CN108761398A - 微波光子双波段雷达探测方法及微波光子双波段雷达 - Google Patents

微波光子双波段雷达探测方法及微波光子双波段雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波光子双波段雷达探测方法，用两个不同的中频线性调频信号对光载波进行保留正负二阶边带的偏振复用调制，在所得到的调制光信号的两个正交偏振态上分别生成只保留正负二阶边带的光载线性调频信号；将所述调制光信号转换为电信号后，将其中所含两个波段的四倍频线性调频信号分离开，分别作为雷达探测信号向目标发射；同时，将目标反射的两个波段电信号合为一路后，以所述调制光信号作为参考光信号，对合路后电信号进行光域的变频和去斜处理，得到两个分别携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。本发明还公开了一种微波光子双波段雷达。本发明同时具有微波光子技术和双波段雷达技术的优势，且实现结构简单，探测效率高。

Description

微波光子双波段雷达探测方法及微波光子双波段雷达
技术领域
本发明涉及一种微波光子雷达探测方法，尤其涉及一种微波光子双波段雷达探测方法及微波光子双波段雷达。
背景技术
雷达是人类进行全天候目标探测与识别的主要手段，多功能、高精度、实时探测一直是雷达研究者追求的目标。为了实现高性能的目标探测、成像、识别与分类，需要雷达系统既可以产生大带宽的探测信号，又可以对接收信号快速实时处理。然而受限于电子器件工作带宽及非线性效应，基于电子技术很难实现大带宽信号的产生、控制与处理(参见[Q.Li,D.Yang,X.Mu,Q.Huo,"Design of the L-band wideband LFM signal generatorbased on DDS and frequency multiplication,"IEEE International Conference onMicrowave and Millimeter Wave Technology.,2012.])。随着下一代雷达向更高载频、更大工作带宽的发展，传统雷达技术已面临极大挑战。此外，根据电磁频谱特性，不同波段的电磁波具有不同的属性。所以相对于单波段雷达，双波段雷达具有更优的性能。如雷达功能的多样化，即单部雷达即可同时完成多部雷达才能实现的目标搜索、跟踪、信息获取与分类等功能(参见[M.Vespe,C.Baker,H.Griffiths,"Automatic target recognition usingmulti-diversity radar,",IET Radar Sonar Navigat.,vol.1,no.6,pp.470-478,2007.])。通过双波段融合技术还可以提高雷达的探测分辨率能力(参见[J.Tian,J.Sun,G.Wang,"Multiband Radar Signal Coherent Fusion Processing With IAA andapFFT,"IEEE Signal Process.Lett.,vol.20,no.5,pp.463-466,May.2013.])。然而基于电子技术实现双波段雷达仍面临电子器件工作带宽及非线性效应的限制。
微波光子技术作为一项多学科融合的新兴技术，通过把微波信号加载到光波上，实现对微波信号的传输、处理、控制等功能，具有高频、宽带、抗电磁干扰等优点，能完成电子系统难以完成的信号处理及高速传输等功能(参见[J.Yao,"Microwave Photonics,"Journal of Lightwave Technology,vol.27,no.3,pp.314-335,2009.])。将微波光子技术应用于雷达系统中，可以改善现有雷达系统的性能。以其高频、大带宽、抗电磁干扰、低损耗等特性有效解决现有雷达系统发展的瓶颈，甚至构建出基于微波光子技术的雷达新结构(参见[F.Zhang,Q.Guo,Z.Wang,P.Zhou,G.Zhang,J.Sun,S.Pan,"Photonics-basedbroadband radar for high-resolution and realtime inverse synthetic apertureimaging,"Optics Express,vol.25,no.14,pp.16274-16281,2013.]及[P.Ghelfi,F.Laghezza,F.Scotti,D.Onori,A.Bogoni,"Photonics for radars operating onmultiple coherent bands,"Journal of Lightwave Technology,vol.34,no.2,pp.500-507,2016.])。然而，目前并未发现利用微波光子技术实现的双波段雷达被报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有雷达技术不足，提供一种微波光子双波段雷达探测方法及微波光子双波段雷达，同时具有微波光子技术和双波段雷达技术的优势，且实现结构简单，探测效率高。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种微波光子双波段雷达探测方法，用两个不同的中频线性调频信号对光载波进行保留正负二阶边带的偏振复用调制，在所得到的调制光信号的两个正交偏振态上分别生成只保留正负二阶边带的光载线性调频信号；将所述调制光信号转换为电信号后，将其中所含两个波段的四倍频线性调频信号分离开，分别作为雷达探测信号向目标发射；同时，将目标反射的两个波段电信号合为一路后，以所述调制光信号作为参考光信号，对合路后电信号进行光域的变频和去斜处理，得到两个分别携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。
