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(xiàng)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(xiàng)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(hào)傳輸，即將單個(gè)或多個(gè)模擬微波信號(hào)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(hào)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(guó)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(gè)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(hào)，并利用相控陣原理像一個(gè)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(cè)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(xiàng)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(yàn)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(cè)衛(wèi)星、PROBA-V成像衛(wèi)星的高密度空間連接器驗(yàn)證（HERMOD）載荷、ALPHASAT通信衛(wèi)星的光互聯(lián)系統(tǒng)模塊（SIOS）。

為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信等多頻段寬帶信號(hào)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(guó)海軍就這兩種技術(shù)在AMRFC項(xiàng)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(cè)方面，智利的阿塔卡馬大型毫米波陣列（ALMA）預(yù)計(jì)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(cè)，利用18km長(zhǎng)的光釬基線，為每個(gè)天線提供本振參考信號(hào)。

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(xiàng)目于2009年底啟動(dòng)，旨在設(shè)計(jì)、研制和驗(yàn)證具備發(fā)射信號(hào)光產(chǎn)生、接收信號(hào)光處理能力的全數(shù)字雷達(dá)驗(yàn)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(dòng)態(tài)范圍（SFDR）和相位噪聲電平。該項(xiàng)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(shí)現(xiàn)對(duì)非合作民航客機(jī)的跟蹤與測(cè)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(gè)頻段，系統(tǒng)核心是一個(gè)雙波段射頻發(fā)射機(jī)和一個(gè)雙波段射頻接收機(jī)。在意大利SanBenedetto del Tronto港口對(duì)雙波段雷達(dá)進(jìn)行了外場(chǎng)驗(yàn)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(shí)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(cè)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(shí)圖中顯示出了更多的細(xì)節(jié)。根據(jù)船體實(shí)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(cè)得到的一維距離像，（D）融合后的結(jié)果）

2016年5月，實(shí)驗(yàn)小組實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)雷達(dá)/通信雙用途原型機(jī)，該原型機(jī)基于同一個(gè)天線和光子收發(fā)機(jī)完成雷達(dá)與通信信號(hào)的接收和檢測(cè)，可同時(shí)執(zhí)行監(jiān)視與通信任務(wù)，且兩分系統(tǒng)之間不會(huì)互生干擾。未來，該原型機(jī)可利用同一個(gè)光子收發(fā)機(jī)和天線完成信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射、接收和檢測(cè)，實(shí)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(cè)距儀、測(cè)速儀和成像系統(tǒng)。但激光雷達(dá)對(duì)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(huì)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(gè)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(cè)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(xiàng)目屬于歐盟第七框架計(jì)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(hào)分布、利用光子集成電路實(shí)現(xiàn)收/發(fā)天線單元上寬帶信號(hào)（覆蓋Ku波段）的實(shí)時(shí)延遲控制、適應(yīng)于大型可移動(dòng)天線的光纜捆束以及X波段天線陣列模塊。最終該項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一套可實(shí)現(xiàn)尺寸、重量、復(fù)雜度和成本效益的完整的光實(shí)時(shí)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(xiàng)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(xiàng)目旨在開發(fā)一種具備波束形成功能、同時(shí)多種射頻功能和陣元?jiǎng)討B(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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xiàng)目

2014年11月，俄羅斯高級(jí)研究基金會(huì)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(xiàng)目，該項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(cè)、電子對(duì)抗和隱秘通訊多功能于一體，實(shí)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(shì)，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(guó)集成光子創(chuàng)新計(jì)劃

美國(guó)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(guó)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(jì)、封裝、測(cè)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(tái)，從而解決高動(dòng)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(gè)學(xué)院、和16個(gè)非營(yíng)利組織構(gòu)成。

除了上述項(xiàng)目之外， DARPA和歐洲的第七框架計(jì)劃（FP7）均開展了眾多針對(duì)分系統(tǒng)和元器件層面的微波光子研究項(xiàng)目，這里不再贅述。不可否認(rèn)，微波光子雷達(dá)距離實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用還有較長(zhǎng)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(jì)是制約其實(shí)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。