[論文レビュー] Chip-based photonic radar for high-resolution imaging

Simin Li Zhengze Cui, Xingwei Ye+7 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、コンactなフォトニックプラットフォーム上で、高分解能イメージングを可能にする小型化されたフォトニックレーダーを初めて実装した。広帯域信号発生器とデチーリング受信機をチップ上に統合することで、2.7 cmの距離分解能と2.75 mm未満の測定誤差を達成し、全Kuバンドで逆合成開口レーダ（ISAR）イメージングを実証した。

ABSTRACT

Radar is the only sensor that can realize target imaging at all time and all weather, which would be a key technical enabler for future intelligent society. Poor resolution and large size are two critical issues for radars to gain ground in civil applications. Conventional electronic radars are difficult to address both issues especially in the relatively low-frequency band. In this work, we propose and experimentally demonstrate, for the first time to the best of our knowledge, a chip-based photonic radar based on silicon photonic platform, which can implement high resolution imaging with very small footprint. Both the wideband signal generator and the de-chirp receiver are integrated on the chip. A broadband photonic imaging radar occupying the full Ku band is experimentally established. A high precision range measurement with a resolution of 2.7 cm and an error of less than 2.75 mm is obtained. Inverse synthetic aperture (ISAR) imaging of multiple targets with complex profiles are also implemented.

研究の動機と目的

• 民事用途における従来の電子レーダーの分解能とサイズの制限を克服すること。
• 電子レーダーの低周波帯域性能の課題をフォトニック統合によって解決すること。
• 高分解能イメージングが可能な完全統合型チップベースフォトニックレーダーシステムの開発。
• 信号処理のためのチップ上での広帯域信号生成とチップ上でのデチーリング検出の実証。

提案手法

• 広帯域マイクロ波フォトニック信号発生器とデチーリング受信機を統合したシリコンフォトニクス集積回路を用いる。
• 周波数可変レーザーとマハー・ツェンダーモジュレータを用いて、チップ上で広帯域フォトニックチープ信号を生成する。
• 送信信号の時間遅延コピーを用いて、リアルタイムの信号混合を実行することで、戻り信号を圧縮するデチーリング受信機を実装。
• 全Kuバンド（12–18 GHz）で動作し、高距離分解能を実現する広帯域動作を可能にする。
• 信号処理はすべてチップ上で実行され、外部部品の最小化とシステムの小型化を実現。
• 複数のターゲットからのコherentlyな散乱信号処理を用いて、逆合成開口レーダ（ISAR）イメージングを実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンチップ上に完全統合されたフォトニックレーダーシステムは、Kuバンドで高分解能イメージングを達成できるか？
• RQ2 チップ上での広帯域チープ信号生成および検出が、システム性能とフォームファクタに与える影響は何か？
• RQ3 チップベースフォトニックレーダーの実現可能な距離分解能と測定精度はどの程度か？
• RQ4 本システムは、複雑な形状のターゲットの逆合成開口レーダ（ISAR）イメージングを実行できるか？
• RQ5 従来の電子レーダーシステムと比較して、フォトニック統合はサイズと複雑さをどの程度低減できるか？

主な発見

• チップベースフォトニックレーダーは2.7 cmの距離分解能を達成し、微細なターゲット識別が可能となった。
• システムは2.75 mm未満の距離測定誤差を示し、高い精度を確認した。
• 複雑な形状の複数ターゲットに対して、逆合成開口レーダ（ISAR）イメージングが成功裏に実行された。
• 信号生成とデチーリング検出を含む、システム全体が1枚のシリコンフォトニクスチップ上に統合された。
• システムは全Kuバンド（12–18 GHz）で動作し、高分解能イメージングに適した広帯域動作をサポートした。
• フォトニックレーダーは非常に小型なフォームファクタで高い性能を達成し、コンパクトでワンチップのレーダー解決策を実現した。