CN108845296A - 一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机及信号采集与处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机及信号采集与处理方法。使用锁模激光器作为超短脉冲激光光源产生光脉冲，用可调光滤波器将光脉冲的频谱分量分为多个子带，从而生成子脉冲序列；每一个采样光脉冲组完成一次采样；采样光脉冲序列输入到电光调制器中，并被天线接收的射频信号调制，从而将射频信号的幅度映射到光脉冲的强度上；通过波分复用模块将脉宽扩展后的光信号分配至信号转换模块中转换为离散时间数字信号；信息处理模块根据离散时间数字信号重构复信号，并构建出目标的一维像。本发明无需混频链路；在保证宽带雷达信号理论分辨率的同时，允许雷达系统采用更复杂的波形，且可以低于奈奎斯特采样率进行采样。

Description

一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机及信号采集与 处理方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机及信号采集与处理方法。

背景技术

雷达在实现高分辨探测功能时，需要采用宽带信号。对宽带信号而言，如何对信号进行接收和重构是一大难题。第一个挑战是接收机对大带宽信号的模拟响应：若要实现厘米级的分辨，雷达信号即使通过混频链路调制为零中频信号，其带宽也在GHz以上，传统的接收机难以对其有效的响应；其次是奈奎斯特采样定理的需求，即采样率需至少大于信号带宽的两倍，才能重构信号并对其进行处理，对于大带宽的雷达信号而言，这意味着接收机会输入给信号处理机海量的数据从而在数据传输链路吞吐量和信号处理机运算能力这两个方面带来极大的挑战。针对这些难题，传统的解决方案是采用去斜(Dechirp)手段，即发射波形采用线性调频(啁啾信号)，目标回波与本地的线性调频波进行混频滤波处理后，得到可以被当前接收机技术能够响应的单点频信号，并利用频谱分析获得目标的距离、多普勒等信息，从而实现相应的功能，如测距、高分辨成像以及识别等等。去斜体制的宽带雷达探测技术既能够保证雷达的分辨率，又可以降低系统对接收机与信号处理机的性能要求，因此被广泛应用于各军事、民用雷达探测领域。例如NXP公司的77GHz自动驾驶雷达系统就选择了宽带线性调频或类线性调频信号作为雷达波形，并使用去斜的方式对目标回波进行高效的接收和处理，从而实现车辆对周身环境的实时感知。

然而，基于线性调频波形和去斜接收体制的宽带探测技术有着先天的缺陷。首先，作为最简单的一类雷达波形，描述一段线性调频波只需要少数几个参数(如频率、带宽、时宽等)，因此对很多基于参数估计理论的电子侦察系统而言，线性调频是非常脆弱的信号，极易被截获以及干扰；其次，去斜体制所采用的混频链路增加了射频前端的复杂度，引入了额外的噪声和通道不一致性，降低了雷达的性能；此外，线性调频波信号形式过于单一，不易在现有新体制探测手段中进行推广和应用，典型的例子如当前应用潜能广泛的多入多出(Multi-in Multi-out,MIMO)雷达，而MIMO雷达所需要的正交信号不大可能在给定的带宽内采用线性调频波来实现。尽管如此，综合考虑目前数字接收机技术水平、数字链路数据吞吐量限制等因素，在雷达工程领域，对大带宽信号(带宽4GHz以上)的接收及处理，目前几乎只有模拟去斜-滤波-中频接收这一种可行的方式。因此，大带宽雷达普遍存在信号种类有限，射频链路复杂，信号损耗大，抗干扰能力较弱等问题，这些缺点限制了宽带雷达的应用场景和探测性能。

因此，在雷达信号接收领域，迫切需要一种能够适配多种宽带射频信号的采样、量化及处理的射频数字化接收机技术，同时这样的接收机还需要能兼顾到数字后端的处理能力。这样的技术对于提升宽带雷达工作能力、拓展宽带雷达应用场景有着重要的意义。但是在目前公开的技术中，还没有一种方法能够同时满足上述条件。

发明内容

本发明提出一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机及信号采集与处理方法，省去了传统宽带接收机复杂的混频链路；在保证宽带雷达信号理论分辨率的同时，允许雷达系统采用更复杂的波形，也允许采样系统以低于奈奎斯特采样率进行采样。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机信号采集和信号处理方法，包括信号接收和量化、信号幅相特征重构、雷达信号处理；

