光控相控阵雷达

将全面展开并加速进行。 由于光纤传输具有损耗低、 频带宽等固有的优 点， 光纤在雷达系统的应用首先用于连接雷达天线 和雷达控制中心， 从而可使两者的距离从原来用同 轴电缆时的 ’## 9 以内扩大到 ) P , O9。用光纤作 传输媒体， 其频带可覆盖 ( 波段 （ % P ")K * QRN ） 或 SE 波段 （ ")K * P "% QRT） 。目前 ( 波段高频光纤系
二、 光控相控阵的技术优势
为了提高抗干扰能力， 相控阵雷达必须具有尽 可能大的带宽。为了提高雷达的分辨、 识别能力和 解决多目标成像问题， 相控阵雷达必须具大的瞬时 带宽。为了对抗反辐射导弹的威胁， 也要求采用大 瞬时带宽的扩频信号。但是由于孔径效应的存在， 相控阵雷达波束的的指向随频率的变化而偏移： ・ =E・
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收稿日期： )##’ $ ") $ )’ ・ +"・
! !""# 年第 ! 期 统已实用化， "# 波段的宽带微波光纤线路系统也已 有大量报道。 光纤在相控阵信号处理方面的应用主要是光纤 延迟线信号处理。先进的高分辨率雷达要求损耗 低、 时间带宽积大的延迟器件进行信号处理。传统 延迟线、 电荷耦合 的同轴延迟线、 声表面波 （ $%& ） 器件 （ ’’( ） 等均已不能满足要求。静磁波器件和 超导延迟线虽能满足技术要求， 但离实用化尚很遥 远。光纤延迟线具有损耗低 （ 在 ) * )+ ,-. 频 段 、 时间 内， 单位延迟时间的损耗仅 +/ 0 * +/ ) 12 3 45 ） 带宽积大 （ 达 )+0 * )+6 ） 、 带宽宽 （ 7 )+ ,-. ） 等优 点， 且动态范围大， 三次渡越信号小， 实现彼此跟踪 的延迟线相当容易， 而且能封装进一个小型的封装 盒。用于相控阵雷达信号处理的多半是多模光纤构 成的延迟线。目前国外光纤延迟线已进入成熟期。 为提高相控阵雷达天线波束扫描的灵活性， 减 小初始功耗， 以及精密控制所需的单元相位和幅度 以实现低的空间旁瓣， 需要对每一天线单元提供波 束 （ 相位） 控制信号、 极化控制信号和幅度控 制 信 号。采用光纤高速传输这些控制信号， 相位稳定性 好， 可以大幅度减少每一有源单元的电子组件量， 简 化系统构成， 降低雷达成本， 减小体积和质量。 光纤技术在相控阵雷达的应用还包括用光纤延 迟线在光控相控阵雷达波束形成所需的相移； 在电 光相控阵发射机中采用集成光学进行波束形成， 用 光纤技术进行天线的灵活遥控； 利用光纤色散棱镜 技术的宽带光纤实时延迟相控阵接收机等。其中， 除光纤延迟线外， 光纤耦合器、 波分复用 3 解复用器、 集成光学、 偏振保持光纤、 高色散光纤、 光纤放大器、 光纤光栅等先进的光纤元器件技术得到了应用。 ［ )］ 据已有资料 ， 美国空军 89:;5 试验室已进行 了 （ )<<= ） 光控相控阵的实验实现， 在 > 6+? 侧向扫 描角下， 光控相控阵可以实现 @+A （ B 波段： C@+ * ) 0++ -.） 的即时带宽。 光控相控阵雷达的国内研究尚未见报道。
图 "! 时延网络图
个 / % $ 单元， 每个 / % $ 单元用 0 位时间延时器精调 时间延时， 放大后经 1 个阵单元辐射输出。
图 # 中， 利用光纤数据通道， 天线已经完全放置 在远端。# 个单模光纤提供 $ % & 信号的发送和接收
图 #! 光控相控阵工作原理示意图
! ! 处于接收状态时， 接收到的 $ % & 信号经放大和 时间延时调整， 与子阵中其它单元的信号合并， 之后 加上相应的光延时， 最后 - 个子阵信号合并送入接 收器。 234 （ 波束扫描控制单元） 由 () 机、 数字处理 接口板、 模拟处理接口板、 光纤数据通道组成。详细 工作过程见参考文献 ［" ］ 。
研究与开发
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( # ) ! )+ ） *! " #! ! "# 2 @= $ D %&’!（ 式中! #! 为波束偏移； #F 为频率的变化； F+ 为中心频率； 2& 为波束宽度； B 为阵的测度。 这样当天线的侧向扫描角是 6+? 时， 即使只有 @A 的频率变化， 波束偏移量将会是波束宽度的一半 （ B G = "） 。另外相控阵雷达的瞬时带宽还要受天线 孔径渡越时间的限制。在这两种约束下， 相控阵雷 达为了获得大的瞬时带宽， 一般方法是在阵列各单 元或子阵级别上采用实时延迟线来消除孔径效应和 孔径渡越时间的影响， 由于阵单元数目较多， 即使在 阵级别上实现实时延时， 也需要大量的微波延时线， 微波延时线体积大、 重量大、 调节困难、 实现难度大； 一种新颖的方法是基于群延迟的机理， 利用光信号
