微波光子技术是新一代雷达系统实现宽带化、小型化并且具备可重构特性的重要技术手段。现代雷达系统借助于微波和数字电子技术的发展,已经具备了多功能、多频段和数字化的工作特性。但是受限于诸如渡越时间,电磁串扰以及时间抖动等难题,利用微波和数字电子技术设计并实现的雷达系统通常只能工作在特定的频率和带宽,在探测与成像等功能上达到的分辨率不尽如人意。光波与微波同属于电磁波,光器件在体积、重量、带宽和电磁屏蔽等方面具有突出的性能。微波光子技术通过有效地融合微波与光波的优势,不仅能够有效解决雷达设计上的尺寸、重量和功耗等问题,更能够助推新一代雷达系统突破频率与带宽方面的性能限制,促进雷达系统的更新换代。在微波光子技术中,利用光波的色散效应实现微波信号处理是一种常用的技术手段,不同频率的光波在介质中进行传输时会受到介质材料与结构特性的影响,从而具有不同的传输速度。本课题组基于色散效应首创的光子时间拉伸相干雷达系统是全光微波雷达系统的重要实现方案之一。在信号产生方面,通过非平衡色散干涉的方法实现高频宽带的微波信号;在信号接收方面,通过时间拉伸技术实现微波信号的频率与带宽的成倍压缩。与传统的微波雷达系统相比,光子时间拉伸相干雷达系统能够直接产生高频宽带的微波信号,并且具备可调谐特性;接收时能够利用低速高精度的采样量化器件实现高频宽带微波信号的接收处理,解决数据获取率方面的难题。论文主要对光子时间拉伸相干雷达系统的相关理论与关键技术进行研究。从色散效应的物理机理出发,对系统架构与系统性能进行了理论建模与仿真,针对光子时间拉伸相干雷达系统在探测距离,距离分辨率等方面上的性能限制与缺陷,进行了关键技术的攻关,优化了系统架构,并通过实验加以验证。最终,设计并实现了一套光子时间拉伸相干雷达系统的原理样机,以小型无人机为探测目标,对其进行了高分辨率性能测试。论文的主要工作和取得的成果如下:第一,完成了光子时间拉伸相干雷达系统内涉及的物理机理的研究及理论模型的建立。首先对脉冲体制雷达系统的关键性能参数如探测距离、距离分辨率和时间带宽积等进行了分析,然后对光子时间拉伸相干雷达系统进行了理论建模,从色散效应的物理机理出发,对微波信号产生和接收的原理进行了公式推导与数值分析,着重分析了脉冲重复频率和信号带宽等参数与系统性能之间的依存关系,最后对光子时间拉伸相干雷达系统的微波信号产生和接收的完整过程进行了仿真,为关键技术攻关和原理样机研制提供了理论基础。第二,针对系统架构在探测距离与接收窗口之间的矛盾关系,进行了探测距离延拓技术的研究。激光器的脉冲重复频率会限制雷达系统的探测距离,光纤延时线的调节范围也会进一步限制接收机的接收窗口。在发射机内,通过采用光开关同步控制的方式,降低发射信号的脉冲重复频率,满足实现远距离长时延探测的要求;在接收机内,采用波长——时间映射与高脉冲重复频率相结合的方案,分段接收回波信号,消除接收窗口的限制。该技术方案原理上可使受限于激光器脉冲重复频率的探测距离从数米提高至数千米。实验上演示了探测距离的10倍延拓,并利用位于最远探测距离附近的单目标与双目标验证了探测性能。第三,针对接收宽带信号时遇到的功率衰落和距离分辨率方面的恶化挑战,进行了宽带性能补偿技术的研究。接收机内的双边带调制方案会受到色散效应的影响,导致接收的回波信号产生幅度失真,进而使得匹配滤波的输出结果出现峰值功率损失与距离分辨率恶化。通过对不同调制器的传输特性进行分析,创新性地提出基于正交相位双通道复合的宽带接收方案,实现对于宽带信号的幅度恢复,消除峰值功率损失与距离分辨率恶化的影响。该技术方案可实现对高频宽带信号的接收,并且保持匹配滤波输出结果的峰值功率与距离分辨率特性。实验上演示了X波段4 GHz宽带信号的幅度失真补偿,实现了与理想情况相近的距离分辨率4.8 cm。第四,针对色散系数受限导致的信号脉冲宽度较短的缺点,进行了时间带宽积提升技术的研究。发射机内能够实现的脉冲宽度受到可利用的滤波带宽与色散系数的限制,会导致产生信号的时间带宽积不高,进而影响匹配滤波输出结果的信噪比。通过对光脉冲经历色散效应的演化过程进行分析,创新性地提出脉冲循环色散倍增的信号产生方案,分析了引入色散环后脉冲信号的信噪比演变过程,实现脉冲宽度的倍增,提升产生信号的时间带宽积。实验上演示了脉冲宽度100ns,带宽4 GHz的宽带信号的产生,并可切换工作波段位于X波段或Ku波段。第五,根据对系统架构的理论建模与关键技术研究,对光子时间拉伸相干雷达系统的原理样机进行了设计与实现,并对其性能进行了测试验证。首先对器件与系统的性能进行了测试,然后选取小型无人机作为测试对象,对测试结果进行了讨论和分析,验证了系统的高分辨率性能。原理样机产生的线性调频信号的脉冲重复频率为1 k Hz,时间带宽积达到了400（脉冲宽度100 ns,带宽4 GHz）,对匹配滤波的输出结果实现约26 d B的峰值功率提升。雷达系统可工作在X和Ku波段,对无人机（典型反射截面积为0.01 m2）实现的距离分辨率达到了4 cm,实验结果还表明了小型无人机在X波段具有更好的反射特性。