Радар фотонный: В России завершены испытания фотонного радара для поиска стелс-целей

1.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные радары предназначены исключительно для конкретных нужд дистанционного зондирования. Радары имеют множество гражданских и военных применений, например. в метеорологии, проникновение в грунт (GPR), контроль скорости автомобиля. Особое значение имеет использование радаров в управлении воздушным и морским движением.

В объем данной статьи не входит обзор решений, используемых в радарах, спроектированных и построенных по классической электронно-микроволновой технологии, и она не распространяется на все «свойства современных радаров», спроектированных и изготовленных по этой технологии. Подробные описания устройства и свойств различных типов современных РЛС, выполненных по классической электронной СВЧ-технологии, описаны в обширной технической и патентной литературе, например [6-12].

Радары, спроектированные и построенные по этой классической электронной технологии, все еще развиваются и совершенствуются. В настоящее время они составляют основу радиолокационных устройств и, по-видимому, будут использоваться еще долгое время. Представленная статья намеренно касается лишь избранных аспектов, которые являются пресловутой «ахиллесовой пятой» классических радаров. Некоторые из этих ограничений, однако, могут быть успешно решены и преодолены, но уже в фотонных технологиях.

Ожидается, что современные радары будут иметь гораздо более высокое разрешение, меньшие размеры, более легкие антенны, потреблять меньше энергии и, прежде всего, быть очень универсальными. Существует убеждение, что для решения этой задачи современные радары должны работать на гораздо более высоких частотах, а также должны быть основаны на технологии SDR (Software Defined Radio). Традиционные радары, т.е. используемые в радиолокации, обычно большие и тяжелые (иногда даже очень большие и тяжелые). Во-первых, они имеют очень ограниченные возможности настройки своих параметров на значения, которые должны быть достигнуты в условиях изменяющихся условий окружающей среды или в связи с реализацией радиолокационной задачи. В таких радарах полностью отсутствует возможность быстрой настройки полосы пропускания или управления поляризацией. Обычно эти устройства предназначены для работы в одном диапазоне и одной полярности. В типичных обычных радарах сигналы радара и лучи радара формируются с помощью множества сложных электронных технологий. Все сигналы производятся и обрабатываются электрическими процессами, т.е. с использованием электронных компонентов и методов. Разные типы радаров используют разные диапазоны частот — от радио до микроволн. В микроволновом диапазоне передача сигнала обычно осуществляется по полосковым линиям или волноводам, например металлическим трубам прямоугольного сечения (поперечные размеры которых сравнимы с длиной передаваемой волны или больше) или коаксиальным проводам или диэлектрических стержней или трубок, при этом энергия радиолокационного луча излучается в виде соответствующим образом сформированного пучка электромагнитного излучения, а эхо-сигналы направляются к приемнику (или приемникам) по вышеупомянутым линиям передачи.

Свойства микроволн обуславливают необходимость выбора материалов и размеров волноводного тракта. Эти размеры должны быть строго согласованы с диапазоном используемых микроволн и должны соблюдаться в процессе эксплуатации. Это означает, что линия передачи должна быть выполнена и собрана с предельной точностью. Выполнение вышеуказанных требований сложно и дорого.

Многие из перечисленных здесь характеристик были идентифицированы как ограничения статус-кво радаров, которые вместе с нереалистичными в настоящее время ожиданиями растущих потребностей радиолокации ограничивают развитие радаров.

Это побудило к поиску новых конструктивных решений, которые позволили бы реализовать РЛС, работающую на еще более высоких частотах СВЧ. Анализ современного состояния техники позволил выявить те факторы и элементы радиолокации, которые представляют собой труднопреодолимый барьер. Развитию радаров, блокирующих реализацию новых функций, мешала технология, по которой построены нынешние радары. Дальнейшее их эффективное развитие стало зависеть от развития технологий производства и приема радиолокационных сигналов, стратегий модуляции, обнаружения и преобразования частот, а также передачи сигналов. Прогресс возможен, но требует нового подхода к проблеме радиолокации.

