CN108802698A - 基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法、装置 - Google Patents

基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法。将中频线性调频信号调制于光载波上，生成保留载波和单侧二阶边带的调制光信号；将所述调制光信号分为两路，其中一路光信号转化为电信号后，作为雷达探测信号向目标发射；同时，用目标回波信号对光载波进行电光调制，得到光载回波信号；以另一路调制光信号作为参考光信号，对所述光载回波信号进行正交解调，得到携带目标信息的两路正交的中频信号，并从中提取出目标信息。本发明还公开了一种基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测装置。本发明同时具有微波光子技术和正交解调的优势，且实现结构简单，探测效率高。

Description

基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法、装置
技术领域
本发明涉及一种雷达探测方法，尤其涉及一种基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法、装置。
背景技术
对目标进行全天候、实时高分辨率的雷达探测、成像与识别，在军事及民用领域都具有重要应用。然而现有电子雷达系统受限于“电子瓶颈”，如电子器件有限的工作带宽及非线性，使得雷达系统多以窄带工作于固定频段(参见[S.Scherr,S.Ayhan,M.Paoli,"Accuracy limits of a K-band FMCW radar with phase evaluation,"9th EuropeanRadar Conference(EuRAD),2012])，从而限制了雷达系统探测分辨率及调节灵活性。为了区分中频信号极性，须同时获取中频信号的幅度与相位信息，即在雷达接收机采用正交解调技术，但同样受限于电子技术带宽、非线性等，在宽带条件下电子技术很难实现解调过程中信号幅度与相位的匹配(参见[A.Gunst,G.Kant,"Application of digital wide bandmismatch calibration to an I/Q receiver,"IEEE International Symposium onCircuits and Systems,2002.])，从而导致宽带雷达采用正交解调技术时中频信号中出现镜频及杂散分量，严重影响雷达系统探测性能。
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.]及[J.Capmany,I.Gasulla,D.Pérez,"Microwave photonics:The programmable processor,"NaturePhotonics,vol.10,no.1,pp.6-8,Dec.2016.])。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-based broadband radar for high-resolution and realtime inverse synthetic aperture imaging,"Optics Express,vol.25,no.14,pp.16274-16281,2013.])。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法，其同时具有微波光子技术和正交解调的优势，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：
基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法，将中频线性调频信号调制于光载波上，生成保留载波和单侧二阶边带的调制光信号；将所述调制光信号分为两路，其中一路光信号转化为电信号后，作为雷达探测信号向目标发射；同时，用目标回波信号对光载波进行电光调制，得到光载回波信号；以另一路调制光信号作为参考光信号，对所述光载回波信号进行正交解调，得到携带目标信息的两路正交的中频信号，并从中提取出目标信息。
优选地，所述正交解调的方法具体如下：首先将光载回波信号与参考光信号各分为两路，并将其中一路参考光信号或其中一路接收光信号移相90度；然后将一路参考光信号与一路接收光信号合为一路光信号，将另一路参考光信号与另一路接收光信号合为一路光信号；最后对所得到的两路合路光信号分别进行光电转换和低通滤波，得到两个携带目标信息的正交中频信号。
优选地，使用电光调制器级联光滤波器，或者使用电光调制器级联光波束整形器来实现保留载波和单侧二阶边带的调制光信号的产生。
进一步地，所述方法还包括：通过改变所述中频线性调频信号的参数来调整雷达探测信号的参数。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测装置，包括：
中频信号源，用于生成中频线性调频信号；
光源，用于生成光载波；
微波光子倍频模块，用于将所述中频线性调频信号调制于光载波上，生成保留载波和单侧二阶边带的调制光信号；
光分束器，用于将所述调制光信号分为两路；
光电探测器，用于将一路调制光信号转换为电信号；
发射天线，用于以光电探测器所输出的电信号作为雷达探测信号向目标发射；
接收天线，用于接收目标回波信号；
电光调制器，用于将所述目标回波信号调制于光载波上，得到光载回波信号；
正交解调模块，用于以另一路调制光信号作为参考光信号，对光载回波信号进行正交解调，得到携带目标信息的两路正交中频信号；
雷达信号处理模块，用于从携带目标信息的两路正交中频信号中提取出目标信息。
优选地，所述正交解调模块包括：
光90度耦合器，用于将光载回波信号与参考光信号各分为两路，并将其中一路参考光信号或其中一路接收光信号移相90度；然后将一路参考光信号与一路接收光信号合为一路光信号，将另一路参考光信号与另一路接收光信号合为一路光信号；
两个光电探测器，分别用于对光90度耦合器输出的两路光信号进行光电转换；两个低通滤波器，分别用于对光电转换后的两路电信号进行低通滤波。
优选地，所述微波光子倍频模块为电光调制器级联光滤波器，或者为电光调制器级联光波束整形器。
优选地，所述中频信号源所生成中频线性调频信号的参数可调。