优选地，使用工作在四倍频状态的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器进行保留正负二阶边带的偏振复用调制。
优选地，所述两个中频线性调频信号的参数独立可调。
优选地，使用以下方法进行光域的变频和去斜处理：以所述参考光信号作为光载波，用合路后电信号对光载波的两个正交偏振态同时进行电光调制；然后将所得调制光信号的其中一个边带滤出后，分离出其两个正交偏振态上的光信号；最后对每个偏振态上的光信号分别进行光电转换、低通滤波，得到两个分别携带目标信息的中频信号。
优选地，所述电光调制为相位调制或偏振调制。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种微波光子双波段雷达，包括：
中频信号源，用于生成两个不同的中频线性调频信号；
偏振复用调制模块，用于用所述两个中频线性调频信号对光载波进行保留正负二阶边带的偏振复用调制，在所得到的调制光信号的两个正交偏振态上分别生成只保留正负二阶边带的光载线性调频信号；
光电探测器，用于将偏振复用调制模块输出的调制光信号转换为电信号；
双波段发射阵列，用于将光电探测器所输出电信号中所含两个波段的四倍频线性调频信号分离开；
两个不同波段的发射天线，用于将分离开的两个波段的四倍频线性调频信号分别作为雷达探测信号向目标发射；
两个不同波段的接收天线，用于接收目标反射的两个波段电信号；
双波段接收阵列，用于将目标反射的两个波段电信号合为一路；
双波段去斜模块，用于以所述调制光信号作为参考光信号，对合路后电信号进行光域的变频和去斜处理，得到两个分别携带目标信息的中频信号；
雷达信号处理模块，用于从携带目标信息的两个中频信号中提取出目标信息。
优选地，所述偏振复用调制模块为工作在四倍频状态的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器。
优选地，所述两个中频线性调频信号的参数独立可调。
优选地，所述双波段去斜模块包括：
电光调制器，用于以所述参考光信号作为光载波，用双波段接收阵列输出的合路后电信号对光载波的两个正交偏振态同时进行电光调制；
光滤波器，用于将电光调制器输出的调制光信号的其中一个边带滤出；
偏振态分束器，用于分离出光滤波器输出信号中两个正交偏振态上的光信号；
两个低频光电探测器，分别用于对分离出的两个正交偏振态上的光信号进行光电转换；
两个低通滤波器，分别用于对两个光电转换后的电信号进行低通滤波。
优选地，所述电光调制器为不带检偏器的相位调制器或不带检偏器的偏振调制器。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)本发明基于微波光子技术实现宽带信号的产生和去斜处理，在提高雷达距离分辨率地同时，可以实现数据地实时处理。
2)本发明双波段雷达探测信号的载频、带宽、时宽均可独立调节，且载频与带宽上限
取决于电光调制器的带宽，可达近百GHz。
3)本发明采用偏分复用技术，同时实现双波段雷达信号的产生与处理，使整个雷达系统结构简单，紧凑；此外，当中频线性调频信号相干时，本发明可以实现相干双波段雷达功能。
附图说明
图1为本发明微波光子双波段雷达的基本结构原理示意图。
图2为本发明微波光子双波段雷达一个优选实施例的结构示意图。
图3为优选实施例中双波段发射阵列结构示意图。
图4为优选实施例中双波段接收阵列结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的思路是利用微波光子技术的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性结合线性调频连续波雷达工作特点，实现工作波段、带宽灵活可调的新型微波光子双波段雷达，以解决传统雷达工作带宽受限，系统复杂等缺点。
具体而言，本发明的微波光子双波段雷达探测方法，用两个不同的中频线性调频信号对光载波进行保留正负二阶边带的偏振复用调制，在所得到的调制光信号的两个正交偏振态上分别生成只保留正负二阶边带的光载线性调频信号；将所述调制光信号转换为电信号后，将其中所含两个波段的四倍频线性调频信号分离开，分别作为雷达探测信号向目标发射；同时，将目标反射的两个波段电信号合为一路后，以所述调制光信号作为参考光信号，对合路后电信号进行光域的变频和去斜处理，得到两个分别携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。
