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微波光子雷達及關(guān)鍵技術(shù)的詳細資料說明

2020-11-16 | pdf | 1.62 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

  雷達是人類進行全天候目標探測與識別的主要手段,多功能、高精度、實時探測一直是雷達研究者追求的目標。這些特性實現(xiàn)的基礎(chǔ)都是對寬帶微波信號的高速操控,但受限于“電子瓶頸”,寬帶信號的產(chǎn)生、控制和處理在傳統(tǒng)電子學(xué)中極為復(fù)雜甚至無法完成。光子技術(shù)與生俱來的大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁干擾等特性,使其成為突破雷達帶寬瓶頸和“照亮雷達未來”的關(guān)鍵使能技術(shù)。同時光子系統(tǒng)重量輕、體積小、可集成,可以將雷達系統(tǒng)的體積重量降低數(shù)十倍,從而大大減輕飛機、衛(wèi)星、艦艇等的載荷。因此光子技術(shù)的引入有可能改變現(xiàn)有雷達系統(tǒng)的體制,賦予雷達系統(tǒng)更加蓬勃的生命力。本文總結(jié)了國內(nèi)外光子雷達系統(tǒng)的主要研究進展,討論了光子雷達系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),并展望了光子雷達及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢。

  未來的戰(zhàn)爭將是地、海、空、天一體化的多維空間立體戰(zhàn),不但有水下、水面、空中、地面硬殺傷兵器在有形空間展開的火力戰(zhàn),還有信息獲取傳感器與軟殺傷兵器在無形空間展開的信息戰(zhàn)。導(dǎo)彈等精確制導(dǎo)武器的大量使用改變了以往戰(zhàn)爭中的攻防結(jié)構(gòu),擴大了交戰(zhàn)的空間,交戰(zhàn)雙方相距很遠時,就可以用導(dǎo)彈相互實施攻擊,先知先覺成為有效攻擊和防御的首要任務(wù)。雷達作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中極為重要的軍事裝備,是海、陸、空、天各兵種的“眼睛”,是全天時、全天候、復(fù)雜環(huán)境下發(fā)現(xiàn)和跟蹤各種威脅的重要手段,自誕生以來就被廣泛研究[1-5]。然而,隨著雷達技術(shù)的發(fā)展,對抗雷達的作戰(zhàn)平臺和作戰(zhàn)方式也得到了長足的發(fā)展;同時,隨著飛行器技術(shù)的發(fā)展,雷達所需探測的目標的特征和電磁特性也日益復(fù)雜,使得雷達技術(shù)和系統(tǒng)必須不斷發(fā)展和演進才能有效發(fā)揮作用。當前,日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境要求雷達既能搜索遠距離目標,又能發(fā)現(xiàn)近距離目標;既能探測中空、高空目標,又能指示低空目標;既能進行多目標搜索、跟蹤,又能進行制導(dǎo)和導(dǎo)航;既能輕松識別強目標,又能有效探測到低、慢、快、小、隱等低可觀測目標[4-5];此外,雷達在作戰(zhàn)中還擔負著戰(zhàn)場環(huán)境感知(成像、氣象觀測)、警戒、電子反制、敵我識別等多種任務(wù)。然而,傳統(tǒng)雷達基本上屬于單一功能設(shè)備,即某一特定雷達只能完成某一種或某一類特定任務(wù),這不可避免會造成以下后果[6]:1)雷達裝備的品種繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給研制、生產(chǎn)、使用和維護帶來極大不便,直接影響裝備的通用化和標準化建設(shè);2)作戰(zhàn)中,大量數(shù)據(jù)從各個性能不同的雷達傳感器送至控制計算機,在系統(tǒng)反應(yīng)時間上形成薄弱環(huán)節(jié),最終影響作戰(zhàn)效能;3)在艦船、飛機、衛(wèi)星等具有有限裝備空間、有限載重范圍和有限能源供給的載體中,同時配置多部雷達將帶來嚴重的電磁兼容性等問題,對載荷能力和續(xù)航能力提出巨大的挑戰(zhàn);4)各雷達參數(shù)固定,在電子對抗中易被捕獲和壓制,生存能力較低。