信號戰爭 Part 4 Photonics 無線電-光子學相控陣雷達

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邱世卿

2018.12.03


信號戰爭 Part 4  Photonics 無線電-光子學相控陣雷達

1964年，蘇聯科學家彼得·烏菲莫切夫在《莫斯科學院無線電工程學報》上發表了一篇主題為「物理衍射理論中的邊緣波行為」的論文。在這篇論文章，彼得·烏菲莫切夫提出一個概念，即物體對電磁波(雷達)的反射強度和受照射的物體尺寸大小無關，而是與該物體外表邊緣布局有某種比例關係。烏菲莫切夫說明了如何計算飛行物體的表面和其邊緣的最終雷達反射面積，而從他的理論中也能得出一個結論，即使一個體積很大的飛機，仍然可以被設計成能對對磁波反射「匿蹤」。

彼得·烏菲莫切夫這篇論文與他的研究成果後來被翻譯成英語，到了1970年代，美國航空科學家基於烏菲莫切夫的理論，也證明了飛機「匿蹤」的概念，其中第一架完全依照「匿蹤」概念設計的飛機是洛克希德·馬丁公司生產的F-117夜鷹戰鬥攻擊機。

F-117夜鷹戰鬥攻擊機於1981年首飛，1983年正式服役。

F-117夜鷹戰鬥攻擊機的隱身與匿蹤能力在1991年波斯灣戰爭時發揮了極大的作用。在戰役開始前F-117 便利用自身難以被地面防空雷達偵測的優勢，於夜晚飛進伊拉克領空轟炸伊拉克主要的防空雷達與飛彈陣地，在大約1,300次任務，6905個飛行小時期間，F-117總共摧毀了1,600個高價值目標，超過整個戰爭設定全部戰略目標的40%。雖然F-117在歷次空中攻擊任務中表現出其極為重要的價值，但由於軍費削減之原因，美國國防部於2006年決定在數年內將所有的F-117退出現役。2008年4月，F-117正式退出作戰序列，並於2008年8月進行了它的最後一次飛行。

儘管作為先驅的F-117夜鷹戰鬥攻擊機功成身退，但是其後繼F-22、F-35 等更加成熟的機隊陸續服役，這也使得各國在研發五代戰鬥機的競賽中，不少國家已經意識到隱身能力與技術將會是未來戰爭與和平時期的主要遊戲規則改變者。

就如同隱身性能的追求，從另一方面看，如何破解對手戰機所使用的「匿蹤」科技，自然也成為各國另一個亟待突破的領域。只是受限於電磁射頻的物理限制，即使投入非常多的資源，但是在電磁信號偵測上所能取得的進步仍然有限，這也讓許多科學家開始將眼光從古典射頻技術移到各種不同的領域，其中有一部分人似乎從一個原已被廢棄的概念中找到解決方案 - 光子學。

在光子學雷達這個新的「匿蹤」偵測概念中，對於目標信號的偵測是以光線而非傳統的無線電波形式，儘管它的工作方式看起來傳統的電磁波類似，但是使用的原理是光子而不是無線電波。

由於目前隱身戰機所採取的「匿蹤」措施是透過減少全機身對於X波段的無線電波反射，假設這個新理論所描述的技術可行的話，那麼理論上新的探測技術將能夠遠距離的"看到"隱身戰機。而根據目前正在研發的無線電-光子學相控陣雷達製造商所宣稱，基於光的特性，戰機如果僅依賴降低電磁波的反射而達到隱身的目的未來將會行不通。

在以下的文章中，我試著藉由目前網路上所能找到的資訊，幫助大家了解無線電-光子學相控陣列雷達究竟是如何運作的，它目前的能力是什麼，以及誰正在這個領域積極研發，而這可以用來幫助各位朋友無線電-光子學相控陣雷達是否是真實存在的技術亦或只是製造商為了促銷所做的誇大不實廣告(賣假藥)。

首先得先了解什麼是光子學

根據定義，光子學是生成，管理和檢測光子（基本粒子和電磁輻射量子，可以存在於真空中但是以光速運動）以及與光子使用相關的物理和技術的科學。與電子不同，光子本身既沒有質量也沒有帶電荷，因此光子系統不會受到外部電磁場的影響，並且具有更遠的傳輸距離和更大的信號頻寬。
  
