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毫米波（mmWave）雷达是即将到来的6G时代中实现高分辨率感知和探测的关键技术。传统的光子雷达大多是由笨重的离散组件组成的台式系统，而更为紧凑的集成光子雷达由于基础电光调制器的带宽和信号完整性不理想，难以达到毫米波频段。我们克服了这些挑战，展示了一种基于4英寸晶圆级薄膜铌酸锂（TFLN）技术的厘米分辨率紧凑型光子毫米波雷达。该TFLN光子芯片包括一个用于通过光学频率乘法生成宽带雷达波形的电光调制器和第二个用于解压缩接收到的回波的调制器。这大大减轻了发射器中的数字到模拟转换器和接收器中的模拟到数字转换器的带宽需求。在毫米波V波段（40-50 GHz）工作时，我们实现了多目标测距，分辨率为1.50厘米，速度测量分辨率为0.067米/秒。此外，我们构建了一个具有1.50厘米×1.06厘米二维分辨率的逆合成孔径雷达。我们的集成TFLN光子毫米波雷达芯片为6G时代提供了一种紧凑且成本有效的解决方案，适用于车辆雷达、机载雷达和智能家居中的高分辨率感知和探测。

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几十年来，微波频率的无线电探测与测距（雷达）技术一直是各种应用的基础技术，例如机载物体探测、天气预报、资源勘探和生命体征监测等。在即将到来的6G时代，预计工作频率超过30 GHz且带宽更宽的毫米波（mmWave）雷达将在集成感知与通信系统中发挥关键作用，这些系统需要高分辨率探测和实时态势感知，推动室内感知、自动驾驶和生命体征监测等新应用场景的实现。然而，传统电雷达系统的工作频率和带宽通常受到限制，且往往相互折中，这使得同时精确定位、识别和成像具有大检测范围和细分辨率的物体变得具有挑战性。虽然可以应用先进的技术解决方案，如相控阵技术、MIMO架构、超分辨率算法和压缩感知，来实现精确探测，但这些方法往往会带来系统复杂性的显著增加。

光子雷达技术的出现为克服这些限制提供了一个有前景的解决方案，它通过在光学领域处理微波信号来实现。这利用了光子系统的优势，包括高频、大带宽、低传输损耗、可重构性和抗电磁干扰等特点。2014年，首次展示了基于光子的全数字雷达（PHODIR）用于探测非合作飞行器。然而，报告的测距分辨率为23米，受到200 MHz的狭窄信号带宽的限制。为了进一步提高分辨率，已经提出了不同架构的微波光子雷达，例如频率乘法、半导体激光器的光学注入、光子拉伸处理、循环频移、基于双光学频率梳的框架以及频率上变换等。这些方法的详细性能见扩展数据表1。然而，到目前为止，大多数微波光子雷达仍然是由离散光电设备构建的，在尺寸、重量和功耗（SWaP）方面存在显著缺点。

最近，集成光子学为通过在芯片级系统中微型化和集成多个光子器件，改善微波光子系统的尺寸、重量和功耗（SWaP）性能开辟了新机会。得益于与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术的兼容性，几种硅（Si）光子雷达已经在微波频段得以实现，其中最大演示带宽为6 GHz（从12 GHz到18 GHz）（扩展数据表1）。然而，硅电光调制器使用的调制机制——自由载流子耗尽，固有地限制了调制带宽、线性度和消光比，显著影响雷达的工作频率范围和其波形的信号质量（例如，杂散谐波）。因此，尽管集成硅光子雷达已经实现了相对较高的集成水平，包括调制器和光电探测器，但它们仍未能达到毫米波频段（>30 GHz），这一频段在未来的室内感知、自动驾驶以及基于6G的成像与感知网络中是非常需要的。

薄膜铌酸锂（TFLN）平台是一个优秀的候选平台，可以解决这些挑战，并将集成光子雷达的工作频率提升到毫米波频段。一方面，TFLN表现出快速且线性的波克尔效应，使其非常适合实现高速和线性的电光调制器（EOM）。另一方面，TFLN器件中的紧密光学约束使得在单一TFLN光子集成电路中实现多种光子功能成为可能。近年来，已经开发出多种基于TFLN的EOM，取得了前所未有的性能指标，包括超宽的调制带宽和兼容CMOS的驱动电压。通过晶圆级制造将这些组件进一步集成到芯片级系统中，已经实现了具有无与伦比的速度和功耗性能的集成微波光子系统信号处理器。这些集体成就为TFLN平台应用于光子毫米波雷达提供了路径，而这些应用需要同时具备高频、大带宽和紧凑的外形因素。

