基于光电子技术的雷达系统

逍遥设计自动化

引言
) E8 l" u7 N$ I: H. s! x6 n% P% c本文介绍基于光电子技术的雷达系统的架构、实现方式和实地应用。这种创新型雷达系统结合了光学和微波技术的优势，在多个应用场景中展现出独特性能[1]。

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基本架构和单频段实现
) u* Z8 d& P5 M* H" y5 h基于光电子技术的雷达系统的基本架构采用发射机和接收机子系统共用激光光源的方案。这种设计减小了系统尺寸，同时降低了成本。基本结构包括一个向光学射频生成和接收模块供能的激光源，以及在两端处理信号的基带/中频波形生成器。在信号传输路径中，光信号和电信号进行多次转换，实现了高效的信息传递。

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/ M; [( V4 Q9 M. n1 _) P1 ?图1展示了基于光电子技术的收发机框图，显示了光信号和电信号在系统组件中的传输路径。

, \3 ]& U5 F9 R在PHODIR（全光电子数字雷达）的首创性实现中，采用重复频率为400 MHz的锁模激光器作为主时钟。该系统在中频数字生成雷达波形，通过电光调制器将其调制到光载波上。经过光电探测后，射频滤波器选择所需的频率分量进行发射。这种设计方案不仅保证了信号的高质量传输，还实现了系统的灵活配置。
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; t2 _8 T& M5 m' e图2呈现了PHODIR原型的详细框图，包括激光器模块、接收模块、发射模块、数字处理单元和射频前端组件。
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! v+ q+ b+ l( d将PHODIR与商用海事雷达系统进行深入性能对比，展现出显著技术实力。基于光电子技术的方案实现了-87 dBm的最小可检测信号，与传统系统的-90 dBm相近。同时，该系统在带宽可调性和频率灵活性方面具有明显优势，为实际应用提供了更多技术选择。
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双频段操作和信号处理
3 e: M& `) z* G! Y, D基于光电子技术的雷达系统的重要技术特点在于同时操作多个频段的能力。PANDORA（基于光电子技术的双频段雷达）系统充分展示了这一技术优势，通过在S波段（2.5 GHz）和X波段（9.9 GHz）同时运行，实现了复杂目标的高精度探测。

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; C) m/ R- k2 E信号处理系统实现
系统采用高度集成的信号处理架构，采用单个400 MSps采样率的ADC同时处理两个频段的信号。系统通过复数控制振荡器实现基带转换，随后使用精心设计的抽取滤波器将数据率降至25 MSps，极大降低了后续处理的计算负担。在距离-多普勒处理中，系统利用快速傅里叶变换实现目标的精确探测和跟踪。
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2 f+ A, n! A# @5 N  O  `图3展示了通过FPGA进行双频段处理的框图，显示了从ADC通过各处理阶段的信号流。

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  L2 h1 _7 [: E海事应用与性能验证
在意大利海军CSSN-ITE设施的实地测试中，系统展现了卓越的海事目标探测能力。测试场景包含了多个实际航行的船只，既有高速航行的渡轮，也有在港口锚地的固定目标。系统通过处理来自两个频段的回波信号，实现了对目标精确的距离和速度测量。
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. t. C! _5 s0 O5 z7 ~图4展示了(a)带有AIS数据叠加的海事场景、(b)S波段距离-多普勒图和(c)X波段距离-多普勒图，展示了目标探测能力。

在性能指标方面，系统成功实现了16海里范围内的目标跟踪。特别值得注意的是，X波段凭借较高的工作频率提供了更精细的速度分辨率，而S波段则在距离覆盖方面表现出色。这种双频段协同工作模式充分发挥了各自频段的优势，提供了全面的目标信息。

测试结果显示，当目标距离为4.3海里时，X波段信号仍能清晰捕捉目标特征，而S波段信号虽然灵敏度较低，但仍能保持目标回波信号比噪声和杂波电平高出7 dB，确保了可靠的目标检测。这种性能差异主要源于不同频段的发射功率、天线增益以及目标雷达散射截面的频率相关性。
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. T2 P) [1 {  A5 Z6 o2 d空中目标探测
$ X& h+ }4 F8 @空中目标探测测试充分验证了系统的技术适应性。系统针对空中目标进行了特定优化，在S波段和X波段同时采用18 MHz线性调频信号，脉冲宽度为2微秒，脉冲重复频率设置为10 kHz。通过这种参数配置，系统实现了对高速移动航空器的精确跟踪。

