CN105005052A - 光载超宽带远程微波光子混沌mimo成像雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达成像技术，具体是一种光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达。本发明解决了目前尚无一种能直接在光域产生多路、准正交的混沌超宽带信号的MIMO雷达的问题。光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达，包括中心站部分、传输链路部分、基站部分；所述中心站部分包括带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器、第一光环形器、第一掺铒光纤放大器、1×2的20：80耦合器、第一偏振控制器、第一可调光衰减器、2×1的50：50耦合器、带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器、第二可调光衰减器、第二偏振控制器、光隔离器。本发明适用于战场、雪山顶、孤岛和储煤仓等恶劣环境下对目标物的远程高分辨实时监控。

Description

光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达

技术领域

本发明涉及雷达成像技术，具体是一种光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达。

背景技术

随着雷达技术的进步，雷达功能早已从最初的目标检测、测距、测角、测速等发展到二维或三维的目标成像。雷达图像能够帮助人们获得目标空间结构、属性特征等方面的有用信息。自20世纪50年代以来，雷达成像技术已被广泛用于农林生产、环境保护、灾情报告、海洋监测、地理测绘、资源勘查、无损检测、生物医学、考古和军事等多个领域。

雷达成像技术是通过主动向目标发射电磁波，并接收目标的散射回波来反演得到目标图像，其发展经历了四个阶段：实孔径雷达（RAR，Real Aperture Radar）、合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）、逆合成孔径雷达（ISAR，Inverse Synthetic Aperture Radar）和多输入输出（MIMO，Multiple input Multiple output）雷达。相比于SAR和ISAR，MIMO雷达通过多发多收的阵列构型和波形分集的优势可以获得突破实际物理阵元数目限制的观测通道数，不需要长的积累时间，具有实时成像能力且无需对目标进行运动补偿，利用多个通道回波数据的联合处理可以在空间上等效为一个大孔径阵列，达到方位向的高分辨率要求。但其自身也存在急需突破的难点问题：如何方便、快速地产生波形数目和编码长度均不受限制的准正交信号集作为MIMO雷达的发射信号以及如何增强发射信号的宽带。

为此，研究者们将超宽带（Ultra-wideband，UWB）技术引入MIMO雷达中。2007年，意大利的Martinez-Vazquez等人提出了利用UWB-MIMO雷达阵列进行小范围监视。2009年，武汉雷达学院的王党卫等人提出基于两个分布式阵列的UWB-MIMO雷达用于降低系统的硬件复杂性。2010年，美国的Ralston等人研制了一种UWB-MIMO的相控阵雷达系统用于实时穿墙成像，获得大于10Hz的成像速率。然而，受电子器件带宽瓶颈的限制，上述直接在电域产生的UWB信号带宽小于2GHz，且 UWB信号用传统的同轴电缆和波导传输线路来传输损耗大，作用距离短，使得超宽带雷达在军事和民用领域应用中受到限制。

为了克服电域产生UWB信号带宽和传输受限的问题，研究者们提出了各种光生UWB信号方法和光载UWB无线电技术。在光域中直接产生的UWB信号带宽可以达到十几GHz甚至几十GHz，光纤的巨大带宽和低损耗的传输特点，使其成为远程微波系统中的理想传输媒介，是同轴电缆和波导传输线路的理想替代物。2012年，以色列的Zadok等人提出了一种基于受激布里渊散射放大自发辐射的超宽带噪声雷达，发射信号经过10km的光纤传输到达远程天线单元，大大提高了雷达系统的有效作用范围。2014年，南京航空航天大学的潘时龙等人利用相位调制-强度调制转换产生了UWB脉冲并将其用于测距雷达中，信号经过8km光纤传输后仍可实现cm量级的距离分辨率。同年，中科院半导体所的刘建国等人提出了一种基于光电振荡器的分布式超宽带噪声雷达，利用偏振强度调制转换器实现频谱整形，发射信号经过3km光纤传输可实现cm量级的距离分辨率。然而，上述的远程UWB光子雷达均只发射一路UWB脉冲或者噪声信号作为雷达探测光信号，仅实现了目标物的一维空间测距。

