光子雷达射频前端关键技术研究

Recent development in microwave photonics technologies can have a significant impact on future radar system architectures. The photonics-based approach is offering promising solutions to overcome the electronics bottlenecks in conventional radars. Photonics technologies are applied to the radar radio-frequency front-end. By mixing in the optical domain the radar signal with the high quality local signal produced by an opto-electronic oscillator (OEO) with high frequency and very low phase noise, optical up/down conversion is effectively implemented. We will study on phase noise reduction in the OEO theoretically and experimentally, and focus on the effect of stimulated Brillouin scattering and Rayleigh scattering. To improve the performance of the frequency conversion system, the phase noise in OEO will be effectively suppressed by using our proposed comprehensive solutions. A channelized receiver based on a flat optical frequency comb (OFC) is proposed. It offers the capability for simultaneously measuring signal at different frequencies. We will study on improving the performance of OFC theoretically and experimentally. The high stability OFC with high SNR and high spectral flatness can be generated by optimizing the operation of the generator based on a high performance OEO, and allows for great channelized receiving capability. The project aims to develop a new approach for the future radar radio-frequency front-end, which has theoretical and practical significance.

近年来微波光子学技术的发展对未来雷达系统构架产生了重要的影响，基于光子学的方法为克服传统雷达中的电子学瓶颈提供了理想的手段。本项目把光子学技术引入雷达射频前端的设计，采用高频、低相位噪声的光电振荡器（OEO）作为高质量本振源，通过在光域的信号混合完成光上、下变频。研究作为本振源的OEO的噪声抑制理论和实现方案，重点关注长光纤环路中受激布里渊散射和瑞利散射对OEO相位噪声的影响，基于所提出的综合抑噪方案可有效降低OEO输出信号的相位噪声，提高变频系统的性能。基于平坦光频率梳（OFC）构造信道化接收机，实现高载波、多频点信号的同时侦测。研究提高OFC性能指标的理论和实现方案，以高性能OEO为射频信号源，借助OFC发生源的结构和偏置优化，改善OFC的光信噪比、平坦度和稳定性，提高信道化接收能力。本项目的研究将为雷达射频前端的未来发展开辟新的途径，具有重要的理论和实际意义。

近年来，雷达研究开始引入越来越多的微波光子技术，用来克服传统雷达中的电子学瓶颈，提升雷达系统性能。本项目在作为本振源的光电振荡器（OEO）方面做了深入的理论和实验研究工作，通过引入外部反馈回路，显著提高了系统的长期稳定性，使输出信号频率漂移在12小时内小于±0.0005 ppm，且外部反馈回路的引入不影响OEO系统的相位噪声；提出了一种基于中频相位锁定技术提升宽带可调谐OEO长期稳定性的方案，该方案避免使用复杂的分频电路，且不受OEO起振频率的影响，可以实现对宽带可调谐OEO的锁相，频率调谐范围为5-15 GHz，频率稳定性达到6.9×10−11/103 s；提出了一种基于被动补偿的OEO结构，在不借助温度控制和主动反馈控制的情况下，使OEO被长时间锁定到外部参考源上。提出了一种基于相干中频可调光频率梳（OFC）的中频带可调的微波光子扫描接收方案，通过扫描OFC的频率，将不同频率的接收信号直接下变频到指定的中频带，系统的无杂散动态范围（SFDR）达到76.45 dB。分别提出了基于两个MZM和基于三个MZM的两种线性化接收方案，通过优化各调制器的调制深度系数、直流偏置相移以及各支路光信号功率，可以在宽带范围内有效抑制三阶互调失真（IMD3）或五阶互调失真（IMD5）。在光子模数转换（ADC）的实现上分别提出了基于单输出调制器和基于双输出调制器两种方案，可有效提高ADC的位分辨率和抗干扰性能。提出了基于被动相位补偿和基于主被动相位补偿两种射频信号光纤稳相传输方案，使20 km光纤传输链路的时延抖动分别减小为3 ps和500 fs。期望我们取得的上述成果能为推动该领域的技术进步做出实际贡献。