CN104243067A - 一种基于光子技术的多普勒频移检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子技术实现多普勒频移测量的方法及装置。连续的激光光源经耦合器分成两支路，一路首先进入到载波抑制型单边带调制模块中被发射的微波/毫米波信号调制，产生的单个光边带进入到电光调制器中被反射回的、含有多普勒频移信息的微波/毫米波信号调制；第二路进入到声光调制器中产生一定的光学频移；所述的两路输出合并后进入到低速光电探测器，拍频产生低频射频信号；通过对产生的射频信号进行频谱分析，即可得到多普勒频移量及方向。该发明基于光子学技术，结构简单，整个测量过程与待测微波/毫米波信号载波频率无关，能够在宽频段范围内实施多普勒频移测量。

Description

一种基于光子技术的多普勒频移检测方法及装置

技术领域

本发明涉及微波检测、微波光子学、雷达领域，尤其是光子学多普勒频移检测技术。

背景技术

多普勒频移产生于波源与观测者的相对运动，在无线通信、天文测量，医学成像、电子战以及雷达等领域具有重要应用。在这些应用中，关键是能够定量、精确地得到多普勒频移。然而，目前多普勒频移的估计和分析正面临着一系列挑战。一方面，为了精确地探测到低速运动物体，迫切需要具有良好分辨率的多普勒频移方案和装置；另一方面，随着雷达技术和新一代通信技术频段向毫米波段发展，整个通信频段几乎跨越了0～300GHz的范围，这就要求多普勒频移检测过程与信号频段无关，能在宽频带范围内执行。此时，电子学方法虽然能够检测和分析多普勒频移(V.C.Chen,and S.Qian,“Joint time-frequencytransform for radar range-Doppler imaging,”IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,vol.34,no.2,pp.486-499,1998；R.M.Narayanan,and M.Dawood,“Doppler estimation using a coherent ultrawide-band random noiseradar,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.48,no.6,pp.868-878,2000；V.C.Chen,F.Li,and H.Wechsler,“Micro-Doppler effect in radar:phenomenon,model,and simulation study,”IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,vol.42,no.1,pp.2-21,2006；A.Amar,and A.J.Weiss,“Localization of narrowband radio emitters based on Doppler frequency shifts,”IEEE Transactions on Signal Processing,vol.56,no.11,pp.5500-5508,2008.)，但是受限于“电子瓶颈”和瞬时带宽，已经难以满足在宽频段范围微波信号检测与参数提取，以及动态重构和调谐。

随着光子学技术的发展，光子型微波信号检测方案成为研究热点，诸如微波信号频率测量(M.V.Drummond,P.Monteiro and R.N.Nogueira,“PhotonicRF instantaneous frequency measurement by means of a polarization-domaininterferometer,”Optics Express,vol.17,no.7,pp.5433-5438,2009.)和到达角度测量(X.Zou,W.Z.Li,W.Pan,B.Luo,L.S.Yan,and J.Yao,“Photonic approachto the measurement of time-difference-of-arrival and angle-of-arrival of amicrowave signal,”Optics Letter,vol.37,no.4,pp.755-757,2012.)。

需要指出的是，上述的光子学检测方案主要针对微波信号的频率、到达角参数测量，而光子型多普勒频移测量方法及技术几乎没有报道。为了在宽频段范围内检测多普勒频移，本发明公布了一种新颖的光子型多普勒频移测量方法及装置，充分利用光子技术的大带宽特性检测微波、毫米波信号的多普勒频移。

发明内容

鉴于光子学技术在处理微波/毫米波信号的大带宽和宽频段优势，本发明旨在提供一种光子技术型测量和分析多普勒频移方法，从而在宽频段范围内灵活地、实时地测量和分析多普勒频移。

本发明的目的通过如下手段来实现。

基于光子技术的多普勒频移检测方法，包含由连续光源、载波抑制型单边带调制模块、电光调制器、声光调制器、低速光电探测器组成。包含如下的处理步骤：连续激光源经耦合器分成两路；一路光载波首先进入到载波抑制型单边带模块中被发射的微波/毫米波信号调制，产生的光单边带信号进入到电光调制中被反射回来的、含有多普勒频移信息的微波/毫米波信号调制；另一路光载波经声光调制器实现给定的频移量f_s；该频移量可以根据实际需求、设备参数灵活选取一个非零的正数值，比如在几十Hz到几百MHz之间、甚至可以选取到GHz以上。两支路的输出经耦合器合并进入到低速光电探测器中，拍频产生低频射频信号；通过分析得到的低频射频信号频谱，得到多普勒频移量及方向。

