CN103267967B - 基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达，其包括：超宽带微波信号发生器、超宽带带通滤波器、微波功率分束器、连续光半导体激光器、光偏振调制器、偏振控制器、第一光环行器、单模光纤、第二光环行器、光耦合器、在线起偏器、第一光电探测器、第一超宽带天线、第二超宽带天线、低偏振相关的光强度调制器、第二光电探测器、两通道模数转换器和数据处理模块，该雷达系统通过光纤传输超宽带微波信号，并将其发送至待测目标，接收并无色传输由目标反射后的超宽带微波信号，然后将原始超宽带微波信号和反射回的宽带微波信号进行数据运算，提取测试信息，得出目标距离。

Description

基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达

技术领域

本发明属于微波光子学及无线传感领域，更具体的说是一种基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达。 

背景技术

相对于传统的窄带通信，超宽带(UWB：Ultra-Wideband)技术具有诸多的优异性能，如：低功率消耗、抗干扰、抗多径衰落、高分辨率、强穿透性探测性能等，这使得该技术在高精度测距、高灵敏度传感、高速率通信等领域拥有广泛的应用前景。然而，为了避免与传统窄带通信系统的干扰问题，美国联邦通信委员会(FCC：Federal Communications Commission)规定：超宽带信号只能在特定的工作频率范围内(3.1-10.6GHz)以低于41.3dBm/Hz的功率谱密度值来使用。这便大大的限制了超宽带无线电信号的传输距离及应用场景。近年来人们提出了光载超宽带无线电(UWB-over-fiber)的概念，即利用光纤传输超宽带无线电信号，拓展超宽带信号的传输距离。在上述背景下，应用于无线传感网络的光纤分布式超宽带微波雷达系统引起了广泛关注。在该类系统中，各收发基站的功耗问题以及与传统波分复用光无源接入网的兼容问题必须得到解决。这时，基站必须在完成信号收发的前提下尽可能的得到简化，以降低基站功耗。进一步的，波长无关型的基站，即无色基站，也应该被实现，以提高系统的兼容性，降低布网及维护成本。截止到目前，现有技术不能很好的满足上述要求。 

综上所述，为了解决上述面临的技术瓶颈，搭建泛在的、低功耗的、兼容性高的无线传感网络，目前迫切需要一种频谱符合美国通信联邦委员会的辐射掩蔽规定的、基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达装置。 

发明内容

本发明要解决现有光纤分布式超宽宽带雷达系统基站功耗过高，与其他通信系统兼容性低的技术问题。 

本发明公开了一种基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达，其包括： 

光偏振调制器，其用于将原始超宽带微波信号调制到线偏振连续光上，以得到偏振调制的信号光； 

光纤传输装置，其通过光纤将所述偏振调制的信号光传输至在线起偏器，还用于通过光纤将从低偏振相关的光强度调制器接收的目标反射光子学超宽带信号传输至第二光电探测器； 

在线起偏器，其用于将所传输的所述偏振调制的信号光转换成发射光子学超宽带信号； 

第一光电探测器，其用于将所述发射光子学超宽带信号转换成发射超宽带微波信号； 

第一超宽带天线，其用于将发射超宽带微波信号发射至待测目标物； 

第二超宽带天线，其用于接收从待测目标物反射回的目标反射超宽带微波信号； 

低偏振相关的光强度调制器，其用于将所述目标反射超宽带微波信号转换为目标反射光子学超宽带信号； 

第二光电探测器，其将所述光纤传输装置回传的目标反射光子学超宽带信号转换成目标反射超宽带微波信号； 

数据处理模块，其用于比较处理所述原始超宽带微波信号和目标反射超宽带微波信号，以得到所述待测目标物的距离。 

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果： 

该基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达的基站部分结构简单，功耗低，搭建及维护成本低，且波长无关，兼容性优异。 

附图说明

图1是本发明中基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达结构示意图； 

图2是本发明中基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达中所用的超宽带带通滤波器b的频谱响应曲线； 

图3是本发明中基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达的测距效果图； 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 

图1示出了本发明中基站无色化光纤分布式超宽带微波雷达的结构示意图。如图1所示，所述基站无色化光纤分布式超宽带微波雷达，包括： 

超宽带微波信号发生器a，其用于提供超宽带微波信号；其可以是超宽带脉冲微波信号发生器、超宽带噪声微波信号发生器或超宽带类噪声微波信号发生器； 

超宽带带通滤波器b，其一端与超宽带微波信号发生器a的输出端连接，用于对所述超宽带微波信号的频谱进行整形，以满足美国联邦通信委员会对超宽带微波信号的频谱掩蔽规定； 

微波功率分束器c，其输入端口1与超宽带带通滤波器b的另一端连接，其用于将经过频谱整形的超宽带微波信号分为两路，一路作为参考的原始超宽带微波信号，一路作为要发送的原始超宽带微波信号； 