混沌信号具有类随机、无周期、遍历、敏感于初始条件等独特性质，且易于控制、产生和使用，在MIMO雷达成像技术中具有突出潜能。一方面，基于混沌信号类随机、初值敏感等特性可产生准正交信号集。2010年，重庆科技学院的曾建奎等人提出将混沌映射产生的混沌调频信号用于MIMO雷达中。2011年，美国的Willsey等人研究了Lorenz系统产生的准正交混沌波形在MIMO雷达中的使用。同年，西安电子科技大学的张林让等人提出了一种利用混沌相位编码信号提高MIMO雷达多目标检测性能的方法。2013年，国防科技大学的庄钊文等人提出了基于互补传输结构的混沌相位编码的MIMO雷达，用于抑制混沌波形引起的高距离向旁瓣。上述混沌正交波形集用于MIMO雷达系统中尚处于理论研究阶段，混沌波形均是通过混沌映射仿真产生，若实际在电域中产生时，受到硬件设备的电子带宽制约，难以产生满足需求的宽带准正交混沌信号集。另一方面，借鉴光生UWB信号方法和光载UWB无线电技术，研究者将光生混沌超宽带信号作为雷达发射信号，并利用光纤进行远距离传输，实现了高精度的目标测距。2004年，美国加州大学洛杉矶分校的Liu等人提出了基于光注入半导体激光器的混沌雷达系统，获得了9cm的距离分辨率，但该雷达并未实现远程控制。2014年，申请人利用光反馈结合光注入半导体激光器产生的18GHz带宽的混沌信号作为雷达发射信号，经24km的光纤传输后获得了2cm的距离分辨率。然而，上述的远程光子混沌UWB雷达同样也只是发射单路混沌探测光信号，用于目标物的一维空间测距。

因此，若能直接在光域产生多路、准正交的混沌超宽带信号，经光纤远距离传输后作为MIMO雷达的发射信号，不仅可以实现雷达的远程控制和实时成像，还可以保证距离向和方位向的高分辨率。然而，目前尚无一种能直接在光域产生多路、准正交的混沌超宽带信号的MIMO雷达。

发明内容

本发明为了解决目前尚无一种能直接在光域产生多路、准正交的混沌超宽带信号的MIMO雷达的问题，提供了一种光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达。

本发明是采用如下技术方案实现的：光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达，包括中心站部分、传输链路部分、基站部分；

所述中心站部分包括带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器、第一光环形器、第一掺铒光纤放大器、1×2的20：80耦合器、第一偏振控制器、第一可调光衰减器、2×1的50：50耦合器、带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器、第二可调光衰减器、第二偏振控制器、光隔离器、1×2的10：90耦合器、光延迟线、第一阵列波导光栅、第一光电探测器组、第一模数转换器、数字信号采集与处理模块、第二掺铒光纤放大器、第二光环形器、第二阵列波导光栅、第二光电探测器组、第二模数转换器、光纤长度校准单元；

所述传输链路部分包括双芯光缆；

所述基站部分包括光纤反射镜、第三光环形器、第三阵列波导光栅、第三光电探测器组、发射天线阵列、接收天线阵列、半导体激光器组、第四阵列波导光栅；

其中，带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器的输出端与第一光环形器的左端连接；第一光环形器的右端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接；第一掺铒光纤放大器的输出端与1×2的20：80耦合器的输入端连接；1×2的20：80耦合器的第一个输出端与第一偏振控制器的输入端连接；第一偏振控制器的输出端与第一可调光衰减器的输入端连接；第一可调光衰减器的输出端与2×1的50：50耦合器的第一个输入端连接；2×1的50：50耦合器的输出端与第一光环形器的下端连接；

带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器的输出端与第二可调光衰减器的输入端连接；第二可调光衰减器的输出端与第二偏振控制器的输入端连接；第二偏振控制器的输出端与2×1的50：50耦合器的第二个输入端连接；