采用本发明的方法，在于整个测量过程与待检测微波/毫米波信号的载波频率无关，直接分析产生的低频射频信号频谱就可得到多普勒频移量及方向，在宽频段范围内实现了高精度的多普勒频移检测。

本发明的目的还在于为以上方法的实施提供核心装置。

基于光子技术的多普勒频移检测装置，由连续激光源10、第一光耦合器20和第二光耦合器21、光载波抑制型单边带调制模块30、电光调制器40、声光调制器50、低速光探测器60构成；从激光光源10出发，其输出光经耦合器20分成两支路，上支路进入载波抑制型单边带调制模块30，该模块由第一电光调制器301和带通滤波器302顺序连接而成；发射的微波/毫米波信号，频率为f_m，在第一电光调制器301中对该路光载波进行外调制，然后经带通滤波器302滤波后仅得到单个一阶光边带，此单个一阶光边带作为光载波进入到第二电光调制器40被反射回来的微波/毫米波回波信号，频率为调制；下支路光载波进入到声光调制器50中，使光源频率发生f_s偏移，此时光波频率为f_c+f_s；两路输出经耦合器21合并进入到低速的光电探测器60中，拍频后对得到的射频信号频谱进行分析得到多普勒频移量及方向。

所述第一电光调制器301和第二电光调制器40可为强度调制器或相位调制器。

实际执行过程为：连续的激光源输出的光载波经耦合器分成两路，一路首先进入到载波抑制型单边带调制模块中被发射的微波/毫米波调制，生成一阶光边带。此一阶光边带E₁(t)可表示为：

$E_1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{J}_1\left({\mathrm{\β}}_1\right)\mathrm{expj}\left[2\mathrm{\π}(f_c+f_m)t\right]$               (1)其中t为

时间变量，J₁(·)为第一类一阶贝塞尔函数，β₁为电光调制器301的调制指数，为虚数单位，exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数，f_c为激光源的频率，f_m为发射微波或毫米波信号的频率。公式(1)中所表示的光边带作为光载波进入到电光调制器40(相位调制器或强度调制器)中被反射回来的回波信号(频率为)调制，其中为多普勒频移矢量，代表待测的多普勒频移量(绝对值)及方向(正/靠近、负/远离)，同时定义f_d为多普勒频移量(绝对值)。调制后产生的光信号E₂(t)可表示为

$\begin{array}{c}{E}_2\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\left\{j{J}_1\left({\mathrm{\β}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\β}}_2\right)\mathrm{expj}\right[2\mathrm{\π}(f_c-\stackrel{\‾}{f_d})t]+J_0\left({\mathrm{\β}}_2\right)J_1\left({\mathrm{\β}}_1\right)\mathrm{expj}[2\mathrm{\π}(f_c+f_m)t]\\ +j{J}_1\left({\mathrm{\β}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\β}}_2\right)\mathrm{expj}\left[2\mathrm{\π}({2f}_m+\stackrel{\‾}{f_d})t\right]\}\end{array}---\left(2\right)$

其中β₂为电光调制器40的调制指数，J₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数。在另一路中，光载波经声光调制器产生f_s的频移量，其中f_s可在几十Hz到几百MHz之间、甚至可以到GHz以上灵活选取。此时声光调制器输出的光信号E₃(t)可表示为

$E_3\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{expj}\left[2\mathrm{\π}(f_c+f_s)t\right]---\left(3\right)$

两路输出经耦合器合并进入到低速的光电探测器中，拍频后产生的射频信号E_RF(t)可表示为

E_RF(t)∝expj(2πΔft)

$\mathrm{\&Delta;f}=|f_s+\stackrel{\&OverBar;}{f_d}|=\left\{\begin{array}{cc}{f}_s+f_d& \stackrel{\&OverBar;}{f_d}>0\\ f_s-f_d& \stackrel{\&OverBar;}{f_d}<0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中Δf为产生射频信号的频率。基于公式(4)可以得到多普勒频移量为f_d＝|Δf-f_s|。此外，通过比较Δf和f_s，即可以判别多普勒频移的方向。当Δf>f_s，多普勒频移值为f_d＝Δf-f_s，多普勒频移方向判定为观测者与波源相向运动或靠近，或者说多普勒频移方向为正。当Δf<f_s，多普勒频移值为f_d＝f_s-Δf，多普勒频移方向判定为观测者与波源相反运动或远离，或者说多普勒频移方向为负。

从上述得到的多普勒频移量和方向，即可得到移动物体的径向速度和方向。例如，对于单站雷达系统，沿着雷达发射方向，移动物体的径向速度v可以表示为(M.I.Skolnik,Introduction to radar systems(3^rd edition,McGraw-Hill,New York,2001),chaps.1-3.)

