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国外重点微波光子雷达科研机构及其成果

作者:jcmp      发布时间:2021-04-24      浏览量:0
导读: 微波光子雷达具有卓越的超宽

导读: 微波光子雷达具有卓越的超宽带成像能力、多频段多信号环境感知能力,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,是未来雷达系统的发展方向之一。各国科研机构对微波光子雷达的研究方兴未艾,并取得了一定的阶段性成果。

一、美国国防高级研究计划局(DARPA)

美国国防高级研究计划局(DARPA)从20世纪80年代就开始支持微波光子雷达相关的研究,并形成了自己的发展规划。

DARPA微波光子雷达发展的三个阶段规划

DARPA组织的微波光子技术研究覆盖了微波光信号的产生、传输、处理控制以及采集等方向。其目标是研发具有极大动态范围和高线性的宽带光电处理系统,以满足高性能雷达射频前端的需求。

在这种需求的牵引下,利用先进的光子集成制造技术,对具有高度集成化的微波光子处理系统的研发已经广泛展开。90年代,美国休斯飞机公司在DARPA的帮助下开发了第一个基于光纤真延时线(OTTD)的双波段相控阵天线系统,并于1995年成功研制出L波段光控共形相控阵实验系统,可提供11位延时和±60°扫描角度。1998年,美国海军实验室在X波段AN/SPQ-9B ADM雷达上完成的光传输实验是首次在现役雷达系统中进行的光纤传输实验,引入光纤传输和分配方案后,AN/SPQ-9B雷达系统的相位噪声、信噪比等各项指标完全满足设计要求。

2000年以后,关于宽带光控天线阵列系统的研究向着集成化、光电一体化、器件商用化的方向发展。随着光电子技术和光电集成技术的迅猛发展,该项技术进入工程化的脚步逐渐加快。

2015年,DARPA通过“近距宽视场极端灵巧电子驱动光子发射器”(SWEEPER)项目成功地在微片上集成了突破性的非机械光扫技术。不同于传统的万向节支架、透镜和伺服系统,SWEEPER的光学相控阵技术已经证明其可将激光扫描频率提高到每秒100000次,比目前的机扫系统快10000次。另外其激光的扫描范围为51度,达到了微片光学扫描系统的最高性能。

SWEEPER项目验证了广角光学相控阵技术

这些工作将为激光雷达和其他应用提供全新等级的小型化、极低成本、鲁棒的激光扫描技术。这一突破改变了以往激光雷达需要机械组件往复扫描激光的缺陷。

2017年7月,DARPA发布了全信号战术实时分析仪(ASTRAL)项目的招标报告。该项目旨在开发和演示用于射频和光电磁信号监视、态势感知和理解的系统,该系统可将当前信号识别速度和频谱覆盖率提高1000倍,继续寻求提高光电子信息综合处理能力。

DARPA正在召集业界的帮助开发混合模拟/数字光子/电子处理器。

二、美国麻省理工学院林肯实验室(MIT Lincoln)

2019年,美国麻省理工学院林肯实验室公开了在微波光子领域的研究成果。近年来,基于与美国空军签署的合同,林肯实验室一直在开发一种多PIC模块(mPICm)混合集成平台,使用SiNx波导实现有源光子器件(如激光器,光放大器,调制器,光电二极管)和PIC的芯片级集成,以连接元件/PIC并提供附加功能。该技术的一个关键特性是能够合理地组合几种不同的材料系统(Si,SiNx,InP,GaAs),并利用每种材料的同类最佳设备。

林肯实验室的平板耦合光波导外腔激光器(SCOWECL)技术已经验证了所有电泵浦半导体CW激光器的最高功率和最低噪声,产生0.37W输出功率,相对强度噪声(RIN)低于-偏移频率大于200kHz时达到160dB/Hz(散粒噪声受限)。目前,1550nm mPICm SCOWECL在1.9A偏置电流下的最大功率为90mW。mPICm SCOWECL的测量频率噪声(图(c))和集成线宽(30kHz)与商用RIO外腔激光器(ECL)的测量频率噪声非常相似,后者输出的最大功率约为10mW。除了SCOWECL激光器之外,林肯实验室还开发了具有边缘耦合波导的高饱和电流SCOW波导光电二极管,以便于集成到芯片级MWP系统中。