Отдельные элементы и узлы, ограничивающие свойства современных РЛС

Анализ факторов, ограничивающих параметры современных РЛС, показывает, что к ним в основном относятся материалы, элементы и компоненты, из которых эти РЛС построены, а также при использовании неэффективных (по отношению к сегодняшним ожиданиям) традиционные электронные технологии. Ограничения также являются следствием определенной привязанности к надежным традиционным системным решениям. Ключевые компоненты, расширяющие ограничения традиционных радаров, включают синтезаторы частоты, аналого-цифровые преобразователи, а также повышающие и понижающие преобразователи частоты. Эти компоненты, несмотря на постоянное совершенствование технологий и внедрение современных решений, были определены как источники сильного шума, уровень которого увеличивается с увеличением частоты эксплуатации. Также было признано, что эти компоненты имеют ограниченную пропускную способность и пропускную способность. Первопричину ограниченных возможностей радиолокационных систем можно найти в генераторах, передатчиках, усилителях, СВЧ-деталях (внешняя часть), антеннах, волноводах, которые могут работать только до нескольких, реже нескольких десятков ГГц. Для создания радиолокационного луча радары, построенные с применением традиционной электронной технологии, должны сначала построить радиолокационный луч из соответствующих цифровых сигналов, которые затем преобразуются в аналоговую форму, затем преобразуются вверх в частотной области, а затем передаются по волноводу на антенну. . В то время как при приеме радиоэха сигнал поступает в приемник, где он усиливается и также преобразуется в частотной области, но уже в сторону понижения, и далее обрабатывается в цифровом виде. Попытки выполнить эти операции на еще более высоких частотах (например, в терагерцовом диапазоне) наталкиваются на непреодолимые препятствия.

Помимо обычных вопросов, возникающих при производстве и обработке электрических сигналов на терагерцовых частотах, все этапы процессов, связанных с формированием и обработкой радиолокационных сигналов, сталкиваются с серьезными проблемами и техническими сложностями. Они касаются как передающих, приемных и передающих линий, так и элементов и компонентов, входящих в состав усилителей, генераторов, смесителей и т. д. Выполнение даже некоторых из требований требует гораздо более широкой полосы пропускания и еще лучшего качества передачи сигнала. — коэффициент шума. При современном состоянии электронных технологий преодолеть эти трудности практически невозможно. Из-за потребности в точных радиолокационных системах, т.е. для управления воздушным движением и зловещей неспособности современных электронных технологий оправдать ожидания, предъявляемые к радарам, родилась концепция радара, свободного от существующих ограничений. Создание РЛС такого типа требует коренного изменения исходной концепции, устройства и конструкции РЛС, разработки прорывных технологий формирования и обработки сигналов и, прежде всего, новых элементов и узлов. Фотонные методы могут быть ответом.

Концепция радара, основанная на идее фотонных систем

Радары, работающие в миллиметровом диапазоне, требуют эффективной передачи с максимально широкой полосой пропускания. Волоконно-оптические сети, используемые для передачи электромагнитной энергии на оптических частотах, могут быть примером успешного решения, преодолевающего некоторые трудности при передаче микроволнового сигнала. Однако создание таких сетей требует высоких частот модуляции, детектирования и скорости передачи сигнала. Так как, согласно современному уровню техники, технические возможности традиционных решений практически исчерпаны или вызывают серьезные затруднения, то выходом из сложившегося положения, по-видимому, может стать передача сигналов в оптическом диапазоне. Это кажется относительно простой задачей с использованием оптоволоконных технологий. Для реализации вышеупомянутой идеи как минимум требуется:

• • Оптические источники достаточной производительности (например, лазеры с синхронизацией мод),

• • Модуляторы оптических сигналов (например, оптическое волокно, электрооптические модуляторы),

• • PIN-коды Высокоскоростные фотодетекторы или (например, МСМ-диоды (GaAsN/GaAs)).

Идея фотонного радара далеко не близка к традиционному радару и не соответствует идее лидара. Термин «фотонный радар» возник из-за идеи заменить все радиолокационные системы, использующие электронные технологии, фотонными системами. Фотонная система состоит из подсистем и элементов, преобразующих модулированные сигналы электрического поля в электромагнитные (оптические) сигналы и наоборот.

