南京航空航天大学微波光子学课题组潘时龙教授、张方正副教授和中国电科智能感知实验室联合团队研制出了基于微波光子技术的高分辨率实时雷达成像系统。该系统采用微波光子信号产生和处理技术，不仅利用低速信号处理机成功地提取了回波信号中的图像信息，还实现了较快的图像帧率，让人们可以以视频的方式高精度地观测小尺寸目标。

实时目标探测与成像在**与民用领域具有广泛的应用。光学成像方法虽然精度高，但易受环境因素影响，难以在雾霾、雨雪等恶劣天气使用。微波雷达能够全天候工作并具有一定穿透能力，但受电子瓶颈的限制，实现目标探测与成像时精度较低，实时性也较差，且成像精度和实时处理相互矛盾，难以同时提升，无法满足诸如自动驾驶汽车、无人机、自主机器人、周界安全等对快速、高精度目标探测与识别的需求。

联合团队研制出的基于微波光子技术的高分辨率实时雷达成像系统，采用微波光子信号产生技术生成了高线性度的宽带线性调频信号，信号瞬时带宽达到8 GHz（K波段）；同时采用了微波光子信号处理技术对宽带雷达回波信号进行实时信号处理，在不损失信息量的前提下极大地压缩了数据量。因此，研究人员不仅利用低速信号处理机成功地提取了回波信号中的图像信息（成像分辨率优于2 cm），还实现了较快的图像帧率，让人们可以以视频的方式高精度地观测小尺寸目标。

图1 基于微波光子技术的高分辨率实时雷达成像系统(插图：LFM信号去啁啾原理)

图1为基于微波光子技术的高分辨率实时雷达成像系统示意图。此系统采用微波光子倍频技术，将输入的低速线性调频信号在光域倍频后得到高载频、大带宽的雷达发射信号。在接收机，利用微波光子混频技术，将雷达回波信号进行去啁啾处理，对去啁啾信号进行采样与信号处理即可获得探测目标的距离信息并实现高分辨率成像。得益于光电子器件固有的高频、宽带优势，此雷达系统潜在的工作带宽可以达到几十GHz，能实现小于1 cm的超高距离分辨率。同时，微波光子去啁啾操作可将雷达回波信息下变频至低频波段，通过数模转换后进行低数据率数字信号处理，就可实现具有高实时性的目标探测与成像。

图2 (a) K波段8 GHz带宽发射信号波形； (b) 发射信号的频率-时间关系图； (c)利用微波光子技术对接收信号去啁啾后的信号波形； (d) 去啁啾后的信号频谱

研究团队对所构建的K波段8-GHz带宽雷达的性能进行了深入研究。图2(a)为经过微波光子四倍频后得到的雷达发射信号波形。图2(b)为相应的频率-时间关系图，发射信号频率覆盖18~26 GHz。单目标探测时，对回波信号进行微波光子去啁啾后，得到的信号如图2(c)所示。采用500 MS/a速率进行采样并做实时频谱分析，得到如图2(d)所示的信号频谱。进一步通过频谱分析，可以得到探测目标的距离信息。此雷达样机的距离分辨率为1.875 cm，远远超越了目前报道的工作于K波段其他雷达的分辨率。对此雷达样机性能的详细报道已发表于Scientific Reports [7, 13848 (2017)]。

图3 对转动小风扇实时成像结果。(a) 风扇静止状态图片（扇叶长度：16 cm，宽度6 cm）；(b)-(d)转动风扇实时成像不同帧画面

图4 对转动小风扇实时成像动图

利用所构建的K波段8-GHz带宽雷达样机，研究团队实现了分辨率为2 cm×2 cm的高精度ISAR二维实时成像。图3所示为对转动小风扇进行实时成像的结果^[1]。风扇扇叶的长度与宽度分别为16 cm与6 cm，转动速度约为6圈每秒。雷达接收机采用100 MSa/s采样速率，实现了100 fps的实时成像。图3(b)-(d)所示为不同帧的成像结果。同时，研究团队利用雷达样机对室外非合作目标进行了ISAR实时成像，图5和图6所示为对低空飞行的小型无人机进行实时成像结果^[2]。

图5 (a) 雷达外场测试系统；(b) 小型无人机（机身长150 cm，机翼长180 cm, 宽20 cm）低空飞行照片； (c)-(e)对低空飞行小型无人机实时成像得到的连续三帧图像

图6 对低空飞行的小型无人机实时成像动图

中国电子科技集团第十四研究所在其官方网站“企业要闻”栏目里评价该工作“国际上首次成功实现了对小尺寸目标的实时高分辨成像，成像精度优于2厘米”，“攻克了宽带信号产生、宽带实时成像处理这两大技术难题，拓展了雷达在军民领域的应用前景，更为下一代宽带多功能雷达奠定了坚实的技术基础”。《科技日报》于2017年5月25日以《自动驾驶汽车能在大雾里躲开蹿出的“喵星人”》为题在头版报眼位置对该工作进行了重点报道。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41598-017-14306-y#Sec2

参考文献：

[1] https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-14-16274

[2] https://www.osapublishing.org/col/abstract.cfm?uri=col-15-11-112801&origin=search