[论文解读] 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 10

一句话总结

本论文展示了首个基于硅光子平台的芯片级光子雷达，实现了高分辨率成像且占用面积紧凑。通过在芯片上集成宽带信号发生器和解 chirp 接收机，该系统实现了 2.7 cm 的距离分辨率和小于 2.75 mm 的测量误差，成功实现了全 Ku 波段内复杂目标的逆合成孔径雷达（ISAR）成像。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统电子雷达在民用应用中分辨率和尺寸方面的局限性。
• 通过光子集成解决电子雷达在低频段性能不足的挑战。
• 开发一种完全集成的、芯片级的光子雷达系统，具备高分辨率成像能力。
• 展示芯片上生成宽带信号和芯片上解 chirp 检测，用于信号处理。

提出的方法

• 该系统使用硅光子集成电路，将宽带微波光子信号发生器与解 chirp 接收机协同集成。
• 利用可调谐频率激光器和马赫-曾德尔调制器，在芯片上生成宽带光子 chirp 信号。
• 解 chirp 接收机通过使用发射信号的时间延迟副本进行实时信号混频，实现回波压缩。
• 该系统在全 Ku 波段（12–18 GHz）内工作，支持宽带运行以实现高距离分辨率。
• 信号处理完全在芯片上完成，最大限度减少外部组件并缩小系统尺寸。
• 通过多目标回波信号的相干处理，实现逆合成孔径雷达（ISAR）成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于硅芯片的全集成光子雷达系统是否能在 Ku 波段实现高分辨率成像？
• RQ2 芯片上生成和检测宽带 chirp 信号对系统性能和尺寸有何影响？
• RQ3 芯片级光子雷达可实现的距离分辨率和测量精度是多少？
• RQ4 该系统能否对复杂形状目标实现逆合成孔径雷达（ISAR）成像？
• RQ5 与传统电子雷达系统相比，光子集成在多大程度上降低了尺寸和复杂度？

主要发现

• 该芯片级光子雷达实现了 2.7 cm 的距离分辨率，可实现对目标的精细分辨。
• 系统展示了小于 2.75 mm 的距离测量误差，表明具有高精度。
• 成功对具有复杂轮廓的多个目标实现了逆合成孔径雷达（ISAR）成像。
• 整个系统，包括信号生成和解 chirp 检测，均集成在单个硅光子芯片上。
• 该系统在全 Ku 波段（12–18 GHz）内工作，支持宽带运行以实现高分辨率成像。
• 光子雷达实现了高性能且体积极小，可实现紧凑型一体化雷达解决方案。