К ним в основном относятся:

• • Лазеры с синхронизацией мод (MLL), лазеры с распределенной обратной связью (DFB)

  Эти устройства производят лазерное излучение, называемое гребенкой оптических частот . Он представляет собой спектр, состоящий из последовательности устойчивых, равномерно распределенных и ультракоротких фемтосекундных лазерных импульсов. Принципы работы MLL-лазеров описаны в многочисленных работах. Вкратце она заключается в компенсации хроматической дисперсии лазерного излучения, т. е. в компенсации эффектов, возникающих при взаимодействии света с электронами среды, в которой этот свет распространяется, а также в компенсации интерференционных или геометрических эффекты, влияющие на изменение фазы и групповой скорости импульсов света, распространяющегося в этой среде, в зависимости от оптической частоты света.

• • Системы преобразования частоты электромагнитного излучения. Эти системы основаны на так называемом оптическом гетеродине. Оптический гетеродин — это процесс, использующий эффекты суммирования сигналов модулированных лазерных лучей. Системы преобразования являются частью систем, которые производят оптические сигналы, например, в системах, которые преобразуют эти сигналы в электрические микроволновые сигналы. Идею использования этого метода для получения электрических микроволновых сигналов иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1.

Идея оптической генерации электрических микроволновых сигналов

Другие необходимые элементы включают штыревые и МСМ фотодиоды, световоды, оптические модуляторы, оптические фазовращатели и делители луча, через которые сигналы обрабатываются и затем формируются необходимые формы сигналов для создания микроволновых лучей радара и приема эхо-сигналов и, наконец, для получения электрических информационных сигналов цели.

В режиме передачи генерация электрического выходного микроволнового сигнала осуществляется путем обработки оптического сигнала, полученного в результате оптического гетеродинирования входного сигнала (переносимого оптическим лучом, модулированным входным сигналом), с другим оптическим сигналом (также переносимым другим оптическим лучом, но модулированным сигналом другой частоты), называемый сигналом локального лазерного генератора, в котором сигналы, переносимые обоими лазерными лучами, после суммирования превращаются в другой модулированный оптический луч, но с параметрами, полученными в результате наложения этих лучей, а затем в результате освещения таким фотодиодным пучком получается электрический СВЧ-сигнал с частотой, зависящей от частоты гетеродинного произведения входного сигнала. Этот сигнал при усилении может излучаться обычной антенной. В режиме приема задержка между переданным и принятым (отклоненным от цели) сигналом дает информацию, позволяющую определить расстояние до цели — принятый эхо-сигнал модулирует лазер и в обратном процессе преобразует его в электрический сигнал.

Модулятор

В фотонных системах микроволновые сигналы, а также внутренние управляющие сигналы передаются через оптические лучи. Модулированные оптические лучи получают путем прямой лазерной модуляции или внешней модуляции. Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса используются в диапазоне очень высоких скоростей и частот модуляции (например, в таких материалах, как LiNbO ₃ или органических полимерах). Недостаток модуляторов этого типа, несмотря на то, что они достигают полосы в несколько десятков ГГц, состоит в том, что для них требуются управляющие сигналы от нескольких сотен вольт до даже нескольких десятков киловольт. С точки зрения удобства модуляторы электроабсорбции на основе эффекта Франца-Келдыша значительно проще в использовании. Для аналогичного диапазона модуляции требуется всего несколько вольт амплитуды на сигнал. Модулированные пучки также получают с применением интерферометров Маха-Цендера (рис. 2).

Рис 2.

Идея интерферометров с волоконно-оптическим модулятором Маха-Цендера

Передача микроволнового сигнала по оптоволоконному кабелю

коаксиальные линии и волноводы. Такие сети характеризуются рядом недостатков, в т.ч. большой размер, вес и стоимость, но и малая стойкость к электромагнитным помехам, а также высокая дисперсия и малая емкость.