信号接收和量化的具体过程为：使用锁模激光器作为超短脉冲激光光源产生光脉冲，用可调光滤波器将光脉冲的频谱分量分为多个子带，并对每一个子带作不同的延时，从而生成子脉冲序列；设光脉冲重复频率记为f_sa，雷达信号载频为f_c、带宽为B，则每个子脉冲的时序间隔为1/4f_c，对于相对带宽小于10％的窄带信号，每个采样光脉冲组包含一对子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为由一对时间差为1/4f_c的子脉冲组成的采样脉冲组；对于相对带宽在10％至40％范围内的超宽带信号，每个采样光脉冲组包含四个子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为四个时间差为1/4f_c的子脉冲序列；每一个采样光脉冲组完成一次采样，采样率为f_sa；

采样光脉冲序列输入到电光调制器中，并被天线接收的射频信号调制，从而将射频信号的幅度映射到光脉冲的强度上；采用色散光纤延时线对调制信号进行脉宽扩展；通过波分复用模块将脉宽扩展后的光信号分配至相应接收通道；将一个采样光脉冲组内的子脉冲经过光延时网络在时域上对齐；

经过光分配的每一路光脉冲信号各自进入一个单独的光电探测器，将光脉冲信号映射回电脉冲信号；使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换；模数转换器与锁模激光器共用时钟，采样率为f_sa；

所述信号幅相特征重构的具体过程为：对模数转换后的各通道信号进行通道幅度补偿；

对于相对带宽小于10％的窄带信号，每一次采样为两个脉冲，两个采样通道分别代表信号在采样时刻的实部和虚部，从而直接获得雷达信号的幅相；

对于相对带宽在10％至40％的超宽带信号，每一次采样为四个采样子脉冲，假设在t时刻所采样信号的实数形式如下所示：

x(t)＝[x(t) x(t+Δt) x(t+2Δt) x(t+3Δt)]^T (1)

其中,x(t)为接收机接收到的离散时间实信号，t为采样时刻，Δt＝1/4f_c，为每个子脉冲的延时间隔，此时信号幅相特征重构时，先按照下式构造矩阵L：

矩阵L中各元素的值为：

其中，f₁＝f_c-1/4B，f₂＝f_c+1/4B，f_c为雷达发射的射频信号的中心频率，B为信号带宽；

然后，如式(4)和式(5)所示方法获得信号的实部和虚部：

其中，信号实部的值为c₁+c₂，虚部的值为s₁+s₂，这样可以重构出在采样时刻t，复信号s(t)的值：

s(t)＝(c₁+c₂)+j(s₁+s₂) (5)

雷达信号处理是指基于上述重构所得的复信号s(t)，构建出目标的一维像。

进一步，通过雷达信号处理获得一维像的过程为：

当雷达发射的信号为线性调频信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式如下所示，

其中，t＝[t₀，t₁……t_N-1]为采样时间序列，N为噪声，t_d＝2R/c为收发信号的相对时延，c为光速，R为目标距离；

使用下式所示方法获得一维像y，

y＝DFT[s·s_LFM ^*] (7)

其中，DFT表示对向量作离散傅里叶变换，s_LFM为雷达发射的线性调频信号的离散时间表达形式；

当雷达发射的信号为任意带限信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式为s，则s的表达式如下所示，

按照以f_c为中心频率，θ(t)为调制形式的发射信号s_ref(t)＝exp[j(2πf_ct+θ(t))]构建相关矩阵H：

其中，H的每一个矩阵元h(t_n,τ_k)代表对给定离散时间t_n形式的发射信号s(t_n)作延时τ_k后的复共轭，其值为：

h(t_n,τ_k)＝exp[-j(2πf_c(t_n-τ_k)+θ(t_n-τ_k))] (10)

并作如下运算，可获得一维像y，

y＝Hs (11)。

本发明还提出一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机，包括射频链路、光链路、信号转换模块以及信息处理模块；

所述射频链路中，回波信号经过天线接收，并经限幅器限幅后由射频放大器放大，并按照雷达波形频段选择相应的带通滤波器；经过射频链路放大、滤波后的射频信号送至电光强度调制器射频接口；