图1显示了本发明微波光子双波段雷达的基本结构，图中的虚线表示电信号，实线表示光信号。如图1所示，本发明微波光子双波段雷达包括：光源、中频信号源、偏振复用调制模块、光电探测器、双波段发射阵列、双波段接收阵列、发射天线、接收天线、双波段去斜模块和雷达信号处理模块。中频信号源用于生成两个不同的中频线性调频信号；偏振复用调制模块用所述两个中频线性调频信号对光源所产生的光载波进行保留正负二阶边带的偏振复用调制，在所得到的调制光信号的两个正交偏振态上分别生成只保留正负二阶边带的光载线性调频信号；光电探测器将偏振复用调制模块输出的调制光信号转换为电信号；双波段发射阵列将光电探测器所输出电信号中所含两个波段的四倍频线性调频信号分离开；通过两个不同波段的发射天线将分离开的两个波段的四倍频线性调频信号分别作为雷达探测信号向目标发射。与此同时，通过两个不同波段的接收天线接收目标反射的两个波段电信号；双波段接收阵列将目标反射的两个波段电信号合为一路；双波段去斜模块以所述调制光信号作为参考光信号，对合路后电信号进行光域的变频和去斜处理，得到两个分别携带目标信息的中频信号；雷达信号处理模块从携带目标信息的两个中频信号中提取出目标信息。
其中，所述中频线性调频信号可通过基于直接数字频率合成器的频率综合器，或基于锁相环的频率综合器，或任意波形发生器生成。此外，两个中频线性调频信号的载频、带宽、调频斜率、周期等参数最好独立可调，这样就可通过调节两个中频线性调频信号参数实现对双波段雷达信号的参数进行方便灵活地调整。
所述偏振复用调制模块可以利用偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器(PM-DPMZM)实现或偏分复用-马赫曾德尔调制器级联滤波器实现，本发明优选采用工作在四倍频状态的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器来进行所述保留正负二阶边带的偏振复用调制。
所述光域的变频和去斜处理优选采用以下方法：以所述参考光信号作为光载波，用合路后电信号对光载波的两个正交偏振态同时进行电光调制；然后将所得调制光信号的其中一个边带滤出后，分离出其两个正交偏振态上的光信号；最后对每个偏振态上的光信号分别进行光电转换、低通滤波，得到两个分别携带目标信息的中频信号。
为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
图2显示了本发明微波光子双波段雷达的一个优选实施例的结构。如图2所示，该双波段雷达包括：1个激光源、1个一分二光耦合器、一个偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器(PM-DPMZM)、1个任意波形发生器、1个相位调制器、1个偏振分束器、一个光滤波器、1个高频光电探测器、2个低频光电探测器、2个低通滤波器、2个发射天线、2个接收天线、1个双波段发射-阵列、1个双波段接收阵列和一个雷达信号处理模块。
首先，激光源产生频率为fL的光载波进入偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器，任意波形发生器产生两路独立的中频线性调频信号作为驱动信号，对进入偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器的光载波进行正交偏振态上的保留正负二阶边带调制，中频线性调频信号在单个周期内的瞬时频率可以表示为：
fLFM-i(t)＝fi+kit (i＝1,2)
其中fi为两路中频线性调频信号的载频，ki＝Bi/Ti为调频斜率,Bi为中频线性调频信号的带宽，Ti为中频线性调频信号的周期。通过控制偏置电压及调制信号功率使偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器工作在四倍频状态，在调制器输出即可得到在两个正交偏振态上分别只保留正负二阶边带的光载线性调频信号的调制光信号，设两个正交偏振态分别为偏振态X和偏振态Y。将该调制光信号分为上下两路，上路光信号送入光电探测器完成光电转换。因为理论上，偏振态正交的光信号之间光电转换效率为零，所以光电转换后的射频信号仅包含两个波段的信号，设为波段x和波段y，其中波段x对应偏振态X，波段y对应偏振态Y，双波段信号瞬时频率可以表示为：
f4LFM-i(t)＝4fi+4kit (i＝1,2)
即得到了两个载频和带宽都实现了四倍频的双波段信号，其中，每个波段信号参数可以通过调节中频线性调频信号参数实现。
图3为优选实施例中双波段发射阵列结构示意图，其包括：1个电功分器、2个带通滤波器(BPF1，BPF2)和2个功率放大器(PA1，PA2)。
图4为优选实施例中双波段接收阵列结构示意图，其包括：1个电耦合器和2个低噪声放大器(LNA1，LNA2)。
