近日，來自澳大利亞悉尼大學物理系的校友劉陽博士、張紫千與柏林工業大學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動信號帶寬在 11GHz 以上的雷達系統，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。

相關論文以《基于 MHz 電信號驅動的 11GHz 帶寬光子輔助雷達》（11-GHz-Bandwidth Photonic Radar using MHz Electronics）為題發表在 Laser & Photonics Reviews上。

圖 | 相關論文（來源：Laser & Photonics Reviews）

據了解，該團隊主要采用聲-光頻移調制的方法，在一個光纖環路里面完成高速的、高時-頻線性度的且連續的步進頻率調制，最終只用 80MHz 電學信號就驅動該雷達系統實現 10GHz 以上的信號帶寬。

這種雷達系統既消除了對高速、昂貴電學信號產生設備的依賴，又極大降低了硬件復雜度和成本，有望促進光學輔助雷達在室內探測和醫學監護等應用場景中的發展。

該團隊介紹道，“研究中用到的步進頻率調制環路是一個結構簡單的經典光學結構，被廣泛用于光信號調制和產生等場景中，其部分關鍵結構的光子芯片集成化最近有了一些報道，例如片上聲光調制器、低損耗光時延波導和波導光放大器等。”由此可知，該雷達系統也具有相應的集成化潛力。

圖片圖 | 基于聲光步進頻率調制的超寬帶光子輔助雷達（來源：Laser & Photonics Reviews）

當前，研究人員最近已在該雷達系統的樣機中實現超過 30GHz 帶寬的微波雷達信號，相當于大約 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。

通過產生的大寬帶微波信號，該雷達可以區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，可應用于需求日益增長的無人機監控和感知等高空間分辨率應用場景中。

此外，相比于傳統線性調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探測和感知手段。

據悉，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，隨后逐步加入光學器件和技術以提高系統功能的復雜度和系統性能。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用潛力。

此次，該團隊嘗試在這些工作的基礎上將非線性聲光效應與微波光子系統結合起來，不僅解決一些現有光學輔助雷達技術中存在的問題，而且為未來微波光子雷達系統提供了一種新的補充性技術方案。

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雜的雷達系統，逐步實現了微波光子雷達系統的構建、控制和目標探測。

目前，該團隊把工作集中于第二代小型化樣機的研制、新型應用探索及公司孵化。他們表示，這種雷達系統在非接觸式測量與多目標追蹤醫學場景下的應用比較有前景，其可以基于微波信號避免傳統佩戴設備所帶來的不舒適感，并完全消除醫護人員與患者之間的接觸，減輕可傳播疾病感染的風險，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）

據了解，劉陽本科畢業于華中科技大學光電子科學與工程學院。2015 年，他從華中科技大學武漢光電研究中心獲得碩士學位，之后在悉尼大學物理系攻讀博士，并于 2020 年 12 月得到歐盟“瑪麗·居里學者”項目資助，加入瑞士洛桑聯邦理工學院物理系 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度過，畢業后去往悉尼大學獲得研究型工學碩士學位。2020 年，他繼續在悉尼大學攻讀物理學博士學位。

值得一提的是，這兩位青年學者在博士期間跟隨同一位導師本杰明·J·艾格爾頓（Benjamin J. Eggleton）教授（澳大利亞科學院院士，技術科學與工程院院士），未來也都有回國發展的計劃。