所述光链路中，使用锁模激光器作为超短脉冲激光光源产生光脉冲，用可调光滤波器将光脉冲的频谱分量分为多个子带，并对每一个子带作不同的延时，从而生成子脉冲序列；设光脉冲重复频率记为f_sa，雷达信号载频为f_c、带宽为B，则每个子脉冲的时序间隔为1/4f_c，对于相对带宽小于10％的窄带信号，每个采样光脉冲组包含一对子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为由一对时间差为1/4f_c的子脉冲组成的采样脉冲组；对于相对带宽在10％至40％范围内的超宽带信号，每个采样光脉冲组包含四个子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为四个时间差为1/4f_c的子脉冲序列；每一个采样光脉冲组完成一次采样，采样率为f_sa；采样光脉冲序列输入到电光调制器中，并被天线接收的射频信号调制，从而将射频信号的幅度映射到光脉冲的强度上；采用色散光纤延时线对调制信号进行脉宽扩展；通过波分复用模块将脉宽扩展后的光信号分配至信号转换模块中的相应接收通道；

信号转换模块将模拟的光脉冲信号转换为离散时间数字信号；

信息处理模块根据离散时间数字信号重构复信号s(t)，并构建出目标的一维像。

进一步，信号转换模块中，将一个采样光脉冲组内的子脉冲经过光延时网络在时域上对齐；经过光分配的每一路光脉冲信号各自进入一个单独的光电探测器，将光脉冲信号映射回电脉冲信号；使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换，获得离散时间数字信号；模数转换器与锁模激光器共用时钟，采样率为f_sa。

进一步，信息处理模块中，重构复信号s(t)的具体过程为：对模数转换后的各通道信号进行通道幅度补偿；

对于相对带宽小于10％的窄带信号，每一次采样为两个脉冲，两个采样通道分别代表信号在采样时刻的实部和虚部，从而直接获得雷达信号的幅相；

对于相对带宽在10％至40％的超宽带信号，每一次采样为四个采样子脉冲，假设在t时刻所采样信号的实数形式如下所示：

x(t)＝[x(t) x(t+Δt) x(t+2Δt) x(t+3Δt)]^T (1)

其中,x(t)为接收机接收到的离散时间实信号，t为采样时刻，Δt＝1/4f_c，为每个子脉冲的延时间隔，此时信号幅相特征重构时，先按照下式构造矩阵L：

矩阵L中各元素的值为：

其中，f₁＝f_c-1/4B，f₂＝f_c+1/4B，f_c为雷达发射的射频信号的中心频率，B为信号带宽；

然后，如式(4)和式(5)所示方法获得信号的实部和虚部：

其中，信号实部的值为c₁+c₂，虚部的值为s₁+s₂，这样可以重构出在采样时刻t，复信号s(t)的值：

s(t)＝(c₁+c₂)+j(s₁+s₂) (5)。

进一步，信息处理模块中，获得一维像的过程为：

当雷达发射的信号为线性调频信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式如下所示，

其中，t＝[t₀，t₁……t_N-1]为采样时间序列，N为噪声，t_d＝2R/c为收发信号的相对时延，c为光速，R为目标距离；

使用下式所示方法获得一维像y，

y＝DFT[s·s_LFM ^*] (7)

其中，DFT表示对向量作离散傅里叶变换，s_LFM为雷达发射的线性调频信号的离散时间表达形式；

当雷达发射的信号为任意带限信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式为s，则s的表达式如下所示，

按照以f_c为中心频率，θ(t)为调制形式的发射信号s_ref(t)＝exp[j(2πf_ct+θ(t))]构建相关矩阵H：

其中，H的每一个矩阵元h(t_n,τ_k)代表对给定离散时间t_n形式的发射信号s(t_n)作延时τ_k后的复共轭，其值为：

h(t_n,τ_k)＝exp[-j(2πf_c(t_n-τ_k)+θ(t_n-τ_k))] (10)

并作如下运算，可获得一维像y，

y＝Hs (11)。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明能够在保证波形带宽的理论分辨能力的前提下，突破传统宽带雷达对波形的要求，理论上可以适配任意带限波形；

(2)本发明允许雷达接收系统以低于奈奎斯特采样率进行采样，具备实现“模拟到信息”的能力，可以有效的降低后端数字链路和信号处理机的压力；

(3)本发明采用波分复用的方法，降低了光链路系统对电光调制器数量的需求，在大规模应用时可以有效降低硬件成本；

(4)本发明对射频信号直接采样，省去了传统宽带雷达信号接收技术中可能对信号质量造成影响的混频、倍频、信道化等步骤，不仅降低了射频链路的成本，也避免了微波信号在射频链路中的失真。