Идея передачи микроволнового сигнала по оптоволоконному кабелю показана на рисунке 3. Сигналы могут передаваться одновременно в обоих направлениях и на разных длинах волн

Рисунок 3

Идея передачи микроволнового сигнала по оптоволоконному кабелю

В сравнении с традиционной передачей линий фотонные сети характеризуются меньшими размерами, меньшим весом и стоимостью, а также очень высокой устойчивостью к электромагнитным помехам, а также очень низким затуханием, малой дисперсией и высокой пропускной способностью. Фотонные сети обеспечивают двустороннюю и дуплексную передачу микроволнового сигнала.

Система PhoDIR

Хотя возможности формирования и регистрации СВЧ-сигналов в фотонных системах изучались отдельно, т.е. на отдельных приемопередающих устройствах, реализация вышеперечисленного, но в одном приемопередающем устройстве не изучалась и не рассматривалась до не давнего времени. Объединение всех фотонных компонентов в одном устройстве является сутью системы PhoDIR (полностью цифровой радар на основе PHOtonics), первого в мире демонстрационного фотонного цифрового радара. Принципиальная схема развития этой системы представлена ​​на рис. 4.9.0011

Рис. 4.

Принципиальная схема развития системы PhoDIR

Из информации, содержащейся в [1], следует, что система PhoDIR характеризуется превосходными параметрами по сравнению с аналогичными системами, реализованными в традиционной электронной технике. Он имеет более чем в 10 раз меньший фазовый шум (лучше 140 дБн/Гц). Сердцем этой системы является фотонный приемопередатчик, который генерирует сигналы микроволнового радара с помощью одного перестраиваемого импульсного лазера, в то время как эхо сигналов принимается фотонным приемником. Система PhoDIR предназначена для работы в режиме реального времени. Предельное значение частоты сигналов, поддерживаемых этим методом, зависит от полосы фотодиода. Концепция системы PhoDIR представлена ​​на блок-схеме (рис. 4). Блок-схема показана на рис. 5.9.0011

Рисунок 5.

Блок-схема системы PhoDIR [1]

Испытания PhoDIR и полевые испытания были представлены в совместной лаборатории Национальной лаборатории фотонных сетей (LNRF) CNIT и Института связи, информации и восприятия ( TECIP) Школы передового опыта Святой Анны. Общий вид всего устройства представлен на рисунке 6.

Рисунок 6

Общий вид всего устройства [6].

За счет устранения необходимости преобразования частоты сигналов (в сторону повышения или понижения) достигнуто значительное сокращение нежелательных составляющих и, кроме того, мы получили гораздо более высокую пропускную способность и эффективность на уровне, недостижимом для электронных систем и при несущие частоты значительно выше 2 ГГц.

ЭВОЛЮЦИЯ ФОТОНИЧЕСКИХ РАДИОЛОКАТОРОВ

В связи с тем, что радар является практически единственным прибором дистанционного зондирования, с помощью которого можно осуществлять визуализацию удаленных целей практически в любых погодных условиях, они становятся все более незаменимыми в различные области. Несмотря на многочисленные конструктивные, системные и программные усилия, достигнутые параметры радаров, построенных по традиционной электронной технологии, не в состоянии решить проблемы и преодолеть ограничения, которые де-факто вытекают из существующей электронной технологии.

Упомянутая выше система PhoDIR — радар, реализованный в фотонной технологии, является примером радикального улучшения параметров и характеристик радаров.

Эта система, хотя и намного меньше, чем системы, построенные по традиционной технологии, все же довольно велика.

Радарные устройства гораздо меньшего размера были получены при разработке фотонных радаров для использования в ручных сканерах [7].

Структура показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

Схематическая диаграмма и вид радиолокационной системы с оптоволоконным дистанционным управлением [7]

Давление растущих ожиданий и потребностей в обеспечении надежной навигации беспилотных летательных аппаратов, автономных транспортных средств и даже мобильных навигационных устройств требует миниатюризации радаров, поскольку хорошо. Это означает, что радары должны быть преобразованы в гораздо более легкие и компактные устройства, которые потребляют меньше энергии и имеют гораздо более высокое разрешение, чем сегодня.

