更新时间：2024-09-21 17:12
微波光子雷达是由中国成功研制的第一台样机，其通过外场非合作目标成像测试获得了国内首张微波光子雷达成像图样。该雷达在图像分辨率方面达到了国际领先水平，甚至超越了现有技术水平一个数量级。
微波光子雷达的研发过程中，研究人员针对雷达总体光子架构设计、雷达信号光子产生和光子压缩处理，以及成像算法等关键环节进行了深入的研究和攻关。通过一系列严格的实验和测试，包括实验平台原理验证、微波暗室回转工作台实验、系统集成联调和外场试验，最终实现了对空中随机目标——波音737飞机的快速成像。所得到的成像工程图显示出了极高的分辨率，能够清晰地分辨出飞机的各个部件，如发动机、尾翼、襟翼导轨及其数量等。据称，该雷达在外场成像分辨率方面的表现超过了已知报道的所有微波光子雷达，提升了约30倍，并且还有望在未来进一步提高分辨率一个数量级。
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。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。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。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，这不可避免会造成一定的缺陷。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。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。
2014年，比萨大学的Bogoni课题组将光生微波和光模数转换相结合，在世界上首次实现了微波光子雷达原理样机的研制和试验。之后还进行过双波段微波光子雷达的试验和微波-激光一体化雷达的研究。
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，并形成了一个发展规划。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。美国DARPA在第1阶段开展高线性模拟光链路的研究，利用超低损耗的光纤（传输损耗仅有0.0002dB/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”，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1.42GHz超稳参考信号，并利用相控阵原理等效成一个巨大的天线。
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，这个阶段的典型成果是1994年美国休斯飞机公司（HughesAircraft）实现的基于光纤波束形成网络的宽带共形阵列。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，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0.35~2.1GHz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。
进入21世纪后，随着光纤通信的发展，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。为此美国DARPA设立了诸多项目，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。
不同于美国，欧盟更加关注微波光子雷达系统的研究。防务集团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。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。
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。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2.5~3.5GHz，拥有16个阵元，可实现5刨刀的延时控制和6bit的相位控制。实验中完成了2.7~3.1GHz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6~18GHz，扫描角度为±20°的无波束倾斜波束控制。
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，该工作于2014年3月在《Nature》发表。2015年，Bogoni研究组对系统进行了改进，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个双波段射频无线电接收机。
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，受俄罗斯联邦政府资助开展“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。ROFAR采用分布式系统，可以发射带宽高达100GHz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。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。
中国的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、超宽带噪声雷达、无源雷达等雷达系统研究。2017年6月，南京航空航天大学联合中国电子科技集团有限公司第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。该雷达通过外场非合作目标成像测试，获得中国第一幅微波光子雷达成像图样，在图像分辨率上比国际水平高出一个数量级。
与电学雷达体制类似，微波光子雷达分为发射和接收两大部分。雷达信号光学产生系统产生雷达信号，经过微波光子馈电到达射频发射前端。在接收端，雷达回波信号经射频接收前端，进入微波光子接收链路，然后经过光模数转换，再进入数字化处理系统、显示控制系统，从而形成完整雷达。因雷达体制和功能不同，具体微波光子雷达组成可能不完全相同，但大体上覆盖了这几部分。