附图说明

图1为宽带雷达射频数字接收机的结构图；

图2为实施例所涉及的实验场景示意图；

图3为采样光脉冲实测结果示意图；

图4为采用18-24GHz线性调频波时的高分辨探测结果示意图(包含局部放大结果)；

图5为采用10-15GHz随机噪声编码波形时的高分辨探测结果示意图(包含局部放大结果)。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明宽带雷达射频数字接收机的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明利用光采样-电量化的方式，将宽带射频信号调制到离散时间的采样光脉冲上，调制后的光脉冲经过一系列光处理后，通过光电探测器转变为可被模数转换器(Analog to digital converter，ADC)响应的电信号并对其进行量化。随后，依据量化后的原始信号进行信号重构，从而得到每一个采样时刻射频信号的幅度和相位，之后采用合适的信号处理流程来实现雷达的探测功能。本发明完整的技术方案包含三个部分：信号接收和量化、信号幅相特征重构、雷达信号处理。其中，信号接收和量化为硬件技术，信号幅相特征重构为基于信号接收和量化得到的多路数据恢复某一时刻回波信号的复数表达形式，雷达信号处理为针对本发明采样率所提出的一维像生成。

信号接收和量化具体包括以下几个步骤：

1)采样光脉冲序列生成

本发明使用锁模激光器(Mode-locked Laser,MLL)产生重频稳定、强度相等的超短脉冲激光光源，并用可编程光处理器(Waveshaper，即可调光滤波器)对光脉冲的频谱分量进行精确的微调，从而实现对光脉冲的分割，最终生成满足采样需求的采样光脉冲序列。

基于可调光滤波器的光脉冲分割包含了频域和时域上的分割，首先对脉冲激光的频谱分量分为多个子带，然后再对每一个子带作不同的延时，最后将处理后的光信号汇合到一个光纤里，从而生成子脉冲序列。由单个脉冲激光分割而成的子脉冲构成一个采样脉冲组，每个子脉冲有着先后的时序，同时每一个子脉冲有各自的光谱。

子脉冲序列的时序和雷达信号的频段和相对带宽有关。此处将锁模激光器产生的脉冲激光重复频率记为f_sa。对于载频为f_c，带宽为B的雷达信号，每个子脉冲的时序间隔为1/4f_c。对于相对带宽小于10％的窄带雷达信号，每个采样脉冲组包含一对子脉冲，即将锁模激光器生成的每一激光脉冲分割为一对时间差为1/4f_c的子脉冲；对于相对带宽达到40％的超宽带信号，每个采样脉冲组需要4个子脉冲，即将锁模激光器生成的每一激光脉冲分割成四个时间差为1/4f_c的子脉冲序列。每个采样脉冲组完成一次采样，系统的采样率为f_sa。

2)电-光调制

采样光脉冲序列输入到电光调制器(MZM)中，并被天线接收的射频信号调制，将射频信号的幅度映射到光脉冲的强度上。

电光调制器分为不同类型，为了节省光链路对昂贵的调制器数量的需求，以及规避多个调制器的偏置点漂移问题，本发明选用单个电光强度调制器对所有光脉冲信号进行调制。电光调制器的频带响应需覆盖雷达信号的带宽。可以选用K波段和Ku波段电光强度调制器。

3)光处理及光分配

由锁模激光器产生的光脉冲即便经过一次波分和电光调制，其脉宽也在皮秒量级。如此窄的脉冲信号无法被一般的光电探测器响应到，因此调制后的脉冲信号需要展宽。本发明采用色散光纤延时线来展宽光脉冲，使其脉宽扩展到10纳秒以上。

对于展宽后的光脉冲信号，每组子脉冲在时域上会相互交叠。由于每一个子脉冲分别属于不同的光频带，通过波分复用可以将交叠在一起的光信号分配到各个接收通道去，并将一个采样脉冲组内的子脉冲经过光延时网络在时域上对齐，以便于后续处理。

4)光-电变换

经过光分配的每一路光脉冲信号都会各自进入一个单独的光电探测器。经过光电探测器的光脉冲信号重新映射回电脉冲信号，光脉冲的强度正比于电脉冲的幅度。

5)电量化

每一路电脉冲信号在各自通道分别进入一个ADC来进行量化。ADC与锁模激光器共用时钟，保证整个采样系统为一个相参系统，其采样率也与锁模激光器的重频f_sa相当，并确保每一次采样都精确采集到每一个脉冲的峰值电平。

信号幅相特征重构的具体步骤为：

1)通道幅度补偿

接收机的子通道数等于每一个脉冲经过可调光滤波器分割后的子脉冲数。实测表明通道间存在有幅度误差，因此需要进行通道幅度补偿。本发明采用的补偿方法是通过分析未经调制的脉冲信号得到各通道光脉冲强度幅值并依据此进行归一化处理。