将四倍频双波段信号送入双波段发射阵列中，通过滤波器分选出x和y两个波段的电信号，分别经功率放大器放大后，通过发射天线辐射到包含探测目标的环境中。下路光信号作为参考光信号送入相位调制器，发射到环境中的信号遇到探测目标后发生反射，反射的信号经接收天线接收、放大并合为一路后作为接收信号，在相位调制器处对输入的参考光信号进行调制。相对发射信号，接收信号有一个延时，设两个波段接收信号的延时分别为τ1和τ2，则反射信号瞬时频率为4fi+4ki(t-τi)，i＝1,2。参考光信号在两个正交偏振态上各存在一对正负二阶线性扫频边带信号。对于偏振态X上的两个扫频边带信号，当接收信号将负二阶扫频边带作为载波进行相位调制时,其中波段x接收信号对应的正一阶调制边带靠近参考信号正二阶扫频边带，对应频率差为4k1τ1，是一个中频信号，而波段y接收信号对应的正一价调制边带则与参考信号正二阶扫频边带相距较远，对应频率差为一高频信号；对于正二阶扫频边带可以以相同的方法分析。同样，对于偏振态Y上的两个扫频边带信号，可以参考偏振态X的分析方法。将相位调制器输出的调制光信号送入光滤波器滤出正方向或负方向的一个边带信号，并通过偏振分束器提取出偏振态X和偏振态Y上的光信号，分别送入低频光电探测器完成光电转换并进行低通滤波后，即可得到中频电信号4kiτi，i＝1,2，该过程即为光域的变频和去斜处理。将两个中频信号采样后，即可送入数字信号处理器中通过现有的雷达算法提取出探测目标的距离、速度、图像等信息。

Claims (10)

1.一种微波光子双波段雷达探测方法，其特征在于，用两个不同的中频线性调频信号对光载波进行保留正负二阶边带的偏振复用调制，在所得到的调制光信号的两个正交偏振态上分别生成只保留正负二阶边带的光载线性调频信号；将所述调制光信号转换为电信号后，将其中所含两个波段的四倍频线性调频信号分离开，分别作为雷达探测信号向目标发射；同时，将目标反射的两个波段电信号合为一路后，以所述调制光信号作为参考光信号，对合路后电信号进行光域的变频和去斜处理，得到两个分别携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，使用工作在四倍频状态的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器进行保留正负二阶边带的偏振复用调制。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述两个中频线性调频信号的参数独立可调。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，使用以下方法进行光域的变频和去斜处理：以所述参考光信号作为光载波，用合路后电信号对光载波的两个正交偏振态同时进行电光调制；然后将所得调制光信号的其中一个边带滤出后，分离出其两个正交偏振态上的光信号；最后对每个偏振态上的光信号分别进行光电转换、低通滤波，得到两个分别携带目标信息的中频信号。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述电光调制为相位调制或偏振调制。
6.一种微波光子双波段雷达，其特征在于，包括：
中频信号源，用于生成两个不同的中频线性调频信号；
偏振复用调制模块，用于用所述两个中频线性调频信号对光载波进行保留正负二阶边带的偏振复用调制，在所得到的调制光信号的两个正交偏振态上分别生成只保留正负二阶边带的光载线性调频信号；
光电探测器，用于将偏振复用调制模块输出的调制光信号转换为电信号；
双波段发射阵列，用于将光电探测器所输出电信号中所含两个波段的四倍频线性调频信号分离开；
两个不同波段的发射天线，用于将分离开的两个波段的四倍频线性调频信号分别作为雷达探测信号向目标发射；
两个不同波段的接收天线，用于接收目标反射的两个波段电信号；
双波段接收阵列，用于将目标反射的两个波段电信号合为一路；
双波段去斜模块，用于以所述调制光信号作为参考光信号，对合路后电信号进行光域的变频和去斜处理，得到两个分别携带目标信息的中频信号；
雷达信号处理模块，用于从携带目标信息的两个中频信号中提取出目标信息。
7.如权利要求6所述微波光子双波段雷达，其特征在于，所述偏振复用调制模块为工作在四倍频状态的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器。
8.如权利要求6所述微波光子双波段雷达，其特征在于，所述两个中频线性调频信号的参数独立可调。
9.如权利要求6所述微波光子双波段雷达，其特征在于，所述双波段去斜模块包括：
电光调制器，用于以所述参考光信号作为光载波，用双波段接收阵列输出的合路后电信号对光载波的两个正交偏振态同时进行电光调制；
光滤波器，用于从电光调制器输出的调制光信号中滤出一个边带；
偏振态分束器，用于分离出光滤波器输出信号中两个正交偏振态上的光信号；
两个低频光电探测器，分别用于对分离出的两个正交偏振态上的光信号进行光电转换；
两个低通滤波器，分别用于对两个光电转换后的电信号进行低通滤波。
10.如权利要求9所述微波光子双波段雷达，其特征在于，所述电光调制器为不带检偏器的相位调制器或不带检偏器的偏振调制器。
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