微波光子雷达采用光子作为信息载体，利用光谱资源的丰富性和光子技术的灵活性，能够高效地产生并处理雷达宽带信号。相较于传统的电子雷达，微波光子雷达具备快速成像、高分辨率和精准的目标辨识能力。这一技术突破克服了传统雷达受电子器件带宽限制而导致的分辨率和处理速度提升瓶颈，从而满足了未来高性能雷达的应用需求。
雷达系统的关键技术包括高性能本振产生、任意波形产生、混频、波束形成、模数转换等。微波光子雷达的关键技术体现在以下5个方面：
在雷达系统中，本振信号质量的好坏很大程度上决定了发射信号和无线电接收机中频信号的质量。一个高稳定低相噪的本振源对弱目标探测至关重要，否则目标回波信号将淹没在噪声中难以提取。另一方面，本振信号还作为参考信号提取回波信号的延时，得到目标的位置信息等，不稳定的信号会对延时的测量引入较大误差，影响雷达的探测性能。此外，为了降低系统的虚预警率，本振信号需具有较大的边模抑制比。随着下一代雷达系统对更高载波频率的需求，传统的电微波产生方法不断显现出其局限性。光电振荡器（OEO），作为一种产生高频谱纯度微波和毫米波的新型信号源，可产生数MHz到数百GHz的高纯度微波或毫米波信号，相位噪声可以达到接近量子极限的-163dBc/Hz@10kHz，是一种非常理想的高性能微波振荡器。
在雷达系统中，发射信号的功率、时宽、带宽、编码形式等参数决定了系统的探测距离、探测精度和抗干扰能力。随着下一代雷达系统对探测能力的要求越来越高，传统电子波形产生技术已越来越难以满足雷达系统的需求。截至2017年，电子较好的技术水平能生成与处理的信号带宽往往低于2GHz。而某些新型雷达已希望具备5~10GHz甚至20GHz以上的超大带宽信号生成能力，以期达到cm量级的分辨率，从而大幅提升雷达系统的识别能力。受益于光子技术的大带宽，微波光子技术提供了超大带宽雷达信号产生的可能性。
微波光子信道化接收机在光域将宽带的接收信号分割到多个窄带的处理信道中，然后对每个窄带信道中的接收信号进行光电探测和信号处理。相比传统信道化接收机，微波光子信道化具有较强的抗电磁干扰能力、较大的承载带宽和瞬时带宽、极低的传输损耗等显著优势。而且信道化本质上是1个多通道并行处理系统，而光域丰富的光谱资源和灵活的复用手段（例如波分复用）与此不谋而合，因此微波光子信道化得到了广泛关注。
波束形成主要分为相移法和延时法2种，基本原理是通过控制阵列天线中各发射信号的相位或者延时，使得波束在特定的波前方向干涉相加。尽管基于移相的波控技术在电学中已经非常成熟，但由于光学方法具有频率高、尺寸小、质量轻、传输损耗小、响应快速、抗电磁干扰等特性，因而基于移相的光控波束形成网络的报道仍然很多。这种技术可以应用于对瞬时带宽要求较低，但频率范围较大的系统中。比较典型的有悉尼大学Yi课题组提出的基于可编程光处理器的方法，利用可编程光处理器操纵每一路信号的幅度、相位等，实现了1个4阵元的波束形成网络。本课题组也提出一种基于微波光子移相的波束形成网络，实现了1个14GHz、4阵元的相控阵天线。然而相移法对于瞬时带宽较大的信号具有波束倾斜效应，难以满足下一代雷达系统对大带宽的需求。解决这一问题的方法就是用真时延替代移相，实现光控真延时波束形成。
随着DSP技术的飞速发展，雷达回波的信息提取基本上都在数字域完成。作为连接模拟域回波和数字信号间的桥梁，ADC在雷达接收机中发挥着重要的作用。由于ADC孔径抖动等原因，大的模拟带宽和高的有效位数在完全基于电子技术的ADC中难以兼得。因此，电ADC的性能往往成为限制宽带雷达发展的瓶颈。为突破电ADC的带宽瓶颈，具有大带宽、抗电磁干扰能力强等诸多优点的光子技术被引入到ADC系统中，构成了光子辅助ADC，使ADC发展到新的阶段。光子辅助ADC最早出现于20世纪70年代。经过40余年的发展，专家学者提出了多种光子辅助ADC，将光子技术应用到了信号模拟预处理、采样保持、高速实时量化等多个方面。
微波光子雷达因其对目标精细结构和特征的快速识别能力，不仅适用于作战平台对小型化目标的实时辨识，还能够为无人智能设备提供精确的环境信息。这种雷达技术在军事和民用领域的应用前景广阔，具有重要的战略价值。
雷达是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”。下一代雷达向着高频率、超宽带、多功能一体化方向发展，以期在提高距离分辨率、改善目标识别成像等诸多性能的同时，又能提高雷达的隐蔽性与抗干扰性能。微波光子技术凭借其宽带、抗电磁干扰等特性，将逐步取代部分传统电技术在雷达系统中发挥作用。当前该领域的研究，已经从单元研究向系统研究转变，全面进入了雷达样机研制和功能演示阶段。但是微波光子雷达各关键技术的融合，系统指标的提升，转换能效，动态范围，可靠性等方面还需进一步提高以满足实战系统的需求。尤其是光电集成技术相对于纯电集成技术还较初步，这必将限制微波光子雷达系统的应用范围。通过研究人员在超低相噪光电振荡器、超宽带波形产生、多功能信号处理、光控真延时波束形成网络以及各技术之间融合的探索，一定能推动微波光子雷达系统的大发展。
微波光子雷达可克服相控阵雷达的波束倾斜、孔径渡越以及栅瓣抑制问题，实现大阵列远程探测、高精度测量和大角度覆盖。其瞬时带宽可比传统宽带雷达提升数倍，因此成像分辨率也将提高数倍。微波光子雷达采用高稳定光生基准源，比传统雷达基准源相位噪声低两个数量级以上，为低慢小、高快隐目标的探测奠定了基础。微波光子雷达还可实现在一部雷达上实现探测、跟踪、成像与目标识别等多功能一体，并快速协同反应。同时，它抗复杂电磁干扰，能实现在复杂环境中对复杂目标的有效探测。
雷达具有全天时全天候对目标探测、成像的能力，在军事民用上具有广泛应用。传统雷达以电子为载体实现信号的产生和处理，分辨率和处理速度因电子器件的带宽限制而存在提升瓶颈，难以满足未来应用对高性能雷达的需求。而微波光子雷达，以光子为信息载体，利用丰富的光谱资源和灵活的光子技术，能够更好、更快地产生和处理雷达宽带信号，具有快速成像、高分辨率和清晰辨识目标的能力。
微波光子雷达对目标精细结构和特征的快速识别，使其不仅能够应用于作战平台对小型化目标的实时辨识，也能为无人智能设备提供准确的环境信息，在军民两栖领域具有重要意义。微波光子雷达采用光子学方法产生与处理雷达信号，具有高频、宽带、多路并行处理能力强等优势，有望在高分辨雷达成像与目标识别等领域发挥重要作用。
2024年7月，清华大学在《光通信技术》期刊上发表了关于“微波光电融合雷达技术”的文章，专家表示，这是下一代火控雷达的关键技术，这项技术会为中国的军事防控提供更加重要的军事支持，也为中国在国际军事上的科技竞争中增加了重要的军事筹码。
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