利用 567 （ 589:;:<=>? @ AB9BCBD< 7E;>BF;:GB<= ） 技术， 可在多波长下， 通过 HI7 （ H;:J>KD @ DF>BJ 7DAL E;8>DK ） 、(67（ (KD=K8++8M;: 6BCF:KCBD< 78>KBG ） 、 3I6N （ 3OB>J?:A IF>BJ8; 6:;8P NB<:C ） 等器件来实现， 好处是在实现与频率无关时延的同时得到需要的色
［ D］ 以获得很高的延时精度和相位精度。再者 体积
小、 结构简单、 抗电磁干扰能力强、 温度稳定性好。
［ 0］ 光控相控阵还有另外一个独特优势 。由于
光纤损耗低 （ 小于 +/ E 12 3 U: ） ， 因此可以将信号处 理、 波束控制、 数据处理等设备放置在离天线较远的 地方， 这有利于提高雷达的生存能力， 或将大的雷达 阵面分散若干较小阵面， 配以适当的数据处理， 以获 得更高的实孔径角分辨能力和测角、 定位精度。
一、 引! ! 言
进入 &# 年代以来， 光纤技术的军事应用受到 美、 欧等国军方的重视。在美国， 三军光纤技术开发 活动由三军光纤协调委员会进行组织， 每年投资为 , 千万美元。在 )" 世 纪 的 今 天， 美国国防部已把 “ 光子学、 光电子学” 列为 )#"# 年十大国防技术中 的一项， 其中光纤技术占据着举足轻重的地位。这
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! !""# 年第 ! 期
研究与开发
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连接， ’ 根多模光纤提供从 () 机到天线的控制连 接。处于发送状态时，$ % & 信号源调制一束激光， 经过调制的激光通过 " *+ 的光纤连接到天线。然 后调制光被检测、 放大并经过 " , - 分配器， 分向 个 . 位光延时单元。每个光延时单元有 ’# 个不同 延时值的通道， 扫描波束控制单元根据根据所需延 时值选择其中一个通道。实时延时完成后， 光信号 立即被转化成 $& 信号并经过后置放大器放大。转 化出的每一路 $& 信号通过 ", ’ 功率分配器分向 ’
! !""# 年第 ! 期 文章编号： "##" $ %&’( （ )##* ） #) $ ##+" $ #,
研究与开发
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光 控 相 控 阵 雷 达
张忠华，孙晓昶
（ 中国卫星海上测控部， 江苏 江阴 )"**’" ）
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摘! 要： 由于孔径效应和孔径渡越时间的限制， 传统的相控阵雷达难以在大扫描角下实现大瞬时带 宽。把光纤技术应用于相控阵雷达， 主要包括光纤延迟线形成相控阵雷达波束所需的相移、 电光相 控阵发射机中采用集成光学进行波束形成， 用光纤技术进行天线的灵活遥控、 利用光纤色散棱镜技 术的宽带光纤实时延迟相控阵接收机等， 可以在大扫描角下实现大瞬时带宽， 在提高雷达的分辨率、 识别能力、 解决多目标成像、 对抗反辐射导弹、 简化结构、 减小体积、 重量、 抗恶劣电磁环境、 容易维护 等方面有巨大的优势。由此形成的光控相控阵雷达目前具有重大的理论意义和实践意义。 关键词： 相控阵雷达；光纤； 光控相控阵 中图分类号： -.&,! ! 文献标识码： /
［)］ 三、 光控阵光时延原理及具体实现方案
图 ) 表示时移网络及其形成的波前。 B;V;O ) 的每一个元素都代表一列 （ 0 个） 阵单元， 每一列阵 单元受控于一个 W 3 8 单元。每一个 W 3 8 单元提供 6位 （ XLK） 电延迟， 这个时延用于精调级 （ +/ +) * +/ @ Q5） 延时。每一个 @ 位光延迟时间单元控制 D 个 W 3 且这 D 个光延迟时间单元组成组成一个子 8 单元， 阵， 控制 )E 个天线单元。光延迟单元提供 +/ E@ * =/ =@ Q5 的时间延时， 共有 DE 种光延时可供控制， 用 于形成大的带宽及两边 6+? 的扫描角。
［ )］ 完成 8H 信号的实时延时来实现大的瞬时带宽 ， %%，即 I4KLMNOOP ’9QKR9OO;1 JSN5;1 T NRRNP %QK;QQN ） 雷达。 光控相控阵在大扫描角下实现大瞬时带宽方面 有巨大优势。用光纤实现信号延时器、 信号分配器， 同时作为传输信道。信号延时调节器 #O，E #O， …， （ Q T )） 因而可 #O 的精度决定于光纤的切割精度，