如果雷達的工作頻率可以跨越多個波段,一方面雷達的參數(shù)在作戰(zhàn)時不易被敵方獲取,在電子對抗中具有較高的生存能力,另一方面可以在同一部雷達中同時實現(xiàn)或快速切換雷達的功能,使之擁有多種工作模式[7]。此外,大帶寬本身對應(yīng)著雷達的高分辨率。因此實現(xiàn)集多種功能于一體的新型雷達,研制和試驗多波段寬帶可重構(gòu)雷達已成為重要的發(fā)展趨勢。要想實現(xiàn)多波段寬帶可重構(gòu)雷達,寬帶射頻前端是當前最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。然而受限于“電子瓶頸”,電子技術(shù)難以實現(xiàn)寬帶信號的產(chǎn)生、控制和處理。微波光子技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟為多波段可重構(gòu)雷達帶來了希望。相比于傳統(tǒng)電子技術(shù),微波光子技術(shù)能夠提供高頻率、多波段的本振源和高精細、大帶寬的任意波形產(chǎn)生,基于光真延時的波束形成可克服傳統(tǒng)相控陣波束傾斜和孔徑渡越等難題,微波光子模數(shù)變換在高采樣率下仍能保持較高的有效比特數(shù)。此外,微波光子技術(shù)相對于電技術(shù)還具有傳輸損耗低、質(zhì)量輕及抗電磁干擾等潛在優(yōu)勢[8-10],因此基于微波光子技術(shù)的雷達能有效克服傳統(tǒng)電子器件的若干技術(shù)瓶頸,改善和提高傳統(tǒng)雷達多項技術(shù)性能,甚至有望成為下一代雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵,為雷達等電子裝備技術(shù)與形態(tài)帶來變革。微波光子技術(shù)自誕生以來就受到了國際學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和國防部門的高度重視,美國國防部高級研究計劃局(DAR PA)近年來設(shè)立了數(shù)十個項目支持核心微波光子器件、光電振蕩器、光任意波形產(chǎn)生(OAWG)、光模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、模擬光子信號處理、模擬光子前端、光電集成等技術(shù)的研究[11]。中國和歐盟也對微波光子技術(shù)進行了重點支持,相應(yīng)的器件、模塊、單元技術(shù)日趨成熟。隨著微波光子技術(shù)的發(fā)展,將微波光子技術(shù)應(yīng)用于多功能雷達系統(tǒng)已成為眾多國家的重要研究課題。以歐盟為例[12],設(shè)立“全光數(shù)字雷達”(PHODIR)項目以設(shè)計和實現(xiàn)基于光子技術(shù)的全數(shù)字式雷達驗證裝置。該裝置在發(fā)射機端實現(xiàn)了高頻信號的光子學(xué)產(chǎn)生,同時在接收端對雷達回波信號進行了超高比特率的光子采樣,發(fā)射和接收共享同一基準源,從而確保了收發(fā)相參。在PHODIR項目的基礎(chǔ)上,設(shè)立“預(yù)工業(yè)化光子雷達設(shè)計”(PREPaRE)項目,進行微波光子雷達的預(yù)工業(yè)化設(shè)計,以期將PHODIR項目的光子雷達推向工業(yè)化。設(shè)立“用于寬帶互聯(lián)的集成光毫米波器件和功能”(IPHOBAC)項目,研究先進緊湊的光子源,包括高頻譜純度及穩(wěn)定性的微波源,超寬帶可調(diào)諧微波源和帶集成天線的發(fā)射機。設(shè)立“用于下一代合成孔徑雷達應(yīng)用的光子前端”(GAIA)項目,發(fā)展用于未來合成孔徑雷達的陣列天線所要求的光子技術(shù),包括陣列天線的光信號分發(fā),在發(fā)射和接收時采用集成光路對每個天線單元進行真時延控制,設(shè)計適用于大型可展開天線的光控波束形成。因此,微波光子雷達不僅被學(xué)術(shù)界認為是新型雷達的未來,也被工業(yè)界視作切實可行的解決方案。本文將回顧國內(nèi)外微波光子雷達關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成的主要研究進展,并對微波光子雷達進一步發(fā)展進行展望。

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