连续光半导体激光器d，其用于提供通信波段线偏振连续光； 

光偏振调制器e，其电端口1与所述微波功率分束器c的输出端口2连接，用于接收所述要发送的原始超宽带微波信号，其光端口2与所述连续光半导体激光器d的输出端连接，用于接收所述通信波段线偏振连续光；该光偏振调制器e用于实现将要发送的原始超宽带微波信号偏振调制到所述的半导体激光器d输出的线偏振连续光上，得到偏振调制的信号光；所述连续光半导体激光器d输出的线偏振光，保偏输入至光偏振调制器e，其偏振方向与光偏振调制器e端面内的X-轴成45度，以符合光偏振调制器e调制光信号的要求； 

偏振控制器f，其一端与光偏振调制器e的光端口3连接，其用于对所述光偏振调制器e输出的偏振调制的信号光进行偏振方向及偏振态的控制，使得所述光偏振调制器不工作的情况下其输出的信号光能量能够全部 进入在线起偏器；所述经偏振控制器控制后的偏振信号光被传输至所述光传输装置。 

第一光环行器g，其端口1与所述偏振控制器f的另一端连接； 

单模光纤h，其一端与所述的第一光环形器g的端口2连接，用于分布式传输所述的偏振调制的信号光； 

第二光环行器i，其端口1与单模光纤h的另一端连接； 

光耦合器j，其光端口1与第二光环形器i的端口2连接，其用于将所述偏振调制的信号光分成两束，一束输入至在线起偏器k，另一束输入至低偏振相关的光强度调制器o； 

在线起偏器k，其一端与光耦合器j的端口2连接，其用于将由光耦合器j端口2输出的所述偏振调制的信号光转换成光子学超宽带信号；偏振控制器f用于控制光偏振调制器e输出的信号光的偏振态，在光偏振调制器e不工作的情况下，预先调节信号光的X-轴线偏振光分量与Y-轴偏振光分量初始相差，及两光分量的偏振方向，以保证全部光能量进入在线起偏器k，实现对信号光的偏振到强度调制转换的最高转换效率； 

第一光电探测器1，其光端口1与在线起偏器k的另一端连接，用于将所述的光子学超宽带信号转换为超宽带微波信号； 

第一超宽带天线m，其电端口与第一光电探测器1的电端口2连接，其辐射端用于发射所述的超宽带微波信号；所发射的超宽带微波信号到达带探测的目标物后被反射回来； 

第二超宽带天线n，其通过其辐射端捕获被待测目标物反射回的所述超宽带微波信号； 

低偏振相关的光强度调制器o，其光端口1与光耦合器j的端口3连接，光端口2与第二环形器i的端口3连接，电端口3与第二超宽带天线n的电端口连接，用于再利用由光耦合器j的端口3输出的另一束偏振调制的信号光，并将捕获到的超宽带微波信号转换为光子学超宽带信号，该光子学超宽带信号将进入第二光环形器i的端口3，并由第二光环行器的端口1输入至单模光纤h，进而输入至第一光环形器g的端口2，并由第一光环形器g的端口2输入至第一光环形器g的端口3；第一光环形器g， 单模光纤h，及第二光环形器j按图1的连接方式是用于将偏振调制的信号光与光子学超宽带信号分离； 

第二光电探测器p，其光端口1与第一光环行器g的端口3连接，用于将经单模光纤h传回的光子学超宽带信号转换成超宽带微波信号，并输出至两通道模数转换器q的端口2； 

两通道模数转换器q，其输入端口1与微波功率分束器c的输出端口3连接，其输入端口2与第二光电探测器p的电端口2连接，其用于采集由微波功率分束器c的端口3输出的参考原始超宽带微波信号，以及由第二光电探测器p的端口2输出的回传的超宽带微波信号，并将所采集的原始超宽带微波信号和回传的超宽带微波信号输出给数据处理模块r； 

数据处理模块r，其输入端与两通道模数转换器q的输出端口3连接，用于对所述两通道模数转换器q所采集的原始超宽带微波信号和回传的超宽带微波信号做互相关法、频谱法或反频谱法处理，最终得出并显示测距结果；其中，所述数据处理模块r可以是互相关处理模块，频谱法处理模块，或反频谱法处理模块。 