$v=\frac{f_d}{{2f}_m}c=\frac{|\mathrm{\&Delta;f}-f_s|}{{2f}_m}---\left(5\right)$

其中c为电磁波在空气中的速率。当Δf>f_s时，可以判定移动物体正在靠近雷达系统，此时多普勒频移方向为靠近或正；当Δf<f_s时，可以判定移动物体正在远离雷达系统，此时多普勒频移方向为远离或负。

上述发明，利用了光子学技术的独特优势，具有如下优点：结构简单，无需复杂的数据处理过程，就能判别多普勒频移量及方向。在整个测量过程中，与微波/毫米波信号的载波频率无关，即能在宽频段范围内执行(比如L-,S-,C-,X-,Ku-,K-,Ka-,V-,W-波段)，突破了电子学方案由于“电子”瓶颈带来的带宽限制。此外，所述方法具有大带宽、低损耗、强抗电磁干扰等优势。

附图说明：

图1.本发明方法的系统框图。

图2.发射微波信号和反射微波信号的光调制示意图。

图3.光载波频移示意图。

图4.多普勒频移量检测及方向判别示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明由连续激光源10，光耦合器20和21，光载波抑制型单边带调制模块30，第二电光调制器40，声光调制器50，低速光探测器60构成。

从激光光源10(频率为f_c)出发，其输出光经耦合器20分成两支路，上支路进入载波抑制型单边带调制模块30，该模块由第一电光调制器301(强度调制器或相位调制器)和一个带通滤波器302顺序连接而成；发射的微波/毫米波信号(频率为f_m)在电光调制器301中对该路光载波进行外调制，然后经带通滤波器302滤波后仅得到单个一阶光边带。此单个光边带作为光载波进入到电光调制器40(强度调制器或相位调制器)被反射回来的微波/毫米波回波信号(频率为)调制。下支路光载波进入到声光调制器50中，使光源频率发生f_s偏移，此时光波频率为f_c+f_s。两路输出经耦合器21合并进入到低速的光电探测器60中，拍频后对得到的射频信号频谱进行分析得到多普勒频移量及方向。

上支路载波抑制型单边带调制模块输出的光信号E₁(t)可以表示为：

$E_1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{J}_1\left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)\mathrm{expj}\left[2\mathrm{\&pi;}(f_c+f_m)t\right]---\left(6\right)$

其中t为时间变量，β₁表示电光调制器301的调制指数，J₁(·)为第一类一阶贝塞尔函数，为虚数单位，exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数，f_c(单位为Hz)为激光源发射的光载波频率，f_m(单位为Hz)为发射的微波/毫米波信号频率。公式(6)中的一阶光边带作为光载波进入电光调制器40中被反射回来的微波/毫米波信号(频率为)调制，其中为多普勒频移矢量，代表待测的多普勒频移量(绝对值)及方向(正/靠近、负/远离)，同时定义f_d为多普勒频移量(绝对值)。调制后的光信号E₂(t)可以表示为：

$\begin{array}{c}{E}_2\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\left\{j{J}_1\left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)\mathrm{expj}\right[2\mathrm{\&pi;}(f_c-\stackrel{\&OverBar;}{f_d})t]+J_0\left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)J_1\left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)\mathrm{expj}[2\mathrm{\&pi;}(f_2+f_m)t]\\ +j{J}_1\left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)\mathrm{expj}\left[2\mathrm{\&pi;}({2f}_m+\stackrel{\&OverBar;}{f_d})t\right]\}\end{array}---\left(7\right)$

其中β₂为电光调制40的调制指数。公式(7)中包含3个光频率分量(见图2)，其中一个光频谱靠近激光源，(频率为f_c-f_d或f_c+f_d)。下支路光载波经声光调制器50，产生f_s的频移量(见图3)。频移后的光信号E₃(t)可表示为

$E_3\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\mathrm{expj}\left[2\mathrm{\&pi;}(f_c+f_s)t\right]---\left(8\right)$

两路输出经光耦合器21合并进入到低速光电探测器60中(见图4)，拍频产生低频的射频信号。这里的光耦合器21也可以用偏振合束器代替，以提高产生低频射频信号的稳定性。产生的低频射频信号E_RF(t)可表示为

E_RF(t)∝expj(2πΔft)

$\mathrm{\&Delta;f}=|f_s+\stackrel{\&OverBar;}{f_d}|=\left\{\begin{array}{cc}{f}_s+f_d& \stackrel{\&OverBar;}{f_d}>0\\ f_s-f_d& \stackrel{\&OverBar;}{f_d}<0\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中Δf为产生射频信号的频率。基于公式(4)可以得到多普勒频移量为f_d＝|Δf-f_s|。此外，通过比较Δf和f_s，即可以判别多普勒频移的方向。当Δf>f_s，多普勒频移值为f_d＝Δf-f_s，多普勒频移方向判定为观测者与波源相向运动或靠近，或者说多普勒频移方向为正。当Δf<f_s，多普勒频移值为f_d＝f_s-Δf，多普勒频移方向判定为观测者与波源相反运动或远离，或者说多普勒频移方向为负。

从上述得到的多普勒频移量，可推得移动物体的径向速度，例如，对于单站雷达系统，沿着雷达发射方向，移动物体的径向速度v可以表示为(M.I.Skolnik,Introduction to Radar Systems(3rd edition,McGraw-Hill,New York,2001),chaps.1-3.)