Ввиду этого технология монолитных микроволновых интегральных схем (МИС), производимых, например, в арсениде галлия (GaAs) и работающих на частотах примерно до 300 ГГц, также оказывается недостаточным для радиолокационной визуализации для обнаружения небольших целей. Для достижения высокого разрешения необходимо иметь максимально возможную полосу пропускания, а пропускная способность даже 1,5 ГГц недостаточна, поскольку разрешение ограничено 10 см.

Тенденцию миниатюризации и развития фотонных радаров иллюстрирует фотонный радар, выполненный в виде миниатюрного чипа на кремниевой пластине [4].

Система содержала генератор широкополосных сигналов и приемник, интегрированные в один чип. Это решение позволило получить изображение в полном диапазоне Ku с разрешением 2,7 см и значением ошибки менее 2,75 мм.

Рис 8.

(а) Схема интегрированного фотонного радара на базе чипа (МЗМ: модулятор Маха-Цендера; МРР: микрокольцевой резонатор; ФД: фотоприемник; (б) Изображение чипа- на основе интегрированного фотонного радара (скрепка в виде скрепки в качестве эталонной шкалы), (c) увеличенный вид чипа фотонного радара [4].9.0011

В работе [5] представлены методы фотонной технологии когерентной оптической обработки для одновременного определения частоты радиоволн, а также угла их прихода.

Представленный метод показал, что сигналы, захваченные распределенной антенной решеткой, могут быть успешно преобразованы с повышением частоты в оптическую область с помощью электрооптических модуляторов, непосредственно связанных с отдельными элементами антенны.

Метод пространственно-когерентного преобразования с повышением частоты радиочастотных (РЧ) волн в оптические лучи, используемый в томографии, создает потенциальную возможность для радиолокации, основанной на сигналах, передаваемых по оптическим волокнам, только с одним лазерным источником, используемым для питания всех модуляторов .

Развитие фотонных радаров, по-видимому, идет по двум направлениям — к радарам, используемым для точного наблюдения за несколькими целями одновременно (например, радиолокация), и к миниатюрным радарам для мобильных приложений.

Выводы

Микроволновая фотоника представляет собой область технологии, объединяющую несколько дисциплин, таких как: оптика, микроволновая техника, электроника, оптоэлектроника, информатика и материаловедение. Для создания фотонного радара требуется команда экспертов, имеющих опыт работы в этих областях. Среди многочисленных вопросов, связанных с реализацией проекта фотонных радаров, ключевыми являются вопросы получения и передачи сигналов, как в микроволновом, так и в оптическом диапазонах, а также частотное преобразование этих сигналов. Фотонные методы позволяют обрабатывать и передавать сигналы в сверхшироком диапазоне, что практически невозможно в традиционной электронной технике.

Операции, которые невозможно выполнить в электронных микроволновых системах в радиодиапазоне, стали возможными в системе PhoDIR.

В заключение, параметры фотонных радаров могут значительно превосходить параметры радаров, реализованных в традиционной электронной технологии. Ярким примером превосходства фотонных технологий является беспроблемная реализация сверхбыстрой выборки (в традиционной технологии только до примерно 1 ГГц, а в фотонных технологиях до нескольких ТГц), а также тот факт, что фотонные решения не столкнуться с проблемами, связанными с быстрой синхронизацией сигналов.

К основным характеристикам фотонных радаров относятся отсутствие электрических микроволновых генераторов, простота получения микроволновых сигналов с помощью оптоэлектронных генераторов, очень высокая стабильность и надежность (до нескольких десятков ГГц).

Достижение очень высокой степени дифференциации расстояния достигнуто за счет широкого диапазона и скорости настройки генераторов. Еще одним большим преимуществом фотонных решений в радарах является очень низкая тепловая сигнатура. Превосходство фотонной РЛС над электронной отражается и в гораздо большей устойчивости фотонной системы к помехам. Таким образом, фотонные решения исключают электронные системы, чувствительные к помехам.