在本文中，我们展示了一种基于TFLN光子电路的紧凑型光子雷达系统，工作在毫米波V波段，实现了厘米级分辨率。该TFLN光子雷达芯片采用4英寸晶圆级工艺制造，包含一个用于毫米波雷达波形生成的频率乘法模块和一个用于回波信号接收的频率解压模块。得益于我们芯片中所有光子组件的宽带宽和无滤波设计，生成的雷达波形的中心频率和带宽可以在广泛的范围内任意配置，本例中为40–50 GHz，仅受限于电放大器。

高载波频率和大带宽使我们能够实现多目标测距，距离分辨率为1.50厘米，速度测量分辨率为0.067米/秒，并且可以进行逆合成孔径雷达（ISAR）成像，二维分辨率为1.50厘米×1.06厘米。

结果

图1 | 光子毫米波雷达芯片和雷达波形生成

a，光子毫米波雷达芯片的概念图，其中包含一个通过光学频率乘法生成毫米波雷达波形的第一电光调制器（EOM），以及一个通过频率解压处理接收到的回波信号的第二电光调制器。插图简要展示了雷达芯片不同位置的频域信号光谱（蓝色为光学信号，粉色为电信号）和频率时间图。右侧的插图展示了紧凑型光子毫米波雷达在自适应巡航控制中的应用场景，用于测距、速度检测和成像任务。

b，制造的4英寸TFLN晶圆的照片。

c，从TFLN晶圆上切割出的光子毫米波雷达芯片，放置在一枚香港十元硬币上方的照片。插图：放大视图。

d、e，TFLN电光调制器的测量电光传输函数（d）和频率响应（e）。

f，EOM1输出端测得的光谱，展示了大于25 dB的边带与载波抑制比。

g、h，生成雷达波形的测量光谱，展示了任意可配置的带宽（2–10 GHz，中心频率为45 GHz（g））和中心频率（41–45 GHz，固定带宽为10 GHz（h））。

i、j，雷达波形的时域波形（i）和频率时间图（j）的测量结果。

DFB激光器，分布反馈激光器；EOM，电光调制器；PD，光电探测器；DAC，数字到模拟转换器；TIA，跨阻放大器；LNA，低噪声放大器；ADC，模拟到数字转换器。

图1展示了我们的光子毫米波雷达芯片的概念示意图和工作原理。我们使用线性频率调制波形（LFMW），其频率随时间线性变化，作为雷达波形，因为它具有高测距分辨率、常数模、容忍多普勒效应以及简单的回波波形频率解压过程，这可以大大减轻雷达接收器的采样率要求。为了在发射端生成毫米波LFMW信号，我们首先实现了一个频率乘法模块，用于对低频微波LFMW信号进行频率倍增。具体而言，一个频率为fc的光载波通过第一高速TFLN幅度调制器（EOM1）调制，由CMOS数字到模拟转换器（DAC）产生的微波LFMW信号进行调制。该信号具有一个瞬时频率f1 + kt，线性地从f1变化到f1 + kT，带宽为B = kT，其中T为波形周期。将EOM1偏置到零传输点时，会产生载波抑制双边带（CS-DSB）调制过程，将输入微波信号投射到两个LFMW光学边带上，频率分别为fc + f1 + kt和fc − f1 − kt。随后，调制后的光信号通过50%：50%的多模干涉仪分成两条路径。上路径中的光信号由高速光电探测器（PD1）探测，以生成一个毫米波雷达波形，其初始频率（2f1）和带宽（B2 = 2kT = 2B）都从DAC输入的电信号中翻倍。然后，生成的雷达波形通过跨阻放大器（TIA）放大，并通过天线发射到自由空间。当发射的雷达波形遇到目标时，波形会发生反射并产生时延τ。反射回波波形通过接收天线收集，经过低噪声放大器（LNA）放大，并送到频率解压模块，该模块由第二个调制器（EOM2）组成，并制造在同一TFLN芯片上。EOM2的输入端连接到上述50%：50%多模干涉仪的下输出路径，因此具有两个载波频率fc + f1 + kt和fc − f1 − kt，这些频率随后会被放大后的回波信号调制，瞬时频率为2f1 + 2kt − 2kτ。通过将EOM2设置为四分之一传输点，可以生成四个新的光学边带，其中两个边带位于两个载波的附近，频率为fc + f1 + kt − 2kτ和fc − f1 − kt + 2kτ。这使我们能够实现频率解压，并通过低速光电探测器（PD2）与两个附近的载波击打这两个相关边带，从而获得低频目标信息（2kτ），并进一步通过低速模拟到数字转换器（ADC）处理。最后，通过后续数据处理（方法），获得目标的测距、速度和成像信息。图1a的右侧面板展示了我们紧凑型光子毫米波雷达在未来自适应巡航控制中的应用场景，能够同时提供高分辨率的距离/速度检测和成像能力，这对于增强安全性、感知和决策过程至关重要。