2)复信号重构

如前所述，对于相对带宽小于10％的窄带信号，采样子脉冲数为2，即每一次采样需要2个脉冲，这样采样通道数也为2。由于两个采样子脉冲的时间间隔为1/4f_c，因此两个通道分别代表了信号在采样时刻的实部和虚部，此时可以直接得到信号的幅相信息，无需作进一步处理。

对于中心频率为f_c，脉宽为B，相对带宽在10％到40％的大带宽信号，为了保证信号重构的质量，每一次采样需要4个采样子脉冲。以单个光脉冲分割为四个子脉冲为例，经过该模式量化后，在t时刻所采集的回波信号转化到数字域后，为如下实数形式：

x(t)＝[x(t) x(t+Δt) x(t+2Δt) x(t+3Δt)]^T (1)

其中,x(t)为接收到的实信号，t为采样时刻，t＝1/4f_c，为每个子脉冲的延时间隔，此时构造矩阵L：

并使矩阵中各元素的值为：

其中，f₁＝f_c-1/4B，f₂＝f_c+1/4B。然后，通过求解如式(4)所示方程方法获得信号的实部和虚部，并根据实部和虚部重构出在采样时刻t的复信号s(t)，

便可得到在采样时刻t，回波信号s(t)的幅相信息，其值为：

s(t)＝(c₁+c₂)+j(s₁+s₂) (5)

雷达信号处理，即目标测距)流程为：经过信号幅相特征重构后，模拟的射频实信号已转换成离散时间的数字复信号。

往后进入雷达信号处理流程。此处分别列举针对线性调频信号和任意带限信号的处理方法。

1)线性调频信号处理

当雷达波形为线性调频信号时，采用数字域去斜的方实现测距算法。具体原理及步骤如下：

假设雷达发射的线性调频信号为如下格式：

当信号被距离为R的目标反射回雷达接收天线，其回波信号在经过射频接收、信号重构后，得到数字复信号的形式为：

其中，t_d＝2R/c为收发信号的相对时延，c为光速。回波信号经过数字接收机后，从自然界的模拟信号转变为可供分析的离散时间数字信号，并具有以下形式：

其中，t＝[t₀，t₁……t_N-1]为采样时间序列，N为噪声。对雷达的测距功能而言，若能够依据接收到的信号s＝[s(t₀)，s(t₁)……s(t_N-1)]估计出t_d，便可以获得目标相对于雷达天线的距离信息。对传统去斜体制的宽带雷达而言，模拟去斜后的频谱代表了距离像。本发明中，数字去斜的方式为接收信号与本地参考信号复共轭的点积，再作傅里叶变换得到一维像，即：

y＝dft[s·s_LFM ^*] (9)

其中y为一维距离像，s_LFM为式(6)的离散时间表达形式，其值可写为：

对y作门限检测可以得到目标的距离信息。

2)任意带限信号处理

本发明的一大优势是比传统的去斜接收方法支持更多的波形。不失一般性，此处将雷达发射的宽带信号描述成如下形式：

s_tx(t)＝exp[j(2πf_ct+θ(t))] (11)

当信号被距离为R的目标反射回雷达接收天线，其回波信号在经过射频接收、信号重构后，得到信号的形式为：

s_echo(t)＝exp[j(2πf_ct-2πf_ct_d+θ(t-t_d))] (12)

回波信号经过数字接收机后，从自然界的模拟信号转变为可供分析的离散时间数字信号，并具有以下形式：

雷达信号是已知信号，本发明利用接收到的回波信号与本地参考信号作滑动相关，便可以估计出t_d并在此基础上实现雷达的功能。具体方法为：假设接收机得到了数字复信号s，按照以f_c为中心频率，θ(t)为调制形式的发射信号s_ref(t)＝exp[j(2πf_ct+θ(t))]的形式构建如下矩阵：

其中，

h(t_n,τ_k)＝exp[-j(2πf_c(t_n-τ_k)+θ(t_n-τ_k))] (15)

这里t_n为采样时间，_k为延时量。作如下运算：

y＝Hs (16)

便可从回波得到目标的距离。这里y为一维距离像。在信噪比允许的前提下，采样率并不需要满足奈奎斯特采样定理的需求，也可以实现与过采样相同的距离向分辨，其分辨能力等比于发射信号的带宽。若信号的形式为噪声编码信号，采用此种信号处理算法可以有效的避免距离模糊的问题。因此，当采样率低于采样定理的需求时，本发明结合后端算法可以实现“模拟到信息”(Analog to information,AIC)这一功能。