1×2的20：80耦合器的第二个输出端与光隔离器的输入端连接；光隔离器的输出端与1×2的10：90耦合器的输入端连接；1×2的10：90耦合器的第一个输出端与光延迟线的输入端连接；光延迟线的输出端与第一阵列波导光栅的输入端连接；第一阵列波导光栅的输出端与第一光电探测器组的输入端连接；第一光电探测器组的输出端与第一模数转换器的输入端连接；第一模数转换器的输出端与数字信号采集与处理模块的输入端连接；

1×2的10：90耦合器的第二个输出端与第二掺铒光纤放大器的输入端连接；第二掺铒光纤放大器的输出端与第二光环形器的左端连接；第二光环形器的下端与第二阵列波导光栅的输入端连接；第二阵列波导光栅的输出端与第二光电探测器组的输入端连接；第二光电探测器组的输出端与第二模数转换器的输入端连接；第二模数转换器的输出端与数字信号采集与处理模块的输入端连接；

第二光环形器的右端与双芯光缆的左下端连接；光纤长度校准单元与双芯光缆的左上端连接；双芯光缆的右上端与光纤反射镜连接；双芯光缆的右下端与第三光环形器的左端连接；

第三光环形器的右端与第三阵列波导光栅的输入端连接；第三阵列波导光栅的输出端与第三光电探测器组的输入端连接；第三光电探测器组的输出端与发射天线阵列的输入端连接；

接收天线阵列的输出端与半导体激光器组的输入端连接；半导体激光器组的输出端与第四阵列波导光栅的输入端连接；第四阵列波导光栅的输出端与第三光环形器的下端连接。

具体工作过程如下：带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器产生多波长混沌光信号，多波长混沌光信号通过第一光环形器进入第一掺铒光纤放大器，并通过第一掺铒光纤放大器放大后进入1×2的20：80耦合器，然后通过1×2的20：80耦合器分为两路：一路作为反馈光信号，另一路作为输出光信号。反馈光信号依次通过第一偏振控制器、第一可调光衰减器、2×1的50：50耦合器进入第一光环形器。同时，带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器产生注入光信号，注入光信号依次通过第二可调光衰减器、第二偏振控制器、2×1的50：50耦合器进入第一光环形器。通过第一偏振控制器和第一可调光衰减器分别调节反馈光信号的偏振状态和功率大小，并通过第二偏振控制器和第二可调光衰减器分别调节注入光信号的偏振状态和功率大小，使得输出光信号成为多波长（例如波长数≥9）、且波长间两两准正交的混沌超宽带光信号。输出光信号通过光隔离器进入1×2的10：90耦合器，并通过1×2的10：90耦合器分为两路：一路作为参考光信号，另一路作为探测光信号。参考光信号通过光延迟线进入第一阵列波导光栅，并通过第一阵列波导光栅波分解复用为多路（例如9路）不同波长的参考光信号，多路（例如9路）不同波长的参考光信号进入第一光电探测器组，并通过第一光电探测器组转换为多路（例如9路）不同波长的参考电信号，多路（例如9路）不同波长的参考电信号进入第一模数转换器，并通过第一模数转换器模数转换后进入数字信号采集与处理模块。探测光信号进入第二掺铒光纤放大器，并通过第二掺铒光纤放大器放大后进入第二光环形器，然后通过第二光环形器进入双芯光缆，并通过双芯光缆分为两路进行远程传输：一路探测光信号传输至光纤反射镜，光纤反射镜根据该路探测光信号对双芯光缆进行高精度实时监测，并通过与光纤长度校准单元配合来校准双芯光缆因外界环境变化所引起的长度变化。另一路探测光信号传输至第三光环形器，并通过第三光环形器进入第三阵列波导光栅，然后通过第三阵列波导光栅波分解复用为多路（例如9路）不同波长的探测光信号，多路（例如9路）不同波长的探测光信号通过第三光电探测器组转换为多路（例如9路）不同波长的探测电信号，多路（例如9路）不同波长的探测电信号进入发射天线阵列，并通过发射天线阵列发射出去。发射出去的多路（例如9路）不同波长的探测电信号经目标物散射后成为多路（例如9路）不同波长的回波电信号，多路（例如9路）不同波长的回波电信号被接收天线阵列接收后进入半导体激光器组，通过对半导体激光器组进行调制，使得多路（例如9路）不同波长的回波电信号转换为多路（例如9路）不同波长的回波光信号，多路（例如9路）不同波长的回波光信号进入第四阵列波导光栅，并通过第四阵列波导光栅波分复用为一路多波长（例如波长数≥9）、且波长间两两准正交的回波光信号，回波光信号依次通过第三光环形器、双芯光缆、第二光环形器进入第二阵列波导光栅，并通过第二阵列波导光栅波分解复用为多路（例如9路）不同波长的回波光信号，多路（例如9路）不同波长的回波光信号通过第二光电探测器组转换为多路（例如9路）不同波长的回波电信号，多路（例如9路）不同波长的回波电信号通过第二模数转换器模数转换后进入数字信号采集与处理模块。数字信号采集与处理模块对多路（例如9路）参考电信号和多路（例如9路）回波电信号进行两两相关，即可获得从发射天线阵列到目标物与从目标物到接收天线阵列的时间延迟，由此得到从发射天线阵列到目标物的距离信息和从目标物到接收天线阵列的距离信息，从而在此基础上进行后续成像处理。