換句話說，光子學涉及光信號的處理、控制以及轉換，從透過光纖傳輸數據到設計製造光信號的新傳感器。根據目前科學界研究的趨勢，在未來“光學”和“電子學”將逐漸被“光子學”的廣義名稱所取代，二者將會有一個更為融合的研究體系。

人類使用光子的第一個重要技術是1960年發明的雷射光。當20世紀80年代時期，受限於銅線頻寬無法滿足更高的通信與數據傳輸需求，光纖傳輸開始在全世界連接的網際網路上使用後，“光子學”就變得更加普遍。到了二十世紀末期，光子學的發展與成就主要都集中在電信與通訊領域。特別是它僅花了不到十年就已經取代百年來人類所佈放的銅纜，成為目前全世界網際網路通訊的基礎。而基於對移動通訊與傳輸更高的需求，目前"無線電"光子學已經開始漸漸取代“電信”光子學。這一新的研究方向已經出現在放射線學，波動光學，微波光電子學以及其他科學和工業分支的交會點上。

無線電-光子學，主要用於利用微波和光子設備間的電磁波傳輸信號，以及能夠產生具有傳統電子設備所無法達到性能的射頻系統。

光子雷達的需求

由於數位科技的發展與半導體技術的進步，下一代的雷達（無線電探測和測距）系統需要基於可以用程式定義的無線電波信號以適應不同的環境。

由於物理特性的限制，較小的發射天線具有較高的載波頻率，較高的頻率意味著頻寬的擴大，這能夠可提高雷達對於目標的分辨率，但是一昧的提高射頻頻率並不是代表性能將會一直等比提升，數位微波元件（合成器和模擬 - 數字轉換器）的材質特性限制了最後的頻寬。對於全數位雷達系統的來說，最終的工作頻率往往只能達到幾千兆赫茲，並且需要在嘈雜的背景模擬上下轉換才能達到更高的工作頻率，這些都是非常難以突破的物理技術瓶頸。與其相比，光子學提供了更高的精度和超寬頻段，允許系統更加靈活地生成波長可達毫米波的任意波形以及極其穩定的射頻信號，這些信號的精確度與檢測可以直接數位化而不需要進一步轉換。

當前無線電光子學的發展

俄羅斯
俄羅斯光子學院一直被認為是世界上最好的學校之一，只需回憶一下1964年諾貝爾物理學獎是授予該學院的亞歷山大普羅霍羅夫和尼古拉巴索夫教授當時所進行的雷射研究，並且於2000年再次授予若列斯·阿爾費羅夫 以表彰他在「發展了用於高速電子學和光電子學的半導體異質結構」上的特殊成就。

俄羅斯已經在與西方國家的微電子領域競爭上取得了非凡的成就，並且計劃在無線電光子學和國防技術領域上擊敗她的競爭對手。俄羅斯國內的科學家認為，在先進雷達領域，未來有可能完全放棄電子，因為光子沒有質量並且飛得更快，因此根據光子學原理工作的設備的雷達尺寸可以比常規的射頻信號產生器小幾百倍，同時雷達的數據傳輸速度可以提高十倍。

在俄羅斯，俄羅斯無線電技術公司(KRET)正在開發無線電光子學技術，目前該集團和俄羅斯高級研究基金會正在推展一個名為“開發基於無線-電光子學有源相控陣列”雷達專案。該專案包括在該企業體中建立一個特殊應用實驗室，以及發展該技術成為下一代俄羅斯雷達和電戰系統的基礎。

根據KRET首席執行官Nikolai Kolesov的說法，該項專案中的最新技術將於2020年開始為下一代先進雷達系統，電子情報和電戰系統生產無線電-光子學接收-發射器，這個關鍵性元件是製造下一代有源相控陣雷達天線模組的基礎。這項元件將使用無線電-光子學原理設計，這使得整套設備的重量減輕達1.5-3倍，而其可靠性和效率將提高2-3倍，掃描速度和分辨率則增加到數十倍。

美國
儘管長期以來美國國防部一直在進行相關大量的研究，但每次最後都將該技術歸類為不可行。過程中DARPA 開發了各式各樣的技術來支持這種新雷達系統的測試，其中最新發展之一是光學雷達 LiDAR或LADAR。

