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光控相控阵雷达

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：TN95, 文献标识码：A

一、引言
进入90年代以来，光纤技术的**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
5 千万美元。在21世纪的今天，美国国防部已把“光子学、光电子学”列为2010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。这预示着美国等西方国家对光纤技术**应用的研究
将**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300m 以内扩大到2-5km。用光纤作传输媒体，其频带可覆盖X波段(8-12.4GHz)或Ku波段(12.4-18GHz)。目前X波段高频光纤系统已实用化，Ku 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。传统的同轴延迟线、声表面波（SAW）延迟线、电荷耦合器件（CCD）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(1-10GHz) 频段内，单位延迟时间的损耗仅(0.4-0.1dB/ps)、时间带宽积大达(104-106)、带宽宽(>10GHz)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**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/ 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［1］，美国空军Romes 试验室已进行了（1997）光控相控阵的实验实现，在±60° 侧向扫描角下，光控相控阵可以实现50%（L波段:850-1400Hz）的即时带宽。
光控相控阵雷达的国内研究尚未见报道。

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：

这样当天线的侧向扫描角是60°时，即使只有5%的频率变化，波束偏移量将会是波束宽度的一半（L=7λ)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，利用光信号完成RF信号的实时延时来实现大的瞬时带宽[1]，即光控相控阵（OCPAA即Optically controlled Phased-array Antenna)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△1,2△1，…，（n-1）△1的精度决定于光纤的切割精度，因而可以获得很高的延时精度和相位精度。再者[3]体积小、结构简单、抗电磁干扰能力强、温度稳定性好。光控相控阵还有另外一个独特优势[4]。由于光纤损耗低（小于0.2dB/Km）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。

三、光控阵光时延原理及具体实现方案[1]
图1表示时移网络及其形成的波前。Level 1的每一个元素都代表一列（4个）阵单元，每一列阵
单元受控于一个T/R单元。每一个T/R单元提供
6 位（bit) 延迟，这个时延用于精调级（0.01-0.5ns)延时。每一个5位光延迟时间单元控制3个T/R单元，且这3个光延迟时间单元组成组成一个子
阵，控制12个天线单元。光延迟单元提供0.25-7.75ns 的时间延时，共有32种光延时可供控制，用
于形成大的带宽及两边60°描角。

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