林肯实验室平板耦合光波导外腔激光器

除了激光器和光电探测器之外,对于具有可重新配置处理的MWP片上系统,需要能够支持几百毫瓦CW光功率的低损耗光波导。林肯实验室开发了适用于此类应用的SiNx/SiO2-on-silicon波导平台。对这些SiNx/SiO2波导的测量表明,它们可以处理数百毫瓦至瓦特的光功率而不会损坏。该平台已经证明了Q>500K的高约束SiNx微环滤波器和Q>108的低约束SiNx微环滤波器。此外,SiNx/SiO2波导工艺可用于实现更高阶的可重构滤波器(见下图)。图(a)显示了具有可重新配置带宽(1,2.5,5GHz)和在100GHz。

FSR上可调谐的中心频率的2阶巴特沃兹滤波器的归一化光学响应。图(b)显示了固定带宽(86GHz)双环辅助马赫-曾德尔干涉滤波器的归一化光响应。

使用林肯实验室的SiNx/SiO2波导工艺实现的高阶可重构光学滤波器的归一化光学响应:(a)具有可重新配置带宽的二阶巴特沃兹滤波器(红色=1GHz,蓝色=2.5GHz,绿色=5GHz;实线=模拟响应)和100-GHz自由光谱范围(FSR)的可调性;(b)可调谐带通滤波器,具有固定的86GHz带宽和20dB带外抑制。

在28.4mA的光电流下,林肯实验室目前实现了高达18GHz的净MWP增益,同时保持NF~20dB。虽然MWP链路测量是使用分立元件进行的,但SCOW激光器和SCOW光电二极管与mPICm工艺的兼容性提出了开发高性能、可重新配置的微波光子子系统的途径。

三、意大利光子网络和技术国家实验室(PNTLab)

意大利国家大学间电信联盟(CNIT)下属的光子网络和技术国家实验室(PNTLab)是欧洲微波光子雷达领域的领跑者。PNTlab微波光子研究小组由Antonella。

Bogoni教授领导,已经为5G网络和多频带雷达提出了创新的解决方案:第一台光子辅助雷达PHODIR的现场试验已在着名的科学期刊NATURE上发布。雷达和激光雷达组合系统的集成架构也已被研究用于环境监测、高精度农业和汽车。基于RF光子的收发器的集成原型也正在开发中。Si和Ⅲ-Ⅴ技术正在被开发中。

意大利全光子数字雷达(PHODIR)样机

由该实验室开发的微波光子雷达原型机参数如下表所示。

表2:PHODIR微波光子雷达原型机参数

此外,该研究小组还进行双波段微波光子雷达的样机、雷达/通信双用途微波光子技术研究,并通过PHODIR的后续项目将微波光子雷达技术推向工业化和实用化。

四、俄罗斯无线电电子技术集团(KRET)

KRET是俄罗斯最大的军用航空电子技术供应商。在微波光子雷达领域上,KRET正在支撑俄罗斯参与全球微波光子雷达技术竞争。

KRET发展微波光子雷达技术的出发点是机载防御系统。据俄国防承包商称,未来俄罗斯第六代空中优势战斗机目前处于早期开发阶段,它将使用激光点防御来摧毁传入导弹的导弹系统。而为了达到这一目的,除了高功率激光器以外,最重要的就是光子相位阵列——使用激光脉冲而不是传统天线的辐射进行成像。该技术也被称为无线电光学相控阵雷达(ROFAR),无线电光子雷达的射程远远超过现有的雷达系统。由于其辐射将覆盖前所未有的宽带,驾驶员将获得非常精确的定位,并且通过信号处理,几乎可以进行摄影质量的成像。该系统还承诺提供更好的电子对抗保护,可能有助于飞机的通信和无线电电子战功能。

在苏霍伊工厂待装的第五代战斗机Su-57

目前这种雷达已经通过技术设计阶段,正在进行光子相控阵天线的研发工作,以制定一系列变体的规格,以便对其物理尺寸、支持的带宽和功率输出做出决定。KRET为所有的委托方都制作了工作原型系统的一部分,该公司认为,最终产品将包括分布在整个战斗机中的几个元素,并集成到统一的信息网络中,而不是单个设备。

参考资料:

[1] Photonic remoting of the receiver of an ultra-high dynamic range radar.NRL 1998。

[2] 何刚, 瞿鹏飞, 孙力军. 微波光子技术应用现状及趋势[J]. 半导体光电, 2017。

[3] 潘时龙, 张亚梅. 微波光子雷达及关键技术[J]. 科技导报, 2017。

[4] SWEEPER Demonstrates Wide-Angle Optical Phased Array Technology.DARPA。

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