实施例

如图1所示为本发明宽带雷达射频数字接收机一实施例的组成框图。该实施例包含了两种波形：10GHz-15GHz随机噪声编码波形和18GHz-24GHz线性调频波形。由于选择的频段较宽，实施例中脉冲分割的形式为1分4，而锁模激光器生成的光脉冲重复频率为10MHz，这就决定了系统采样率为10MHz，远低于奈奎斯特采样定理所需要的采样率。实施例所示的宽带雷达射频数字接收机具体包括以下几个部分：

1)射频链路：回波信号经过天线接收，并经限幅器限幅后，由射频放大器放大，并按照雷达波形频段选择相应的带通滤波器。按照所选择的波形频段，分别采用10GHz-15GHz与18GHz-24GHz的带通滤波器。经过射频链路放大、滤波后的回波信号送至电光强度调制器射频接口。电光强度调制器的射频响应区间为0-40GHz，覆盖了本实施例所采用信号的频段。

2)光链路：由锁模激光器生成重频为10MHz的飞秒脉冲序列，每一个脉冲经过可编程光滤波器的频分-延时操作后，分割成包含四个等间距光脉冲的子脉冲序列，并送进电光强度调制器的光输入口。光脉冲信号经过作为射频信号的回波信号调制后，送至7.5km的色散光纤进行脉冲展宽(每个光脉冲宽度扩展至10纳秒以上)。脉冲展宽后的光脉冲经掺铒光纤放大器放大后，送至波分复用模块分成四路，每一路光脉冲信号输出至信号转换模块。此时，四路光脉冲信号为模拟信号。

本实施例提供了图3来直观的展示光脉冲信号经过微波调制后的图像。如图3所示，锁模激光器生成的光脉冲序列在未经微波调制时，为一串等间距(重频为10MHz)、等幅的光脉冲信号；经过微波调制后，其幅值对应的是光脉冲时间序列上微波信号的幅值。本发明通过量化每一个微波调制的光脉冲幅值来实现对射频信号的量化和信号重构。

3)信号转换：信号转换模块将模拟的光脉冲信号转换为离散时间数字信号。首先，利用光延时阵列将四路光脉冲信号按峰值点对齐，随后每一路光脉冲信号由光纤进入光电探测器转变为模拟电脉冲信号。由于光脉冲信号经过一次展宽，脉宽在10纳秒以上，因此选用响应区间为0-150MHz的光电探测器。随后再经过0-100MHz低通滤波器平滑信号的高频毛刺，再分别送入四路AD转换器阵列。AD转换器的采样时钟与锁模激光器重频互相锁定，采样率为10MHz。经过AD转换器量化后的数字信号送入信息处理模块。

4)信息处理：四路数字信号首先进行信号重构，具体方法为先对每一路数字信号进行幅度加权，补偿通道不一致性。幅度加权系数由未经调制的四路光脉冲信号量化获得。其次按照公式(4)和公式(5)重构出每个采样点对应的复信号的实部和虚部。随后进行信号处理。对于10GHz-15GHz的随机噪声编码信号，采用公式(16)获得回波信号对应的一维距离像；对于18GHz-24GHz的线性调频信号，采用公式(9)获得回波信号对应的一维距离像。

实施例仿真测试结果

本实施例提供了两组高分辨成像测试结果来展示本发明的效果。实验场景如图2所示，雷达信号由任意波形发生器生成，经由功率放大器放大后发射至目标。目标为相隔一段距离(3厘米至10厘米)的两块金属板生成。其回波信号由本发明所述的宽带雷达射频数字接收机接收并处理。

图4展示了采用18GHz-24GHz线性调频波时，回波生成的一维像数据。该结果表明本发明支持6GHz以上的传统雷达波形，并且其分辨率接近4cm，接近6GHz带宽信号的理论分辨率(2.5cm)。

图5展示了采用10GHz-15GHz随机噪声编码信号的宽带一维像结果。该结果表明本发明支持大带宽的任意波形雷达信号，其分辨率接近4cm。这一结果与高斯分布的5GHz宽带随机噪声编码信号理论分辨率一致。

