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概要

合成孔径雷达是目前空间地球观测领域极其重要的遥感技术之一。欧盟Horizon 2020项目“SPACEBEAM”研发出一种先进的光子集成电路，能够实现空间合成孔径雷达系统中信号的宽带连续波束形成和频率转换，直接对信号进行数字化处理。该光子芯片将磷化铟的主动器件和氮化硅的无源器件整合在一起，制成混合集成模块。这一光子接收器的应用，将使未来合成孔径雷达仪器能够通过接收端扫描波束形成技术实现对广阔地区的瞬时高分辨率成像。本文根据发表在《Journal of Lightwave Technology》的论文，概括介绍了“SPACEBEAM”项目的动机、设计方案以及研究成果。

前言

来自太空的地球观测在监测气候变化、推动全球可持续发展目标方面发挥着不可或缺的作用。卫星图像可精确监测植被状况、森林覆盖率变化、冰川融化程度、污染分布以及极端天气事件等多种参数。然而，传统的光学成像卫星受阳光照射和良好天气条件的制约较大。合成孔径雷达使用微波信号形成高分辨率地表图像，可全天候独立工作，提供了极为宝贵的补充手段。随着合成孔径雷达仪器性能的不断提高，采用接收端扫描波束成形等技术实现对广阔区域的瞬时高分辨率成像已成为可能。为实现这一目标，欧盟资助了“SPACEBEAM”项目，研发应用于空间合成孔径雷达系统的先进光子集成电路。

光子集成电路在合成孔径雷达中的作用

合成孔径雷达系统工作原理是，卫星沿飞行轨道移动时，利用多个较小物理孔径天线接收到的回波信号，合成一个大型虚拟孔径天线，从而实现与大型实体天线相媲美的高空间分辨率。传统合成孔径雷达系统发出宽波束信号照亮地面一定范围后，使用单一天线模式接收雷达回波。而接收端扫描技术通过在每个发射时刻调整多路天线波束的方向，接收不同方位的回波信号，可以明显提升系统的分辨率、灵敏度和覆盖范围，如图1所示。

“SPACEBEAM”项目旨在利用光子集成技术实现接收端扫描合成孔径雷达。所设计的光子集成模块具有以下关键功能：

• 对12元阵列天线信号实现连续宽带波束形成
• 同时生成多达3条波束
• 将雷达信号频率转换为便于数字化的中间频率
• 使用集成相移器实现低功耗（约3.5瓦）

相较于传统电子系统，光子集成电路在宽带信号处理、波束形成和频率转换等方面具有独特优势，能够满足未来高性能合成孔径雷达对系统指标的苛刻要求。

光子集成电路设计

为实现项目目标，“SPACEBEAM”团队设计了一种光子集成电路，能够实现所需的波束形成和频率转换功能，原理框图如图2所示。

该光子集成电路将两种材料平台上的光学器件进行组合：

• 磷化铟的主动器件，实现光增益、调制和检测

• 氮化硅的无源器件，实现低损耗波导、路由和波束形成

如框图所示，激光器输出光束分成两路，一路被本地振荡器调制，另一路分成12路光束，再分别被马赫-曾德尔调制器驱动的雷达接收信号进行调制，产生包含本地振荡器和雷达信号频率成分的光学边带。最终在光电二极管中进行异频混频，将高频雷达信号转换至中频段。

每个调制器与半导体光放大器集成在一起，增强光信号功率。芯片上还集成有激光器、滤波器、光束分合器等无源器件。12输入3输出的光开关矩阵可以对每个光路施加时延、相位和振幅控制，实现不同波束方向的重构。

研制的混合集成光子电路模块如图3所示，主要由以下芯片组成：

• 磷化铟增益芯片，提供激光器增益段
• 含马赫-曾德尔调制器阵列的磷化铟调制芯片，进行电光转换
• 氮化硅波束形成和滤波芯片
• 磷化铟光电二极管阵列芯片，进行光电转换

模块与印刷电路板焊接连接后，整体封装于一外壳内，如图4所示。

图4 模块装配图

项目还研发了定制的SaBox控制电子设备，用于控制光子集成电路的工作，如图5所示。

图5 控制电子设备示意图

研究成果

在“SPACEBEAM”项目中，LioniX International公司负责光子集成模块的设计、制造和测试工作。初步测试验证了频率转换功能，这是系统的一个关键组成部分。项目合作方还对波束形成性能进行了评估，并进行了航天环境测试。在后续研发的基础上，“SPACEBEAM”光子集成电路有望应用于新一代高性能空间合成孔径雷达仪器，大幅提升对地球表面观测的能力。

总结

“SPACEBEAM”项目研发出集成波束形成和频率转换功能的光子接收模块，是空间接收端扫描合成孔径雷达系统实现的重要进展。该混合集成电路整合了磷化铟调制器、放大器与低损耗氮化硅无源电路，实现了12输入3输出的可重构波束形成，能够进行宽视场的连续成像。虽然还需进一步工作来满足航天条件，但研究结果已经证明光子集成电路在提升空间合成孔径雷达和遥感系统性能方面具有巨大潜力。“SPACEBEAM”项目研发的原型光子模块为下一代更先进的空间合成孔径雷达光子接收器奠定了基础。

参考资料

https://www.lionix-international.com/about-us/blog/integrated-photonics-modules-for-better-synthetic-aperture-radars/