基于上述过程，本发明所述的光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达具有如下优点：其一，本发明所述的光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达基于多波长光注入结合光反馈扰动多纵模半导体激光器产生了多路、准正交的混沌超宽带光信号，由此获得了全空间覆盖，从而避免了波形间的相互干扰。其二，本发明所述的光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达采用了抗压、抗拉和抗温变化的双芯特种光缆进行远程信号传输，由此避免了光纤因受到外界环境温度、拉力和压力的影响而导致光纤长度发生变化，从而提高了距离向分辨率。其三，本发明所述的光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达融合了光载超宽带、MIMO雷达成像和波分复用技术，由此可以同时实现距离向和方位向的高分辨率、实时成像以及远程控制。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了目前尚无一种能直接在光域产生多路、准正交的混沌超宽带信号的MIMO雷达的问题，其融合了远程超宽带混沌雷达和MIMO成像雷达的优势，可以同时实现距离向和方位向的高分辨率、实时成像以及远程控制，适用于战场、雪山顶、孤岛和储煤仓等恶劣环境下对目标物的远程高分辨实时监控。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1-带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器，2-第一光环形器，3-第一掺铒光纤放大器，4-1×2的20：80耦合器，5-第一偏振控制器，6-第一可调光衰减器，7-2×1的50：50耦合器，8-带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器，9-第二可调光衰减器，10-第二偏振控制器，11-光隔离器，12-1×2的10：90耦合器，13-光延迟线，14-第一阵列波导光栅，15-第一光电探测器组，16-第一模数转换器，17-数字信号采集与处理模块，18-第二掺铒光纤放大器，19-第二光环形器，20-第二阵列波导光栅，21-第二光电探测器组，22-第二模数转换器，23-光纤长度校准单元，24-双芯光缆，25-光纤反射镜，26-第三光环形器，27-第三阵列波导光栅，28-第三光电探测器组，29-发射天线阵列，30-接收天线阵列，31-半导体激光器组，32-第四阵列波导光栅，33-目标物。

具体实施方式

光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达，包括中心站部分、传输链路部分、基站部分；

所述中心站部分包括带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器1、第一光环形器2、第一掺铒光纤放大器3、1×2的20：80耦合器4、第一偏振控制器5、第一可调光衰减器6、2×1的50：50耦合器7、带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器8、第二可调光衰减器9、第二偏振控制器10、光隔离器11、1×2的10：90耦合器12、光延迟线13、第一阵列波导光栅14、第一光电探测器组15、第一模数转换器16、数字信号采集与处理模块17、第二掺铒光纤放大器18、第二光环形器19、第二阵列波导光栅20、第二光电探测器组21、第二模数转换器22、光纤长度校准单元23；