上述分布式雷达装置最终实现了目标物的分布式探测，在探测过程中，探测基站实现了无色化运行。 

图2示出了本发明的所述光纤分布式超宽带微波雷达中，超宽带带通滤波器b的频响曲线。从图2可以看出，该带通滤波器可根据美国联邦通信委员会的规定对由超宽带微波信号发生器发出的信号频谱进行整形，整形后信号的功率谱符合联邦通讯委员会关于超宽带信号在民用领域的相关规定。 

图3示出了本发明中基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达在目标物体距离为1.5m，1.95m，2.85m时的测距效果图。从图3中可以看出基于该基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达可以对目标物体实现高精度(厘米量级)的测距，完全能够实现在无线传感网络中的功用。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种基站无色化的光纤分布式超宽带微波雷达，其包括：

光偏振调制器，其用于将原始超宽带微波信号调制到线偏振连续光上，以得到偏振调制的信号光；

光纤传输装置，其通过光纤将所述偏振调制的信号光传输至在线起偏器，还用于通过光纤将从低偏振相关的光强度调制器接收的目标反射光子学超宽带信号传输至第二光电探测器；

光耦合器，其用于从所述光纤传输装置接收所述偏振调制的信号光，并将其分成两束分别传输至所述在线起偏器和低偏振相关的光强度调制器；

在线起偏器，其用于将所传输的所述偏振调制的信号光转换成发射光子学超宽带信号；

第一光电探测器，其用于将所述发射光子学超宽带信号转换成发射超宽带微波信号；

第一超宽带天线，其用于将发射超宽带微波信号发射至待测目标物；

第二超宽带天线，其用于接收从待测目标物反射回的目标反射超宽带微波信号；

低偏振相关的光强度调制器，其用于将所述目标反射超宽带微波信号转换为目标反射光子学超宽带信号；

第二光电探测器，其将所述光纤传输装置回传的目标反射光子学超宽带信号转换成目标反射超宽带微波信号；

数据处理模块，其用于比较处理所述原始超宽带微波信号和目标反射超宽带微波信号，以得到所述待测目标物的距离。

2.如权利要求1所述的光纤分布式超宽带微波雷达，其特征在于，所述光纤传输装置包括：

第一光环行器，其用于将所述偏振控制器输出的偏振信号光传输至单模光纤，还用于将单模光纤回传的目标反射光子学超宽带信号传输至第二光电探测器；

单模光纤，其用于传输所述偏振调制的信号光和所述目标反射光子学超宽带信号；

第二光环行器，其用于将从单模光纤接收到的偏振调制的信号光传输至在线起偏器，还用于从低偏振相关的光强度调制器接收所述目标反射光子学超宽带信号并传输至单模光纤。

3.如权利要求1所述的光纤分布式超宽带微波雷达，其特征在于，其还包括：

超宽带微波信号发生器，其用于提供原始超宽带微波信号；

超宽带带通滤波器，其用于对所述超宽带微波信号发生器提供的原始超宽带微波信号的频谱进行整形；

微波功率分束器，其用于将所述整形后的原始超宽带微波信号分成两束，第一束作为待发送原始超宽带微波信号输至所述光偏振调制器，第二束作为参考超宽带微波信号传输至所述数据处理模块。

4.如权利要求3所述的光纤分布式超宽带微波雷达，其特征在于，其还包括：

两通道模数转换器，其用于采集所述微波功率分束器输出的参考超宽带微波信号和第二光电探测器回传的目标反射超宽带微波信号，并将其传输至所述数据处理模块。

5.如权利要求1所述的光纤分布式超宽带微波雷达，其特征在于，其还包括：

偏振控制器，其用于控制所述光偏振调制器输出的所述偏振调制的信号光的偏振态，使得所述光偏振调制器不工作的情况下其输出的信号光能量能够全部进入在线起偏器；所述经偏振控制器控制后的偏振信号光被传输至所述光传输装置。

6.如权利要求1所述的光纤分布式超宽带微波雷达，其特征在于，其还包括：

连续光半导体激光器，其用于向所述光偏振调制器提供通信波段线偏振连续光；

所述光偏振调制器根据所述连续光半导体激光器提供的通信波段线偏振连续光将所述原始超宽带微波信号调制到线偏振连续光上，得到偏振调制的信号光。

7.如权利要求3所述的光纤分布式超宽带微波雷达，其特征在于，所述超宽带微波信号发生器包括超宽带脉冲微波信号发生器、超宽带噪声微波信号发生器或超宽带类噪声微波信号发生器。

8.如权利要求1所述的光纤分布式超宽带微波雷达，其特征在于，所述数据处理模块由互相关处理模块、频谱法处理模块和反频谱法处理模块中的一种或多种组合构成。