《Optics & Laser Technology》：High-sensitivity photonic-assisted multi-target detection enabled by optical injection locking
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多目标检测系统融合光学注入锁定与锁定对数时域累加跟踪算法，显著提升弱目标（-125dBm）检测灵敏度，实现0.025m距离精度和0.2m/s速度精度，有效抑制单频干扰，适用于小慢速目标监视。
Zhenqi Cao|Jianing Wang|Shiyuan Zhao|Shuai Zu|Jiachen Yu|Yiying Gu|Mingshan Zhao
大连工业大学光电工程与仪器科学学院，中国大连116024
摘要
我们将一种锁相对数时域累积跟踪（LLTAT）算法引入基于光注入锁定（OIL）的光子辅助脉冲相干多目标检测系统中，实现了长时间的目标轨迹跟踪，并显著提高了对低至-125 dBm的微弱目标的检测灵敏度，通过64脉冲累积实现了这一效果。OIL技术实现了宽带线性调频雷达信号到中频（IF）信号的高稳定性和高增益下转换，显著提升了系统的频率稳定性和相干性。结合LLTAT算法，该系统即使在强单色干扰下也能有效实现对微弱目标信号的稳定能量累积，充分利用了其整体性能优势。所提出的系统能够实现精确的目标跟踪，距离测量精度达到0.025米，速度估计精度达到0.2米/秒，并且对单音干扰具有很强的鲁棒性。因此，该系统能够可靠地进行多目标轨迹识别，非常适合用于小型和慢速移动物体的监视等应用。
引言
近年来，由于微波光子雷达系统具有宽带宽、抗电磁干扰能力强和灵活性高等优点，已被广泛应用于空间目标识别、海上监视和对抗无人机（UAV）等领域[[1], [2], [3], [4]]。随着小型无人机数量的增加，对高灵敏度和高精度雷达系统的需求也在不断增长，尤其是在强电磁干扰环境中。实现小型、低速和反射率低的目标的厘米级甚至毫米级定位已成为一个关键挑战[5,6]。
目前主流的高精度光子辅助雷达接收系统主要有两种类型。一种是基于光子辅助的连续波调频雷达接收器[[7], [8], [9], [10], [11], [12]]，它将接收到的回波信号与发射的线性调频（LFM）信号混合，将目标的距离和多普勒频率映射到中频（IF）信号上。然而，远距离检测需要使用高功率放大器，而高功率放大器产生的热噪声[13,14]会显著降低系统的灵敏度并增加功耗，同时也会增加系统的复杂性。另一种是光子辅助的脉冲相干雷达系统[15,16]，该系统将LFM信号压缩成窄脉冲信号，直接对接收到的回波脉冲信号进行下转换，然后通过自相关和匹配滤波等处理方法提取目标的信息。该系统在数百米的范围内可实现厘米级分辨率，表现出高灵敏度，并具有准确识别远距离目标的潜力。为了提高系统检测微弱目标的能力，简单地增加激光功率往往会同时放大背景噪声，这不仅难以有效提高信噪比（SNR），还可能增加系统功耗并使实现复杂化[18]。目前，通常使用多周期脉冲累积来提高测试信号的SNR[19]，从而实现目标检测。然而，在累积过程中，对多帧回波信号的频率和相位稳定性提出了更高的要求。仅依靠改进的脉冲累积算法来增强帧间相干性的现有解决方案远远不足以检测极其微弱和小的目标。相比之下，OIL[20,21]提供了一个更有前景的解决方案，满足了低相位噪声和高稳定性的核心要求，适用于微弱信号检测。此外，OIL能够在接收系统内实现选择性的光增益，在相同的输入光功率（约1 μW）下，使用OIL时系统的SNR大约是使用光放大器的100倍[22]。这使得OIL成为克服当前灵敏度限制的有效手段，为后续的脉冲压缩和累积提供低噪声、高幅度信号输入。
在这项研究中，我们将锁相对数时域累积跟踪（LLTAT）算法引入基于OIL的光子辅助脉冲相干雷达系统中。通过在可调激光器（TL）和从属激光器（SL）之间采用OIL机制，我们生成了一个具有极低相位噪声的高度稳定的光本地振荡器（LO）信号，实现了检测信号的光学增益放大和带内噪声抑制。在此基础上，系统结合脉冲压缩波形和多脉冲LLTAT算法，进一步增强了对远距离微弱目标的检测能力。本研究首次将OIL技术与LLTAT算法集成，使用200 MHz的信号带宽，在6.7公里的距离上实现了0.025米的距离测量精度和0.2米/秒的速度测量精度。在单音干扰通道中，64脉冲累积下的最小可检测功率达到-125 dBm，显著优于没有OIL架构的脉冲相干雷达系统。所提出系统的核心优势在于通过OIL和LLTAT的结合实现了高灵敏度检测，能够在宽动态范围内稳定处理信号。这种架构支持对低雷达截面（RCS）和慢速移动目标的精确实时跟踪，凸显了其在微弱目标场景中的有效性。此外，紧凑的光子结构不仅改善了相位噪声性能并抑制了带内噪声，还为未来的芯片级光子雷达集成奠定了基础。
原理
图1展示了所提出的高灵敏度光子辅助脉冲相干多目标检测系统，其中基于OIL的系统架构如图1(a)所示，LLTAT算法的处理流程如图1(b)所示。来自TL的窄线宽光信号通过50:50耦合器分为两条路径，LFM脉冲的回波信号被加载到上一路，并通过MZM1调制到光侧带上形成宽带光信号
实验与结果
在本节中，我们实验性地展示了一个概念验证性的高灵敏度光子辅助脉冲相干多目标检测系统，该系统将光注入锁定（OIL）与锁相对数时域累积跟踪（LLTAT）算法相结合。一个可调激光器（TL，Agilent 81600B）发射固定波长为1550.770 nm的单频连续波（CW）光载波。光信号通过保偏光分束器分为两个分支
结论
在这项研究中，我们提出并实验性地展示了一个利用OIL增强稳定性和降低相位噪声的光子辅助脉冲相干多目标检测系统。通过将OIL机制与LLTAT算法相结合，我们在Ku波段和Ka波段实现了千米级距离内的厘米级精度距离和速度测量。OIL技术的集成显著提高了系统灵敏度，扩展了最小可检测
CRediT作者贡献声明
Zhenqi Cao：方法论、调查、数据管理。Jianing Wang：数据管理。Shiyuan Zhao：撰写 – 审稿与编辑、方法论、资金获取。Shuai Zu：软件。Jiachen Yu：撰写 – 审稿与编辑。Yiying Gu：撰写 – 审稿与编辑、概念化。Mingshan Zhao：项目管理。
资助
本工作部分得到了中央高校基本研究基金（编号DUT24GF306）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