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0 b# t, D( V' Y7 B& b" G图5展示了(a-f)波音737-800的探测和成像结果，包括S波段和X波段的距离-多普勒图和ISAR图像。

# T$ M( n7 i2 [5 d% ?& Y6 M系统处理采用了20毫秒的相干积累时间，获得了50 Hz的多普勒频率分辨率。探测结果显示，在4.6公里距离处，目标速度约为55米/秒，对应S波段1.1 kHz和X波段3.7 kHz的多普勒频移。两个频段在分辨率上表现出互补性：X波段由于频率较高提供了更精细的速度分辨率，而S波段则在距离测量方面保持稳定性能。

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环境监测应用技术
0 N8 M  b: y: s在环境监测领域，系统采用步进频率连续波技术实现了高精度位移测量。技术实现上使用了双频段相干探测方案，在S波段和X波段分别产生20个频率步进，步进间隔为1 MHz，每个频率持续时间为200微秒。
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图6显示了(a)测量位移与实际位移的对比以及(b)测量误差分析，展示了亚毫米级精度。
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3 t1 _: r4 ~! y系统通过分析不同频率分量的相位差来计算目标位移。根据理论分析，当频率差为1 GHz时，系统可探测到约0.2毫米的位移变化。实验验证表明，在3公里测量距离内，系统保持±0.2毫米的测量误差范围，展现了出色的稳定性。

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" R* v/ `# l1 X) ]  ]# t9 g图7显示了不同测量方法下位移精度与信号信噪比的关系。

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0 w8 @4 K, F' N1 _( O' f系统精度分析
实验研究表明，系统性能受到多个关键技术因素影响。在位移测量应用中，系统精度与信号信噪比呈现明显的相关性。使用20个频率步进的方案相比单频测量获得了13 dB的信噪比提升，这种改善主要来自于对20个独立相位测量结果的平均处理。

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图8展示了位移测量平均误差随距离的变化，证实了在3公里范围内保持亚毫米级精度。

系统面临的技术挑战主要包括ADC采样率限制、锁模激光器的相位噪声、电光调制器的非线性效应以及射频前端带宽限制。针对这些问题，研究通过设计双频段互补测量方案进行了优化。利用跨频段的相干信号生成特性，系统在不同应用场景下都实现了稳定可靠的测量性能。
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- X/ A$ e/ Q% r* Y) g图9显示了(a)S波段和(b)X波段发射双频段射频信号的电频谱，展示了系统的频谱纯度和频率分离。

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# ?6 z# g3 m7 U; n4 p) d6 f! y总体技术评估
' \& E3 [4 F7 |, g0 p% e6 K5 _' \基于光电子技术的雷达系统在多个应用领域展现了显著的技术优势。以PHODIR系统为例，与SeaEagle海事雷达的性能对比证实了该技术方案的实用价值。PANDORA系统则通过S波段和X波段的协同工作，在目标探测和测量精度方面取得了显著进展。
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( ^+ `! d9 I" j$ b# L3 t; Z2 W特别在精密测量应用方面，系统在3公里测量范围内实现0.2毫米的位移测量精度，并在不同距离和环境条件下保持稳定性能。这种高精度主要得益于系统的相干双频段设计和先进的信号处理算法。
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实验结果表明，基于光电子技术的雷达系统具备了实际应用的技术条件。通过多频段操作、高精度测量和软件定义的系统架构，该技术在下一代雷达系统研发中占据重要地位。未来研究将进一步优化系统性能，扩展应用范围，推动雷达技术的持续发展。
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( |; }! f1 z  H( Y4 M参考文献
[1] Bogoni, P. Ghelfi, and F. Laghezza, Eds., Photonics for Radar Networks and Electronic Warfare Systems (Radar, Sonar and Navigation). London, UK: Scitech Publishing, 2019.
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