图4和图5的结果都展示了本发明的“模拟到信息”能力，即通过远低于采样定理需求的采样率(10MHz采样率远低于5GHz以上带宽信号所需要的大于10GHz的采样率)，在信噪比满足需求的前提下，并不损失信号的分辨率。更进一步的，在10MHz采样率所对应的低数据率下，可以使得超宽带雷达系统更方便的实现实时的信号处理。

实测中，雷达信号带宽在5GHz以上，相对带宽最大达到40％，采用的波形涵盖线性调频波形和噪声编码波形。实施例表明，相比于传统的宽带雷达接收技术，本发明微波光子射频采样接收机省去了传统宽带接收机复杂的混频链路；对雷达探测功能而言，在保证宽带雷达信号理论分辨率的同时，允许雷达系统采用更复杂的波形，也允许采样系统以低于奈奎斯特采样率进行采样。因此，采用本发明所描述的接收机，可以拓展现有宽带雷达的应用场景和性能潜力。

Claims (6)

1.一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机信号采集和信号处理方法，其特征在于，包括信号接收和量化、信号幅相特征重构、雷达信号处理；

信号接收和量化的具体过程为：使用锁模激光器作为超短脉冲激光光源产生光脉冲，用可调光滤波器将光脉冲的频谱分量分为多个子带，并对每一个子带作不同的延时，从而生成子脉冲序列；设光脉冲重复频率记为f_sa，雷达信号载频为f_c、带宽为B，则每个子脉冲的时序间隔为1/4f_c，对于相对带宽小于10％的窄带信号，每个采样光脉冲组包含一对子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为由一对时间差为1/4f_c的子脉冲组成的采样脉冲组；对于相对带宽在10％至40％范围内的超宽带信号，每个采样光脉冲组包含四个子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为四个时间差为1/4f_c的子脉冲序列；每一个采样光脉冲组完成一次采样，采样率为f_sa；

采样光脉冲序列输入到电光调制器中，并被天线接收的射频信号调制，从而将射频信号的幅度映射到光脉冲的强度上；采用色散光纤延时线对调制信号进行脉宽扩展；通过波分复用模块将脉宽扩展后的光信号分配至相应接收通道；将一个采样光脉冲组内的子脉冲经过光延时网络在时域上对齐；

经过光分配的每一路光脉冲信号各自进入一个单独的光电探测器，将光脉冲信号映射回电脉冲信号；使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换；模数转换器与锁模激光器共用时钟，采样率为f_sa；

所述信号幅相特征重构的具体过程为：对模数转换后的各通道信号进行通道幅度补偿；

对于相对带宽小于10％的窄带信号，每一次采样为两个脉冲，两个采样通道分别代表信号在采样时刻的实部和虚部，从而直接获得雷达信号的幅相；

对于相对带宽在10％至40％的超宽带信号，每一次采样为四个采样子脉冲，假设在t时刻所采样信号的实数形式如下所示：

x(t)＝[x(t) x(t+Δt) x(t+2Δt) x(t+3Δt)]^T (1)

其中,x(t)为接收机接收到的离散时间实信号，t为采样时刻，Δt＝1/4f_c，为每个子脉冲的延时间隔，此时信号幅相特征重构时，先按照下式构造矩阵L：

矩阵L中各元素的值为：

其中，f₁＝f_c-1/4B，f₂＝f_c+1/4B，f_c为雷达发射的射频信号的中心频率，B为信号带宽；

然后，通过求解如式(4)所示方程方法获得信号的实部和虚部，并根据实部和虚部重构出在采样时刻t的复信号s(t)，

y(t)＝L^-1x(t) (4)

雷达信号处理是指基于上述重构所得的复信号s(t)，构建出目标的一维像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过雷达信号处理获得一维像的过程为：

当雷达发射的信号为线性调频信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式如下所示，

其中，t＝[t₀，t₁……t_N-1]为采样时间序列，N为噪声，t_d＝2R/c为收发信号的相对时延，c为光速，R为目标距离；

使用下式所示方法获得一维像y，

y＝DFT[s·s_LFM ^*] (6)

其中，DFT表示对向量作离散傅里叶变换，s_LFM为雷达发射的线性调频信号的离散时间表达形式；

当雷达发射的信号为任意带限信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式为s，则s的表达式如下所示，

θ(t)为调制相位；

构建相关矩阵H：

其中，H的每一个矩阵元h(t_n,τ_k)代表对给定离散时间t_n形式的发射信号s(t_n)作延时τ_k后的复共轭，其值为：

h(t_n,τ_k)＝exp[-j(2πf_c(t_n-τ_k)+θ(t_n-τ_k))] (9)