所述传输链路部分包括双芯光缆24；

所述基站部分包括光纤反射镜25、第三光环形器26、第三阵列波导光栅27、第三光电探测器组28、发射天线阵列29、接收天线阵列30、半导体激光器组31、第四阵列波导光栅32；

其中，带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器1的输出端与第一光环形器2的左端连接；第一光环形器2的右端与第一掺铒光纤放大器3的输入端连接；第一掺铒光纤放大器3的输出端与1×2的20：80耦合器4的输入端连接；1×2的20：80耦合器4的第一个输出端与第一偏振控制器5的输入端连接；第一偏振控制器5的输出端与第一可调光衰减器6的输入端连接；第一可调光衰减器6的输出端与2×1的50：50耦合器7的第一个输入端连接；2×1的50：50耦合器7的输出端与第一光环形器2的下端连接；

带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器8的输出端与第二可调光衰减器9的输入端连接；第二可调光衰减器9的输出端与第二偏振控制器10的输入端连接；第二偏振控制器10的输出端与2×1的50：50耦合器7的第二个输入端连接；

1×2的20：80耦合器4的第二个输出端与光隔离器11的输入端连接；光隔离器11的输出端与1×2的10：90耦合器12的输入端连接；1×2的10：90耦合器12的第一个输出端与光延迟线13的输入端连接；光延迟线13的输出端与第一阵列波导光栅14的输入端连接；第一阵列波导光栅14的输出端与第一光电探测器组15的输入端连接；第一光电探测器组15的输出端与第一模数转换器16的输入端连接；第一模数转换器16的输出端与数字信号采集与处理模块17的输入端连接；

1×2的10：90耦合器12的第二个输出端与第二掺铒光纤放大器18的输入端连接；第二掺铒光纤放大器18的输出端与第二光环形器19的左端连接；第二光环形器19的下端与第二阵列波导光栅20的输入端连接；第二阵列波导光栅20的输出端与第二光电探测器组21的输入端连接；第二光电探测器组21的输出端与第二模数转换器22的输入端连接；第二模数转换器22的输出端与数字信号采集与处理模块17的输入端连接；

第二光环形器19的右端与双芯光缆24的左下端连接；光纤长度校准单元23与双芯光缆24的左上端连接；双芯光缆24的右上端与光纤反射镜25连接；双芯光缆24的右下端与第三光环形器26的左端连接；

第三光环形器26的右端与第三阵列波导光栅27的输入端连接；第三阵列波导光栅27的输出端与第三光电探测器组28的输入端连接；第三光电探测器组28的输出端与发射天线阵列29的输入端连接；

接收天线阵列30的输出端与半导体激光器组31的输入端连接；半导体激光器组31的输出端与第四阵列波导光栅32的输入端连接；第四阵列波导光栅32的输出端与第三光环形器26的下端连接。

所述中心站部分、传输链路部分、基站部分基于多波长光注入结合光反馈扰动多纵模半导体激光器产生多路、准正交的混沌超宽带光信号，并将混沌超宽带光信号作为探测光信号。

具体实施时，所述双芯光缆24采用抗压、抗拉和抗温度变化的双芯特种光缆。

Claims (3)

1.一种光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达，其特征在于：包括中心站部分、传输链路部分、基站部分；

所述中心站部分包括带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器（1）、第一光环形器（2）、第一掺铒光纤放大器（3）、1×2的20：80耦合器（4）、第一偏振控制器（5）、第一可调光衰减器（6）、2×1的50：50耦合器（7）、带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器（8）、第二可调光衰减器（9）、第二偏振控制器（10）、光隔离器（11）、1×2的10：90耦合器（12）、光延迟线（13）、第一阵列波导光栅（14）、第一光电探测器组（15）、第一模数转换器（16）、数字信号采集与处理模块（17）、第二掺铒光纤放大器（18）、第二光环形器（19）、第二阵列波导光栅（20）、第二光电探测器组（21）、第二模数转换器（22）、光纤长度校准单元（23）；

