[논문 리뷰] Chip-based photonic radar for high-resolution imaging

Simin Li Zhengze Cui, Xingwei Ye외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 30.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 3인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 영상 촬영이 가능한 소형 포탄을 구현한 최초의 실리콘 광학 기반 칩 기반 광학 레이더를 제시한다. 넓은 대역 신호 생성기와 디치르프 수신기를 칩 내부에 통합함으로써, 시스템은 2.7 cm의 범위 해상도와 2.75 mm 이내의 측정 오차를 달성하였으며, 전체 Ku 대역에서 복잡한 목표물의 역합성 어레이 레이더(ISAR) 영상 촬영을 구현하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 민간 응용 분야에서 기존 전자 레이더의 해상도 및 크기 제약를 극복하기 위해.
• 전자의 레이더에서 저주파 대역 성능의 도전 과제를 광학 통합을 통해 해결하기 위해.
• 고해상도 영상 촬영이 가능한 완전 통합형 칩 기반 광학 레이더 시스템을 개발하기 위해.
• 신호 처리를 위한 칩 내부에서 광역 대역 신호 생성과 칩 내부에서의 디치르프 검출을 구현하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 넓은 대역의 마이크로파 광학 신호 생성기와 디치르프 수신기를 함께 통합한 실리콘 광학 통합 회로를 사용한다.
• 주파수 조절이 가능한 레이저와 맥스-지엔더 변조기를 사용하여 칩 내부에서 광대역 광학 치르프 신호를 생성한다.
• 디치르프 수신기는 전송 신호의 시간 지연 복제본을 사용하여 실시간 신호 혼합을 수행함으로써 반사 에코를 압축한다.
• 시스템은 전체 Ku 대역(12–18 GHz)에서 작동하여 고해상도 범위 해상도를 위한 광역 대역 작동을 가능하게 한다.
• 신호 처리가 전적으로 칩 내부에서 수행되어 외부 부품과 시스템 크기를 최소화한다.
• 다중 목표물의 반사 신호를 공명 처리하여 역합성 어레이 레이더(ISAR) 영상 촬영을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 칩에 완전히 통합된 광학 레이더 시스템이 Ku 대역에서 고해상도 영상 촬영을 달성할 수 있는가?
• RQ2 광역 대역 치르프 신호의 칩 내부 생성 및 검출이 시스템 성능과 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 칩 기반 광학 레이더에서 확보 가능한 범위 해상도와 측정 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 시스템은 복잡한 형상의 목표물에 대해 역합성 어레이 레이더(ISAR) 영상 촬영을 수행할 수 있는가?
• RQ5 기존 전자 레이더 시스템에 비해 광학 통합이 크기와 복잡성 감소에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 칩 기반 광학 레이더는 2.7 cm의 범위 해상도를 달성하여 세밀한 목표물 식별이 가능하다.
• 시스템은 2.75 mm 이내의 범위 측정 오차를 보이며, 높은 정밀도를 입증한다.
• 복잡한 프로파일을 가진 다수의 목표물에 대해 성공적으로 역합성 어레이 레이더(ISAR) 영상 촬영을 수행하였다.
• 신호 생성과 디치르프 검출을 포함한 전체 시스템이 단일 실리콘 광학 칩에 통합되었다.
• 시스템은 전체 Ku 대역(12–18 GHz)에서 작동하여 고해상도 영상 촬영을 위한 광역 대역 작동을 지원한다.
• 광학 레이더는 매우 작은 크기로 높은 성능을 달성하여 소형의 통합형 레이더 솔루션을 실현하였다.