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正交解调，在提高雷达距离分辨率的同时，可以实现数据的实时处理。
(2)本发明采用微波光子正交解调技术，在光域实现对宽带信号引入精确的90度相位差，可以有效解决传统电子正交解调技术宽带信号幅度与相位难以匹配问题。
(3)本发明雷达探测信号的载频、带宽、时宽等参数可灵活调节。
附图说明
图1为本发明雷达探测装置的基本结构原理示意图；
图2为本发明雷达探测装置一个优选实施例的基本结构示意图；
图3为光90度耦合器的结构原理示意图。
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，采用微波光子倍频与正交解调技术实现实时、高分辨率正交接收的新型微波光子雷达，以解决传统雷达工作带宽受限，系统复杂等缺点。
具体而言，本发明基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法，将中频线性调频信号调制于光载波上，生成保留载波和单侧二阶边带的调制光信号；将所述调制光信号分为两路，其中一路光信号转化为电信号后，作为雷达探测信号向目标发射；同时，用目标回波信号对光载波进行电光调制，得到光载回波信号；以另一路调制光信号作为参考光信号，对所述光载回波信号进行正交解调，得到携带目标信息的两路正交的中频信号，并从中提取出目标信息。
图1显示了本发明基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测装置的基本结构，图中的虚线表示电信号，实线表示光信号。如图1所示，该装置包括：光源、中频信号源、微波光子倍频模块、电光调制器、光电探测器、正交解调模块、发射天线、接收天线和雷达信号处理模块。如图1所示，通过微波光子倍频模块，将中频信号源产生的中频线性调频信号调制于光载波上，得到保留载波和单侧二阶边带(正二阶边带或负二阶边带)的调制光信号；将调制光信号分为两路，一路调制光信号经光电探测器转换为电信号，并以其为雷达探测信号，通过发射天线辐射到目标所在的环境中；同时，通过电光调制器将接收天线所接收的目标回波信号调制于光载波上，得到光载回波信号；以另一路调制光信号为参考光信号，在正交解调模块中对光载回波信号进行正交解调，得到携带目标信息的两路正交的中频信号(即I路与Q路)；雷达信号处理模块对携带目标信息的两路正交中频信号进行模数转换并进行相应的信号处理，从中提取出目标的距离、速度、图像等信息。
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，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，这样就可通过调节中频线性调频信号参数实现对雷达信号的参数进行方便灵活地调整。
所述微波光子倍频模块可通过马赫曾德尔调制器、双平行马赫曾德尔调制器、偏振复用马赫曾德尔调制器等电光调制器级联光滤波器，或者级联光波束整形器实现，本发明优选采用马赫曾德尔调制器级联光滤波器实现。
所述电光调制器可以采用马赫曾德尔调制器，或电光强度调制器，或铌酸锂调制器等实现，本发明优选采用马赫曾德尔调制器。
所述正交解调优选采用以下方法：首先将光载回波信号与参考光信号各分为两路，并将其中一路参考光信号或其中一路接收光信号移相90度；然后将一路参考光信号与一路接收光信号合为一路光信号，将另一路参考光信号与另一路接收光信号合为一路光信号；最后对所得到的两路合路光信号分别进行光电转换和低通滤波，得到两个携带目标信息的正交中频信号。
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显示了本发明雷达探测装置一个优选实施例的结构示意图。如图2所示，其包括：1个激光源、2个马赫曾德尔调制器、2个光耦合器、1个频率综合器、1个光90度耦合器、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、1个发射天线、1个接收天线、1个电功率放大器(EA)、1个电低噪声放大器(LNA)和一个雷达信号处理模块。
首先，激光源产生频率为fL的光载波进入一分二的光耦合器1，光载波被分为上下两路。频率综合器产生的中频线性调频信号作为驱动信号，对进入马赫曾德尔调制器1的上路光载波信号进行电光调制，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(t)＝f+kt(-T/2<t<T/2)
其中f为两路中频线性调频信号的载频，k＝B/T为调频斜率,B为中频线性调频信号的带宽，T为中频线性调频信号的周期。通过控制偏置电压使马赫曾德尔调制器工作在最大偏置点，调制器输出保留光载波及二阶边带的调制光信号。将此信号送入光滤波器滤除负二阶边带或正二阶边带后，得到保留光载波及单侧二阶边带的调制光信号。将调制光信号分为上下两路，下路光信号作为参考光信号，而上路光信号作为探测光信号送入光电探测器完成光电转换，转换后射频信号瞬时频率可以表示为：
fLFM2(t)＝2f+2kt(-T/2≤t≤T/2)
相对中频线性调频信号，载频和带宽实现了二倍频。该信号即可作为雷达探测信号，通过天线辐射到包含探测目标的环境中。同时，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后作为目标回波信号在马赫-曾德尔调制器2处调制输入的下路光载波信号，得到包含光载波及一阶边带的调制光信号，此调制光信号作为光载回波信号。对于单个点目标，调制马赫-曾德尔调制器2的雷达回波信号相对雷达探测信号有一个延时τ，其瞬时频率可以表示为2f+2k(t-τ)。将参考光信号与光载回波信号送入光90度耦合器的两个输入端。图3为光90度耦合器结构示意图，如图3所示，在光90度耦合器中，首先将光载回波信号与参考光信号各分为两路，并对参考光信号或接收光信号其中一路移相90度，然后分别将一路参考光信号与一路接收光信号合为一路，从而得到两路合路光信号。在两路合路光信号中，参考光信号的二阶边带信号与接收光信号的一阶边带很靠近，频率间隔为2kτ。将两路合路光信号分别送入两个低频光电探测器完成光电转换并进行低通滤波后，即可得到两路相位相差90度，频率为2kτ的中频正交信号，即完成了正交解调。将两路正交的中频信号分别采样后，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、图像等特定信息。