图1b展示了我们制造的4英寸LNOI晶圆的照片，包含1.50 cm × 1.50 cm的多个被动和主动组件的芯片，总计21块。该晶圆通过紫外线（UV）步进光刻系统进行图案化，并通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）系统进行干刻蚀，随后进行标准金属化工艺（方法）。图1c展示了从4英寸LNOI晶圆上切割下来的一个TFLN光子雷达芯片，具有比香港十元硬币还要小得多的占地面积。制造的TFLN电光调制器（EOM）表现出约2.8V的半波电压和超过50 GHz的3 dB电光带宽，如图1d、1e所示，这两个指标对于实现宽带和高保真毫米波雷达信号生成与回波处理至关重要。

我们首先展示了我们的光子毫米波雷达芯片能够在毫米波V波段生成具有任意可配置中心频率和带宽的高质量LFMW信号。图1f展示了当EOM1偏置至零点时，在其输出端口测得的CS-DSB光谱，显示出超过25 dB的边带与载波抑制比，这要归功于TFLN EOM的优良消光比。高边带与载波抑制比在实际应用中至关重要，因为它确保雷达波形中低残留的基频成分，这一性能也超过了大多数微波光子雷达系统中报告的水平。通过在PD1处击打CS-DSB光信号，频率翻倍的LFMW信号从驱动电信号中生成，如图1g、1h所示的电气光谱所示。由于我们的光子雷达不涉及光学或电气滤波器，生成的雷达波形的带宽和中心频率可以在广泛的范围内任意选择并持续调节。图1g、1h展示了具有不同中心频率（41–45 GHz）和带宽（2–10 GHz）的生成雷达信号。在本文的其余部分，我们选择了完整的40–50 GHz范围作为LFMW雷达波形，以实现最佳的检测分辨率，这与雷达波形的带宽和中心频率成反比（方法）。图1i展示了通过实时示波器直接记录的雷达信号的时域波形。通过短时傅里叶变换从时域雷达波形中提取的频率时间图如图1j所示。雷达波形的频率在4微秒的时间周期内线性增加，从40 GHz增加到50 GHz，对应于2.5 GHz/μs的线性频率调制，这与测得的电气光谱很好地匹配。

光子毫米波测距雷达

图2 | 高分辨率光子毫米波测距雷达

a，雷达测距实验设置。插图：正在测试中的光子毫米波雷达芯片的显微镜图像。

b，单一目标在不同位置放置时测得的距离与实际距离的比较。插图：（i）EOM2输出端测得的光谱，（ii–viii）不同目标距离下测得的解压电气光谱（水平轴已转换为距离值以便更好地可视化）和（ix）不同目标距离下的测距误差（测得距离与实际距离之间的差异）。

c，两个和三个目标在不同位置放置时测得的距离与实际距离的比较。插图：（i–v）不同测试场景下测得的解压电气光谱，（vi）测试设置的俯视图，展示了天线和目标的相对位置，（vii）不同测试场景下的测距误差（测得距离与实际距离之间的差异）。图b和图c中的黄色线条对应于测得距离与实际距离之间的理想关系（y = x）。