В связи с тем, что сигналы фотонных радаров СВЧ передаются не по классическим линиям передачи, а по оптоволоконным сетям, эти сигналы не подвергаются серьезному разрушению. Дополнительным преимуществом является возможность двунаправленной передачи информации и несущей. Большим преимуществом фотонных систем является их устойчивость к электромагнитным импульсам (HPEM). Фотоника открывает новые возможности для радиолокации. В США зарегистрировано около 35 патентных заявок в этой области, в том числе одна в 2017 г. [2].

ССЫЛКИ

[1] 

Паоло Гельфи, Франческо Лагецца, Филиппо Скотти, Джованни Серафино, Америго Каприа, Серджио Пинна, Даниэль Онори, Клаудио Порци, Мирко Скаффарди, Антонио Малакарне, Валерия Верчези, Эмма Лаццери, Антонио Фабрицио Богони, «Когерентная радиолокационная система, полностью основанная на фотонике», Природа, 507 341 –345 (2014). https://doi. org/10.1038/nature13078 Академия Google

[2] 

К.Ф. Миддлтон, Э.Дж. Grafer, J.R. DeSalvo, Патент № US9680576B1 «Приемопередатчик с фотонным преобразованием частоты и связанные с ним методы (2017)

[3] 

Фернандо Агулло – Лопес, Хосе Мануэль Кабрера, Фернандо Агулло-Руэда, Электрооптика и интегральная оптика (глава восьмая), 219 –249 (1994). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-091632-3.50012-7 Академия Google

[4] 

Симин Ли, Чжэнцзе Цуй, Синвэй Е, Цзин Фэн, Юэ Ян, Чжэнцян Хэ, Жун Цун, Дан Чжу, Фанчжэн Чжан, Шилун Пан, «Фотонный радар на основе чипа для получения изображений с высоким разрешением», Ключевая лаборатория радиолокационных изображений и микроволновой фотоники, Министерство образования, Нанкинский университет аэронавтики и астронавтики, Нанкин 210016, Китай Google Scholar

[5] 

Мураковски Дж. Шнайдер Г. Дж. Ши С. Шютц Ч. А. Пратер Д.В., «Фотонное зондирование радиоволн для k-космической томографии», Оптика Экспресс, 25 (14), 15746 –15759 (2017). https://doi.org/10.1364/OE.25.015746 Академия Google

[6] 

Исследовательская группа: Антонелла Богони, Фабрицио Берицци, Америго Каприа, Паоло Гельфи, Франческо Лагецца, Эмма Лаццери, Антонио Малакарне, Филиппо Скотти Даниэль Онори, Серджио Пинна, Клаудио Порци, Мирко Скаффарди Джованни Серафино, Валерия Верчези, «Полностью цифровой радар на основе фотоники PhoDIR», http://ww.phodir.eu/phodir/trial.php Академия Google

[7]

Канно, Ацуши; Фукунага, Каори; Ямамото, Наокацу; Каваниши, Тэцуя, «Радиолокационная система миллиметрового диапазона на основе фотоники для портативных приложений», в 2017 г. Конференция IEEE по измерениям и применению антенн, CAMA 2017 г., 334 –336 (2018). Google Scholar

[8] 

подполковник (HAF) Иоаннис Кассотакис, «Современные радиолокационные методы для воздушного наблюдения и защиты», Журнал вычислений и моделирования, 4 (1), 189–205 (2014). Google Scholar

[9] 

Современные радары, https://www.

[10]

Нортроп Грумман, «Возможности наземного радара». https://www.northropgrumman.com/Capabilities/GroundRadarCapabilities/Pages/default.aspx Академия Google

[11]

Виталий Горохов, «Историческое развитие радиолокационной науки и техники как прелюдия к современной информационной революции». Икона, 12 168 –189(2006) https://www.jstor.org/stable/23787056 Академия Google

[12] 

Иэн Мюррей Рид, «Методы ПВ и ВЧ радиолокации для исследования динамики и структуры области высот от 50 до 110 км: обзор». Reid Progress in Earth and Planetary Science, 2 33 (2015). https://doi.org/10.1186/s40645-015-0060-7 Академия Google