LiDAR是一種光探測和測距系統，其系統工作原理與傳統雷達相同。傳統雷達的基本原理是發射出射頻電波，這些射頻電波會從目標身上反彈並帶回目標的相關資訊，一旦物體距離越遠，雷達就越需要精準追蹤目標方位角度，這必須依賴更精密的機械轉動控制技術。然而，結合相控陣列技術可以使雷達系統在不需要機械運動的幫助下，對特定方向發射波束，這也使得雷達運作能夠跟上數位時代。

可以這麼說，DARPA 在 LiDAR專案中是使用雷射光掃描一個給定的區域，而不是透過傳統的無線電波，它所發射出的光束帶回比傳統雷達更詳細且清晰的訊號。然而這還不足以在現階段幫助LiDAR 超越其他已經成熟的傳統雷達技術。不過現在DARPA 已經接續LiDAR 專案，開發出一種更新形式的2D雷射相控陣列，使其尺寸縮減到非常小，而且具備可擴展模組的能力，這使得這款雷射光陣列雷達慢慢成為人們正在關注的焦點。

DARPA 另一個DAHI專案的經理Sanjay Raman指出，將光學相控陣列的所有組件佈放到一個微小的2D芯片中可以“帶來新的傳感和成像功能。”他相信新技術可以創造出高解析度，光束模式的雷達，這是對前一代光學相控陣列雷達的挑戰。除了給LiDAR 提供急需的升級之外，理論上新系統不僅可以幫助生物醫學成像，還可以用於3D 全息顯示的用途上。

新的高解析度光束晶片大約為576μm×576μm ，所有需要的組件，例如以64×64方式排列的4,096個納米天線，都被佈放到單一個矽晶片上。該設計的目標是可彈性擴展，因此如果有需要，納米天線的數量可以大大增加。 DARPA 還證明了動態光束轉向最小可以通過8 x 8陣列就能實現。

要了解有關Nano-Photonic Antenna的更多詳細信息，可以查詢麻省理工學院的研發資訊。

義大利
義大利的一個研究小組開發出了第一個基於全光子學的相干擾雷達系統。在他們發表於Nature 雜誌上的論文中，該團隊描述了他們如何構建新的雷達系統以及它對雷達系統未來的意義。

義大利的光子學雷達系統是PHODIR（基於光子學的全數位雷達）專案的一部分，目標在提高當前基於電子信號系統的目標追蹤和目標速度的運算能力。

基於我們前述，在傳統數位雷達系統中要持續改進性能就必須讓發射元件提供更高頻率的信號，這在當前已經面臨瓶頸而很難做到，因為提高的頻率也會產生更多的雜訊，最終會在所接收的信號中產生更多的不確定性。基於這個原因，科學家們一直在尋求使用雷射作為信號源，因為雷射光比無線電波更加穩定。

使用雷射光建立雷達系統需要一種能夠保持高度穩定相位關係的光學振盪模式，而這也是研究人員正在克服的障礙。義大利的光子學雷達系統使用鎖模雷射光源，它允許系統建立一個週期性的雷射光脈衝序列，表現出低定時抖動的特性。結合他們特別為此編寫的程式與計算晶片，他們能夠透過附加於雷射光發射模組外的光學濾波器，產生具有低相位雜訊的射頻信號，該光學濾波器被發送到一組光電二極管，允許兩種光學模式切換。


雖然PHODIR（基於光子學的全數位雷達）看起來確實可行，但是這個團隊所建立的雷達系統仍處於原型階段。該團隊透過監測在附近機場起飛的真實飛機，然後將他們觀測到的內容與傳統電子信號系統的數據進行比較，用以驗證其能力。他們報告說二者的結果非常接近。另一個值得關注的領域是范圍，它可能會影響信號抖動，從而影響系統的準確性。所提出的架構利用單脈衝雷射來產生可調諧的雷達信號並接收其回波，避免射頻的上變頻和下變頻，並保證程式定義的方法和高解析度。

根據發表的結果，PHODIR的性能超過了載波頻率2千兆赫的最先進的電子設備，並且配合飛機的驗證已經證實了這套系統的有效性並且達到預期的精度。

除此之外，在光子學領域有許多嘗試，但大多與電信以及數據傳輸有關。

以上是我大致搜尋目前有關各國在無線電-光子學相控陣列雷達上的發展，該技術目前正處於發展期，但是作為目前對抗隱身匿蹤戰機的最好防禦，這個技術的發展值得我們持續關注。

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