AWG，任意波形发生器；LD，激光二极管；FPC，光纤偏振控制器；EA，电放大器；ANT，天线；OSC，示波器。

接下来，我们展示了使用光子毫米波雷达芯片进行高分辨率测距的实验结果。图2a展示了实验设置，其中中间插图显示了制造的芯片的光学显微镜图像。图2b和图2c分别说明了对单一目标和多个目标（最多三个）在不同距离下进行测量的结果。图2b的插图i展示了在EOM2输出端测得的典型光谱，其中两个光谱峰之间约为45 GHz，每个峰都包括一个光载波（分别为fc − f1 − kt和fc + f1 + kt）和由回波波形调制产生的边带（分别为fc − f1 − kt + 2kτ和fc + f1 + kt − 2kτ）。由于光谱分析仪（OSA）的分辨率有限，光谱中靠近的载波和边带无法分辨，但可以轻松地通过解压频率处理为低频窄带信号（MHz级），并使用低频光电探测器（PD2）进行检测。这大大降低了示波器中模拟到数字转换器（ADC）对采样率的要求，ADC记录的是频率解压后的中频（IF）信号的最终时域波形。通过实时快速傅里叶变换（FFT）处理，我们获得了解压后的IF信号的电气光谱，这直接转化为目标距离（R1）（图2b的插图ii–viii和图2c的插图i–v）（方法）。如图2b和图2c所示，测量的平均测距分辨率（3 dB带宽）为1.71厘米（285 kHz），与理论上的测距（频率）分辨率1.50厘米（250 kHz）非常吻合。此外，测距光谱中不需要的旁瓣（最接近最高峰的旁峰）抑制比均超过6.5 dB，表明我们芯片中的微波信号串扰较低，具有良好的弱小目标检测能力，且可以通过降低系统噪声、增加通道数、实施窗函数和其他信号处理方法进一步改进。在图2b和图2c的主面板中，我们总结并比较了单目标（b）和多目标（c）测量的测量范围值与真实目标距离，展示了精确和线性的测距性能。在单目标情况下的测量距离误差（图2b的插图ix）都在±0.15厘米范围内，动态范围为30–420厘米。我们的光子毫米波雷达在检测多个目标时也表现出了优异的测距性能（图2c的插图vi）。两目标和三目标均可清晰区分，测量距离误差均在±0.15厘米范围内（图2c的插图vii）。特别地，我们展示了光子毫米波雷达能够区分两个仅相距1.90厘米的目标（黄色方块和图2c的插图i）。测量与理论测距分辨率之间的偏差可能是由回波噪声引起的信噪比（SNR）降低、测试环境中的空气传输损失以及我们金属板目标的相对较大尺寸所导致。通过测量目标距离与SNR的关系并外推拟合线，我们估算在当前设置中，SNR为0 dB时的最大测距为17.1米，SNR为10 dB时的最大测距为9.6米（方法和扩展数据图3）。

光子毫米波速度检测雷达

图3 | 高分辨率光子毫米波速度检测雷达

a，测得的目标速度与不同设定速度的比较，显示出与理想关系（虚线）的微小偏差。插图：用作速度检测目标的平衡车示意图。

b，测得的速度误差（测得速度与设定速度之间的差异）在不同设定速度下的表现。

c–j，在不同距离和速度下测得的二维速度-距离图，设定速度分别为0.056 m/s（c）、0.125 m/s（d）、0.313 m/s（e）、0.478 m/s（f）、0.588 m/s（g）、0.740 m/s（h）、0.850 m/s（i）和1.183 m/s（j）；灰色线条表示设定的速度值。

我们的光子毫米波雷达还能够进行高分辨率的速度检测，这依赖于通过目标运动引入的回波信号中的多普勒频移（方法）。为了展示这一能力，图3a的插图中使用了一辆小型平衡车作为检测目标，具有可调速度。图3a中的点表示在不同设定速度下的测量速度，而图3b展示了相应的速度测量误差。测量值与设定值之间的差异都在±0.017 m/s范围内，展示了在0–1.2 m/s的宽广速度范围内具有高精度的速度检测能力。最值得注意的是，我们的光子毫米波雷达芯片能够成功地检测到低速（对应于小的多普勒频移），最低可达0.056 m/s。通过对解压后的电气波形应用二维傅里叶变换，可以同时提取目标的速度和距离信息，如图3c–j所示，其中信号的垂直（速度）跨度与理论速度分辨率0.067 m/s非常一致（方法）。目前，测试的速度范围受到实验环境和平衡车速度限制（1.5 m/s）的限制。我们根据当前的设备指标和实验设置，估算出最大不含糊的速度为833 m/s，这一限制由高速度下的测距–多普勒耦合效应决定。通过实施多普勒补偿算法或采用三角波或双调频雷达波形，可以减轻这一效应。此类多维环境感知能力在自适应巡航控制、交通管理和物体跟踪等多个领域具有广泛的应用前景。

