近日，來自澳大利亞悉尼大學(xué)物理系的校友劉陽博士、張紫千與柏林工業(yè)大學(xué)高頻光子研究所毛里齊奧·伯拉（Maurizio Burla）教授（原就職于 ETH Zurich, SNSF Ambizione Fellow）合作，運用低速電子信號器件驅(qū)動信號帶寬在 11GHz 以上的雷達系統(tǒng)，并使其達到了厘米乃至亞厘米級的距離探測和成像分辨率。
相關(guān)論文以《基于 MHz 電信號驅(qū)動的 11GHz 帶寬光子輔助雷達》（11-GHz-Bandwidth Photonic Radar using MHz Electronics）為題發(fā)表在 Laser & Photonics Reviews上。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Laser & Photonics Reviews）
據(jù)了解，該團隊主要采用聲-光頻移調(diào)制的方法，在一個光纖環(huán)路里面完成高速的、高時-頻線性度的且連續(xù)的步進頻率調(diào)制，最終只用 80MHz 電學(xué)信號就驅(qū)動該雷達系統(tǒng)實現(xiàn) 10GHz 以上的信號帶寬。
這種雷達系統(tǒng)既消除了對高速、昂貴電學(xué)信號產(chǎn)生設(shè)備的依賴，又極大降低了硬件復(fù)雜度和成本，有望促進光學(xué)輔助雷達在室內(nèi)探測和醫(yī)學(xué)監(jiān)護等應(yīng)用場景中的發(fā)展。
該團隊介紹道，“研究中用到的步進頻率調(diào)制環(huán)路是一個結(jié)構(gòu)簡單的經(jīng)典光學(xué)結(jié)構(gòu)，被廣泛用于光信號調(diào)制和產(chǎn)生等場景中，其部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的光子芯片集成化最近有了一些報道，例如片上聲光調(diào)制器、低損耗光時延波導(dǎo)和波導(dǎo)光放大器等。”由此可知，該雷達系統(tǒng)也具有相應(yīng)的集成化潛力。
圖片圖 | 基于聲光步進頻率調(diào)制的超寬帶光子輔助雷達（來源：Laser & Photonics Reviews）
當(dāng)前，研究人員最近已在該雷達系統(tǒng)的樣機中實現(xiàn)超過 30GHz 帶寬的微波雷達信號，相當(dāng)于大約 5 毫米的雷達距離分辨率。距離分辨率是指雷達能夠區(qū)分兩個物體間的最小距離，提高雷達的信號帶寬可以直接擴大其距離分辨率，從而在探測和成像時獲得更加“清晰”的雷達圖像。
通過產(chǎn)生的大寬帶微波信號，該雷達可以區(qū)分兩個平面反射體之間厘米級別甚者毫米級別的直線距離，可應(yīng)用于需求日益增長的無人機監(jiān)控和感知等高空間分辨率應(yīng)用場景中。
此外，相比于傳統(tǒng)線性調(diào)頻雷達的長距離探測能力，該雷達更適合作為一種近距離和中距離的高分辨率和高效目標(biāo)探測和感知手段。
據(jù)悉，研究人員自 2019 年年初起開始研究簡單的電子微波雷達系統(tǒng)，隨后逐步加入光學(xué)器件和技術(shù)以提高系統(tǒng)功能的復(fù)雜度和系統(tǒng)性能。2019 年底，他們完成了樣機研制，并于 2020 年初證明了其在無人機探測成像等場景中的應(yīng)用潛力。
此次，該團隊嘗試在這些工作的基礎(chǔ)上將非線性聲光效應(yīng)與微波光子系統(tǒng)結(jié)合起來，不僅解決一些現(xiàn)有光學(xué)輔助雷達技術(shù)中存在的問題，而且為未來微波光子雷達系統(tǒng)提供了一種新的補充性技術(shù)方案。
研究人員稱，最初他們并沒有特定的項目支撐和要求，而是把該研究當(dāng)作一個課余興趣探索課題。過程中，他們從簡單的射頻天線到復(fù)雜的雷達系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)了微波光子雷達系統(tǒng)的構(gòu)建、控制和目標(biāo)探測。
目前，該團隊把工作集中于第二代小型化樣機的研制、新型應(yīng)用探索及公司孵化。他們表示，這種雷達系統(tǒng)在非接觸式測量與多目標(biāo)追蹤醫(yī)學(xué)場景下的應(yīng)用比較有前景，其可以基于微波信號避免傳統(tǒng)佩戴設(shè)備所帶來的不舒適感，并完全消除醫(yī)護人員與患者之間的接觸，減輕可傳播疾病感染的風(fēng)險，還能夠在克服一人一機局限性的同時避免隱私問題。
下一步，該團隊將專注于該雷達的小型化研究，并嘗試實現(xiàn)部分核心光子器件和功能的芯片集成化。
圖片圖 | 劉陽（左）和張紫千（右）（來源：劉陽、張紫千）
據(jù)了解，劉陽本科畢業(yè)于華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院。2015 年，他從華中科技大學(xué)武漢光電研究中心獲得碩士學(xué)位，之后在悉尼大學(xué)物理系攻讀博士，并于 2020 年 12 月得到歐盟“瑪麗·居里學(xué)者”項目資助，加入瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院物理系 LPQM 團隊從事博士后研究工作。
張紫千（共同第一作者）本科期間是在哈爾濱工程大學(xué)度過，畢業(yè)后去往悉尼大學(xué)獲得研究型工學(xué)碩士學(xué)位。2020 年，他繼續(xù)在悉尼大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位。
值得一提的是，這兩位青年學(xué)者在博士期間跟隨同一位導(dǎo)師本杰明·J·艾格爾頓（Benjamin J. Eggleton）教授（澳大利亞科學(xué)院院士，技術(shù)科學(xué)與工程院院士），未來也都有回國發(fā)展的計劃。