并作如下运算，可获得一维像y，

y＝Hs (10)。

3.一种基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机，其特征在于，包括射频链路、光链路、信号转换模块以及信息处理模块；

所述射频链路中，回波信号经过天线接收，并经限幅器限幅后由射频放大器放大，并按照雷达波形频段选择相应的带通滤波器；经过射频链路放大、滤波后的射频信号送至电光强度调制器射频接口；

所述光链路中，使用锁模激光器作为超短脉冲激光光源产生光脉冲，用可调光滤波器将光脉冲的频谱分量分为多个子带，并对每一个子带作不同的延时，从而生成子脉冲序列；设光脉冲重复频率记为f_sa，雷达信号载频为f_c、带宽为B，则每个子脉冲的时序间隔为1/4f_c，对于相对带宽小于10％的窄带信号，每个采样光脉冲组包含一对子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为由一对时间差为1/4f_c的子脉冲组成的采样脉冲组；对于相对带宽在10％至40％范围内的超宽带信号，每个采样光脉冲组包含四个子脉冲，即可调光滤波器将每一光脉冲分割为四个时间差为1/4f_c的子脉冲序列；每一个采样光脉冲组完成一次采样，采样率为f_sa；采样光脉冲序列输入到电光调制器中，并被天线接收的射频信号调制，从而将射频信号的幅度映射到光脉冲的强度上；采用色散光纤延时线对调制信号进行脉宽扩展；通过波分复用模块将脉宽扩展后的光信号分配至信号转换模块中的相应接收通道；

信号转换模块将模拟的光脉冲信号转换为离散时间数字信号；

信息处理模块根据离散时间数字信号重构复信号s(t)，并构建出目标的一维像。

4.如权利要求3所述的基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机，其特征在于，信号转换模块中，将一个采样光脉冲组内的子脉冲经过光延时网络在时域上对齐；经过光分配的每一路光脉冲信号各自进入一个单独的光电探测器，将光脉冲信号映射回电脉冲信号；使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换，获得离散时间数字信号；模数转换器与锁模激光器共用时钟，采样率为f_sa。

5.如权利要求4所述的基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机，其特征在于，信息处理模块中，重构复信号s(t)的具体过程为：对模数转换后的各通道信号进行通道幅度补偿；

对于相对带宽小于10％的窄带信号，每一次采样为两个脉冲，两个采样通道分别代表信号在采样时刻的实部和虚部，从而直接获得雷达信号的幅相；

对于相对带宽在10％至40％的超宽带信号，每一次采样为四个采样子脉冲，假设在t时刻所采样信号的实数形式如下所示：

x(t)＝[x(t) x(t+Δt) x(t+2Δt) x(t+3Δt)]^T (11)

其中,x(t)为接收机接收到的离散时间实信号，t为采样时刻，Δt＝1/4f_c，为每个子脉冲的延时间隔，此时信号幅相特征重构时，先按照下式构造矩阵L：

矩阵L中各元素的值为：

其中，f₁＝f_c-1/4B，f₂＝f_c+1/4B，f_c为雷达发射的射频信号的中心频率，B为信号带宽；

然后，如式(4)和式(5)所示方法获得信号的实部和虚部：

y(t)＝L^-1x(t) (14)。

6.如权利要求5所述的基于微波光子的宽带雷达射频数字接收机，其特征在于，信息处理模块中，获得一维像的过程为：

当雷达发射的信号为线性调频信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式如下所示，

其中，t＝[t₀，t₁……t_N-1]为采样时间序列，N为噪声，t_d＝2R/c为收发信号的相对时延，c为光速，R为目标距离；

使用下式所示方法获得一维像y，

y＝DFT[s·s_LFM ^*] (16)

其中，DFT表示对向量作离散傅里叶变换，s_LFM为雷达发射的线性调频信号的离散时间表达形式；

当雷达发射的信号为任意带限信号时，假设使用模数转换器对各通道电脉冲信号进行模数转换后的信号形式为s，则s的表达式如下所示，

θ(t)为调制相位；

构建相关矩阵H：

其中，H的每一个矩阵元h(t_n,τ_k)代表对给定离散时间t_n形式的发射信号s(t_n)作延时τ_k后的复共轭，其值为：

h(t_n,τ_k)＝exp[-j(2πf_c(t_n-τ_k)+θ(t_n-τ_k))] (19)

并作如下运算，可获得一维像y，

y＝Hs (20)。