所述传输链路部分包括双芯光缆（24）；

所述基站部分包括光纤反射镜（25）、第三光环形器（26）、第三阵列波导光栅（27）、第三光电探测器组（28）、发射天线阵列（29）、接收天线阵列（30）、半导体激光器组（31）、第四阵列波导光栅（32）；

其中，带有光纤反馈环的第一多纵模半导体激光器（1）的输出端与第一光环形器（2）的左端连接；第一光环形器（2）的右端与第一掺铒光纤放大器（3）的输入端连接；第一掺铒光纤放大器（3）的输出端与1×2的20：80耦合器（4）的输入端连接；1×2的20：80耦合器（4）的第一个输出端与第一偏振控制器（5）的输入端连接；第一偏振控制器（5）的输出端与第一可调光衰减器（6）的输入端连接；第一可调光衰减器（6）的输出端与2×1的50：50耦合器（7）的第一个输入端连接；2×1的50：50耦合器（7）的输出端与第一光环形器（2）的下端连接；

带有光纤反馈环的第二多纵模半导体激光器（8）的输出端与第二可调光衰减器（9）的输入端连接；第二可调光衰减器（9）的输出端与第二偏振控制器（10）的输入端连接；第二偏振控制器（10）的输出端与2×1的50：50耦合器（7）的第二个输入端连接；

1×2的20：80耦合器（4）的第二个输出端与光隔离器（11）的输入端连接；光隔离器（11）的输出端与1×2的10：90耦合器（12）的输入端连接；1×2的10：90耦合器（12）的第一个输出端与光延迟线（13）的输入端连接；光延迟线（13）的输出端与第一阵列波导光栅（14）的输入端连接；第一阵列波导光栅（14）的输出端与第一光电探测器组（15）的输入端连接；第一光电探测器组（15）的输出端与第一模数转换器（16）的输入端连接；第一模数转换器（16）的输出端与数字信号采集与处理模块（17）的输入端连接；

1×2的10：90耦合器（12）的第二个输出端与第二掺铒光纤放大器（18）的输入端连接；第二掺铒光纤放大器（18）的输出端与第二光环形器（19）的左端连接；第二光环形器（19）的下端与第二阵列波导光栅（20）的输入端连接；第二阵列波导光栅（20）的输出端与第二光电探测器组（21）的输入端连接；第二光电探测器组（21）的输出端与第二模数转换器（22）的输入端连接；第二模数转换器（22）的输出端与数字信号采集与处理模块（17）的输入端连接；

第二光环形器（19）的右端与双芯光缆（24）的左下端连接；光纤长度校准单元（23）与双芯光缆（24）的左上端连接；双芯光缆（24）的右上端与光纤反射镜（25）连接；双芯光缆（24）的右下端与第三光环形器（26）的左端连接；

第三光环形器（26）的右端与第三阵列波导光栅（27）的输入端连接；第三阵列波导光栅（27）的输出端与第三光电探测器组（28）的输入端连接；第三光电探测器组（28）的输出端与发射天线阵列（29）的输入端连接；

接收天线阵列（30）的输出端与半导体激光器组（31）的输入端连接；半导体激光器组（31）的输出端与第四阵列波导光栅（32）的输入端连接；第四阵列波导光栅（32）的输出端与第三光环形器（26）的下端连接。

2.根据权利要求1所述的光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达，其特征在于：所述中心站部分、传输链路部分、基站部分基于多波长光注入结合光反馈扰动多纵模半导体激光器产生多路、准正交的混沌超宽带光信号，并将混沌超宽带光信号作为探测光信号。

3.根据权利要求1或2所述的光载超宽带远程微波光子混沌MIMO成像雷达，其特征在于：所述双芯光缆（24）采用抗压、抗拉和抗温度变化的双芯特种光缆。