光子毫米波ISAR成像

图4 | 高分辨率光子毫米波成像雷达

a，成像雷达测试场景的示意图。

b，具有不同数量和排列方式的3 cm × 3 cm小型金属角反射器的雷达成像结果。

c–f，分别为大型（c）、中型（d）和小型（e）飞机模型，以及娃娃（f），在不同方位旋转角度下的雷达成像结果。

最后，我们展示了光子毫米波雷达通过构建逆合成孔径雷达（ISAR）支持高分辨率成像任务，如图4a所示，在检测过程中，发射接收天线固定，而目标在水平面内每秒旋转一圈（更多细节见方法部分）。为了表征光子毫米波ISAR的基本成像能力，我们首先将几个大小为3 cm × 3 cm的小型金属角反射器（图4b的插图i）以不同的排列方式（图4b）放置在一个转盘上。生成的图像（图4b的插图ii–iv）清楚地揭示了对应金属板的数量、大小和相对位置，与实际设置（在每个案例的左上方插图中指示）高度一致。此处以及图4后续面板中的雷达图像代表目标的俯视图，其中垂直轴表示从雷达天线到目标的径向距离（范围），水平轴对应于方位位置（横向范围）。结果显示，我们的光子毫米波ISAR能够在相对较长的距离约1.7米内同时分辨并成像多个紧密间隔的目标（图4b插图iv中的四个目标）。为了进一步展示成像现实世界中不同形状、大小和姿态的目标的能力，我们用一些更复杂的物体替换了金属板，包括一个大型飞机（45 cm × 49 cm；图4c）、一个中型飞机（33 cm × 34 cm；图4d）、一个小型飞机（21 cm × 24 cm；图4e）和一个娃娃（30 cm × 20 cm；图4f）。图4c–f中的处理图像显示，我们的系统可以成功地在各种旋转角度下分辨这些目标的结构轮廓。需要注意的是，这些图像的底部区域的成像信号较弱，甚至有时没有信号，因为这些区域对应的是远离雷达天线的特征，并且这些区域的回波信号可能会被目标其他较厚部分挡住。然而，我们的结果显示了清晰区分微小特征的能力，例如小型飞机的5 cm尾翼（图4e的插图ii）和娃娃的0.7 cm宽的手臂和腿（图4f），证明我们通过集成TFLN芯片成功实现了厘米级分辨率的光子毫米波ISAR成像。为了定量评估我们的ISAR的方位分辨率，我们对单个金属角反射器进行了成像，并测量了方位信号强度分布，结果得到了1.06厘米的3 dB方位分辨率，这与理论值一致（扩展数据图4）。我们ISAR二维图像中的轻微失焦可以归因于非暗室环境中的噪声和目标不同部分的反射率变化，这可以通过使用具有平移和旋转补偿的成像算法加以改进。尽管现实中的目标运动更加复杂，但通过平移运动补偿后，它可以恢复为转盘模型。

讨论

得益于TFLN平台卓越的调制性能和可扩展性，我们的紧凑型光子毫米波雷达在集成度、雷达分辨率和功能方面，相较于以往的光子雷达展示，展现了显著的整体性能提升（扩展数据表1和2）。通过进一步提高雷达波形的频率和带宽，尤其是进入上行且在实际应用中更加重要的频段（例如，车载雷达的76–79 GHz频段），甚至可以实现更好的雷达分辨率，达到毫米级别。利用电容负载的行波电极，TFLN电光调制器（EOM）可以在相同的晶圆级制造平台上超越80 GHz带宽（从我们之前的研究中推算）。先进的频率乘法架构，例如使用双并行Mach–Zehnder调制器的频率四倍增或八倍增，可以在保持低DAC需求的同时，生成高频雷达波形。稀疏的步进频率调制和相干融合技术可以用来克服带宽限制，在拥挤的频谱占用和电磁干扰的实际环境中实现改进的分辨率。

TFLN平台的卓越性能和可扩展性，加上在异质化和混合集成方面的最新努力，已经为在芯片和板级集成并共同封装所有使用的光子和电气设备提供了可能，从而实现了紧凑且低成本的集成光子毫米波雷达完整系统的实现。TFLN光子毫米波雷达可以为各种应用提供紧凑、低成本和高分辨率的解决方案，如传感、成像、智能家居、环境监测以及在预期的6G技术时代中通信与雷达系统的无缝集成。

作者：Sha Zhu 1,6, Yiwen Zhang  2,6, Jiaxue Feng3, Yongji Wang4, Kunpeng Zhai5,Hanke Feng 2, Edwin Yue Bun Pun 2, Ning Hua Zhu 1&Cheng Wang 2

单位：Institute of Intelligent Photonics, Nankai University, Tianjin, China. 2Department of Electrical Engineering and State Key Laboratory of Terahertz and Millimeter Waves, City University of Hong Kong, Hong Kong, China. 3College of Microelectronics, Faculty of Information Technology, Beijing Universityof Technology, Beijing, China. 4Department of Chemistry, City University of Hong Kong, Hong Kong, China. 5State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China. 6These authors contributed equally: Sha Zhu, Yiwen Zhang