校準算法。下圖A是目標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節(jié)。根據(jù)船體實際結構,可以看到船尾部有更多的散射源(絞盤),上層形狀顯示桅桿和背部隔板分離。
(圖為:目標船(A)以及采用S波段(B)、X波段(C)探測得到的一維距離像,(D)融合后的結果)
2016年5月,實驗小組實現(xiàn)了對空中和海上非合作目標的ISAR成像。
圖為:(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(tǒng)
2016年5月,PHODIR小組搭建了一個雷達/通信雙用途原型機,該原型機基于同一個天線和光子收發(fā)機完成雷達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,且兩分系統(tǒng)之間不會互生干擾。未來,該原型機可利用同一個光子收發(fā)機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/通信一體化系統(tǒng)。
四、 激光雷達/雷達集成系統(tǒng)
激光雷達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)。但激光雷達對粗糙目標和大氣湍流產(chǎn)生的斑點噪聲非常敏感,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將激光雷達系統(tǒng)和微波光子雷達系統(tǒng)集成起來,減小了硬件和功耗負擔,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,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。最終該項目將設計一套可實現(xiàn)尺寸、重量、復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、多功能光學可重構擴展設備項目
歐洲防務局的“多功能光學可重構擴展設備”(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)可重構能力的天線架構,開發(fā)或鞏固光學域使能技術,搭建樣機進行概念實驗驗證,以用于海洋系統(tǒng)、地基、無人機、機載預警和機載截獲系統(tǒng)中,包括雷達監(jiān)視與跟蹤、雷達高分辨率、SAR、電子戰(zhàn)、通信和導彈指揮鏈路等。MORSE由SELEX、BAEsystem和SAAB公司共同承擔,總費用約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)基于光子技術的通用技術和元器件,制造射頻光子相控陣樣機,并用于下一代雷達和電子戰(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等先進戰(zhàn)機蒙皮上,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,為俄羅斯提供導彈預警。
(圖為:ROFAR相控陣陣列可用于俄羅斯飛艇、戰(zhàn)機的智能蒙皮)
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)絡的第六家機構,該研究所旨在開發(fā)新型快速的光子集成制造技術和工藝方法,促進光子集成電路的設計、封裝、測試與互連,構建從基礎研究到產(chǎn)品制造的、全產(chǎn)業(yè)鏈集成光子學生態(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、33個學院、和16個非營利組織構成。
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,微波光子雷達距離實戰(zhàn)應用還有較長的距離,微波光子鏈路的技術成熟度、光子集成化程度是和系統(tǒng)的一體化設計是制約其實用化的關鍵因素,這三者也構成了未來微波光子雷達研究和發(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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