$v=\frac{f_d}{{2f}_m}c=\frac{|\mathrm{\&Delta;f}-f_s|}{{2f}_m}---\left(5\right)$

其中c为电磁波在空气中的速率。当Δf>f_s时，可以判定移动物体正在靠近雷达系统，此时多普勒频移方向为靠近或正；当Δf<f_s时，可以判定移动物体正在远离雷达系统，此时多普勒频移方向为远离或负。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).结构简单，无需复杂的处理过程，就能判别多普勒频移量及方向。且整个系统具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，相比电子学方法能提供更大的动态范围和更高的测量分辨率。2).在整个测量过程中，与待测微波/毫米波信号的载波频率无关，即能在宽频段范围内对多普勒频移进行测量。

以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于光子技术的多普勒频移检测方法，在由连续激光源(10)、第一光耦合器(20)和第二光耦合器(21)、光载波抑制型单边带调制模块(30)、第二电光调制器(40)、声光调制器(50)、低速光探测器(60)构成的装置平台上；从激光光源(10)出发，输出光经耦合器(20)分成两支路，上支路进入载波抑制型单边带调制模块(30)，该模块由一个电光调制器(301)和一个带通滤波器(302)顺序连接而成；发射的微波/毫米波信号，频率为f_m，在电光调制器301中对该路光载波进行外调制，然后经带通滤波器(302)滤波后仅得到单个一阶光边带，此单个一阶光边带作为光载波进入到电光调制器(40)被反射回来的微波/毫米波回波信号调制，频率为下支路光载波进入到声光调制器(50)中，使光源频率发生f_s偏移，此时光波频率为f_c+f_s；两路输出经耦合器21合并进入到低速的光电探测器60中，拍频后对得到的射频信号频谱进行分析得到多普勒频移量及方向；包含如下的处理步骤：连续激光源输出的光载波经耦合器分成两支路：一路光载波首先进入到载波抑制型单边带调制模块中被发射的微波/毫米波信号调制，产生的单个光边带进入到电光调制器中被反射回来的、含多普勒频移信息的微波/毫米波信号调制；另一路光载波经声光调制器实现一定的光学频移f_s；所述两支路的输出合并后进入到低速的光电探测器中，拍频产生低频射频信号；通过分析得到的低频射频信号频谱，获得多普勒频移量及方向。

2.根据权利要求1所述之基于光子技术的多普勒频移检测方法，所述多普勒频移的获得过程如下：在设定的光学频移量f_s下，分析产生的低频射频信号的频谱得到其频率为Δf；当Δf＞f_s，判断出多普勒频移方向为波源与观测者相向运动或靠近，推算出多普勒频移值为f_d＝Δf-f_s；当Δf＜f_s，判断出多普勒频移方向为波源与观测者反向运动或远离，推算出多普勒频移值为f_d＝f_s-Δf。

3.实现权利要求或1或2方法的基于光子技术的多普勒频移检测装置，其特征在于，由连续激光源(10)、第一光耦合器(20)和第二光耦合器(21)、光载波抑制型单边带调制模块(30)、电光调制器(40)、声光调制器(50)、低速光探测器(60)构成；从激光光源(10)出发，其输出光经耦合器(20)分成两支路，上支路进入载波抑制型单边带调制模块30，该模块由第一电光调制器301和带通滤波器(302)顺序连接而成；发射的微波/毫米波信号，频率为f_m，在第一电光调制器(301)中对该路光载波进行外调制，然后经带通滤波器(302)滤波后仅得到单个一阶光边带，此单个一阶光边带作为光载波进入到第二电光调制器(40)被反射回来的微波/毫米波回波信号，频率为调制；下支路光载波进入到声光调制器(50)中，使光源频率发生f_s偏移，此时光波频率为f_c+f_s；两路输出经耦合器(21)合并进入到低速的光电探测器(60)中，拍频后对得到的射频信号频谱进行分析得到多普勒频移量及方向。

4.根据权利要求3所述之频移检测装置，其特征在于，所述第一电光调制器(301)和第二电光调制器(40)可为强度调制器或相位调制器。