TRENDS OF THE MICROWAVE PHOTONIC RADARS

ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Теорія та практика сучасного прецизійного приладобудування ТЕОРІЯ ТА ПРАКТИКА СУЧАСНОГО ПРЕЦИЗІЙНОГО ПРИЛАДОБУДУВАННЯ DOI : 10.20535/1970.67(1).2024.306719 УДК 621.37, 535.8 ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ МІКРОХВИЛЬОВИХ ФОТОННИХ РАДАРІВ Аврутов В. В., 1)Рупіч С. С., 2)Цисарж В. В. 1 Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна, 2 Державне підприємство Науково-дослідний інститут радіолокаційних систем "Квант-радіолокація", Київ, Україна E-mail: 1) На сьогодні провідні країни світу інтенсивно працюють над розробкою радіолокаційних станцій нового покоління - радіофотонних радарів, які дозволяють значно зменшити масогабаритні характеристики радіолокаційних станцій, збільшити інформативність та дальність виявлення цілей внаслідок зменшення втрат в довгих комунікаційних лініях при використанні оптичного волокна, забезпечити високу перешкодозахищеність завдяки значно меншій чутливості оптико-електронної апаратури та волоконно-оптичних ліній зв'язку до зовнішніх електромагнітних впливів. Мікрохвильова фотоніка забезпечує широку смугу пропускання, плоску характеристику, передачу з низькими втратами, багатовимірне мультиплексування, надшвидку обробку аналогового сигналу та стійкість до електромагнітних перешкод. Реалізація радара в оптичній області може забезпечити кращу роздільну здатність, покриття та швидкодію, що було б важко реалізувати за допомогою традиційної електроніки. В оглядовій статті розглянуто стан розвитку та системні архітектури таких фотонних радарів, як оптоелектронні гібридні радари, повністю оптичні радари, багатофункціональні мікрохвильові фотонні радарні системи, розподілені мікрохвильові фотонні радари, програмно-визначені радари та когнітивні радари. Обговорюються нові технології в цій галузі та можливі майбутні напрямки досліджень. В якості прикладу, розглянуто широкосмуговий мікрохвильовий фотонний радар, відтворений на основі мікросхеми. Генератор широкосмугового сигналу та приймач вбудовані в кремнієвий кристал на ізоляторі. Отримано високоточне вимірювання дальності з роздільною здатністю 2,7 см і похибкою менше 2,75 мм та реалізовано візуалізацію кількох цілей зі складними профілями. Але продуктивність більшості інтегрованих мікрохвильових фотонних мікросхем ще не є задовільною для практичних радарних застосувань. Монолітна інтеграція ключових мікрохвильових фотонних підсистем є також недостатньо зрілою для практичного застосування, тому гібридна інтеграція пристроїв, виготовлених на їхніх оптимальних інтеграційних платформах, становить практичний інтерес. На сучасному етапі фосфід індію, нітрид кремнію та кремній на ізоляторі є трьома провідними платформами для фотонної інтеграції. Ключові слова: радар; мікрохвильова фотоніка; роздільна здатність; пропускна здатність. Вступ Мабуть, радар або радіолокаційна станція (РЛС) є єдиним засобом всепогодного, цілодобового, далекого виявлення місцезнаходження та розпізнавання цілей [1]. RADAR - це скорочення від RAdio Detection And Ranging. Випромінюючи радіочастотні (РЧ) сигнали у вільний простір за допомогою передавача та збираючи відлуння за допомогою приймача, можна отримати таку інформацію про ціль, як відстань, висота, зображення, напрямок і швидкість [1]. Використання суто електронних технологій у традиційних радарах призводить до обмеженої смуги пропускання, незначної кількості функцій, низької швидкості передачі та низької роздільної здатності [2, 3]. Це ускладнює виявлення та ідентифікацію низько розташованих, малошвидкісних і невеликих цілей для цивільних застосувань, а також у складних електромагнітних середовищах. Щоб вирішити ці проблеми, в радари були впроваджені технології на основі фотоніки. Характерними ознаками сучасної фотоніки є широка смуга пропускання, плавний відгук, передача з низькими втратами, багатовимірне мультиплексування, швидка обробка аналогових сигналів і стійкість до електромагнітних перешкод [4]. Сучасні досягнення в мікрохвильовій фотоніці дозволили розробити мікрохвильові фотонні підсистеми, такі як оптоелектронні осцилятори (optoelectronic oscillators - OEO), широкосмугові генератори сигналів, оптичні мережі формування променя Вісник КПІ. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, Вип. 67(1), 2024. 5 ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Теорія та практика сучасного прецизійного приладобудування (optical beamforming networks OBFN), мікрохвильові фотонні змішувачі, системи перетворення Фур’є в реальному часі (real-time Fourier transform RTFT) і фотонні аналого-цифрові перетворювачі [5]. Крім того, завдяки застосуванню фотоніки були запропоновані різні мікрохвильові фотонні радарні архітектури, які продемонстрували виняткову конфігурованість, численні функції та можливості зображення з високою роздільною здатністю. Мікрохвильові фотонні підсистеми можуть бути інтегровані для реалізації радіолокаційного приймача. На рис. 1 показано загальну блок-схему мікрохвильового фотонного радара [2], який включає модулі передачі/приймання (transmit/receive T/R), оптичні модулі та модулі цифрової обробки сигналів (digital signal processing DSP). Відповідно до архітектури оптичних модулів мікрохвильові фотонні радари можна розділити на шість категорій: оптоелектронні гібридні радари, повністю оптичні радари, багатофункціональні мікрохвильові фотонні радарні системи, розподілені мікрохвильові фотонні радари, програмно-визначені радари та когнітивні радари. Рис. 1. Блок-схема мікрохвильового фотонного радара Оптоелектронний гібридний радар Архітектура оптико-електронного гібридного радара [2] являє собою традиційний електронний радар з однією або кількома підсистемами, реалізованими в оптичній області (рис. 2). Кілька оптико-електричних (OE) і електрично-оптичних (EO) перетворень потрібні, якщо в системі є два або більше оптичних модулів. Кілька пар перетворень OE та EO призводять до значних втрат, шуму та нелінійних компонентів і, отже, значно погіршують продуктивність радара. Крім того, інші електронні компоненти в системі компенсують переваги, отримані мікрохвильовими фотонними технологіями. Широкосмуговий характер оптико-електронного гібридного радара 6 використовується для створення радіолокаційних зображень із надвисокою роздільною здатністю. Зазвичай радіолокаційне зображення можна створити за допомогою радара із синтезованою апертурою (Synthetic Aperture Radar SAR) або радара зі зворотною синтетичною апертурою (Inverse Synthetic Aperture Radar ISAR). Рис. 2. Архітектура оптико-електронного гібридного радара Використання руху антени радара або цілі дозволяє створити синтетичну апертуру з більш точним просторовим дозволом, ніж звичайні радари зі скануванням променя. Роздільна здатність за дальністю визначається смугою радіолокації за допомогою формули, яка не залежить від відстані c , (1) LR = 2B де c − швидкість світла у вакуумі, B − ширина смуги випромінюваного сигналу, а роздільна здатність за перехресною дальністю пов’язана з кутом огляду θ і несучою частотою fc радіолокаційного сигн (...truncated)