Claims (8)

1.基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测方法，其特征在于，将中频线性调频信号调制于光载波上，生成保留载波和单侧二阶边带的调制光信号；将所述调制光信号分为两路，其中一路光信号转化为电信号后，作为雷达探测信号向目标发射；同时，用目标回波信号对光载波进行电光调制，得到光载回波信号；以另一路调制光信号作为参考光信号，对所述光载回波信号进行正交解调，得到携带目标信息的两路正交的中频信号，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，所述正交解调的方法具体如下：首先将光载回波信号与参考光信号各分为两路，并将其中一路参考光信号或其中一路接收光信号移相90度；然后将一路参考光信号与一路接收光信号合为一路光信号，将另一路参考光信号与另一路接收光信号合为一路光信号；最后对所得到的两路合路光信号分别进行光电转换和低通滤波，得到两个携带目标信息的正交中频信号。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，使用电光调制器级联光滤波器，或者使用电光调制器级联光波束整形器来实现保留载波和单侧二阶边带的调制光信号的产生。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：通过改变所述中频线性调频信号的参数来调整雷达探测信号的参数。
5.基于微波光子倍频与正交解调的雷达探测装置，其特征在于，包括：
中频信号源，用于生成中频线性调频信号；
光源，用于生成光载波；
微波光子倍频模块，用于将所述中频线性调频信号调制于光载波上，生成保留载波和单侧二阶边带的调制光信号；
光分束器，用于将所述调制光信号分为两路；
光电探测器，用于将一路调制光信号转换为电信号；
发射天线，用于以光电探测器所输出的电信号作为雷达探测信号向目标发射；
接收天线，用于接收目标回波信号；
电光调制器，用于将所述目标回波信号调制于光载波上，得到光载回波信号；
正交解调模块，用于以另一路调制光信号作为参考光信号，对光载回波信号进行正交解调，得到携带目标信息的两路正交中频信号；
雷达信号处理模块，用于从携带目标信息的两路正交中频信号中提取出目标信息。
6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述正交解调模块包括：
光90度耦合器，用于将光载回波信号与参考光信号各分为两路，并将其中一路参考光信号或其中一路接收光信号移相90度；然后将一路参考光信号与一路接收光信号合为一路光信号，将另一路参考光信号与另一路接收光信号合为一路光信号；
两个光电探测器，分别用于对光90度耦合器输出的两路光信号进行光电转换；
两个低通滤波器，分别用于对光电转换后的两路电信号进行低通滤波。
7.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述微波光子倍频模块为电光调制器级联光滤波器，或者为电光调制器级联光波束整形器。
8.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述中频信号源所生成中频线性调频信号的参数可调。
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