CN108919244B - 微波光子全波段雷达探测方法及微波光子全波段雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波光子全波段雷达探测方法。用中频线性调频信号对频率为f_L的光载波进行抑制载波单边带调制，得到线性扫频一阶边带光信号；从频率分布为f_OC＝f_L±Nf_c的光频梳信号中选取单根梳齿信号与所述线性扫频一阶边带光信号合束，N＝0,1,2,3…L，L为正整数；将所得到的合束光信号转换为电信号后，以其作为雷达探测信号向目标发射；以所述合束光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频和去斜处理，得到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全波段雷达。本发明可在全波段范围对雷达的工作波段以及雷达信号参数进行快速方便的调节，且实现结构简单，探测效率高。

Description

微波光子全波段雷达探测方法及微波光子全波段雷达

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全波段雷达探测方法及微波光子全波段雷达系统。

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。根据电磁频谱特性，不同频段的电磁波具有特定的优势，为了满足不同的探测需求，雷达需要工作于不同波段(参见[http://www.sandia.gov/radar/imagery/index.html#tab-2])。然而现有雷达系统受限于电子技术瓶颈，如电子器件的工作带宽。使得雷达系统多局限于固定频段工作，(参见[S.Kneifel,M.Maahn,G.Peters,C.Simmer,"Observation of snowfall with a low-power FM-CW K-band radar,"Meteorology and Atmospheric Physics,vol.113,no.1-2,pp.75-87,May.2011.]及[L.Cui,Y.He,H.Shen,H.Liu,"Measurements of ocean wave and current field usingdual polarized X-band radar,"Chinese Journal of Oceanology and Limnology,vol.28,no.5,pp.1021-1028,Sep.2010.]),从而限制了雷达的多场景适应性。要实现雷达系统多波段协同工作，就需要多个不同波段的雷达彼此独立工作，导致系统整体复杂、体积庞大、成本高、相互干扰等问题。

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.]及[P.Ghelfi,F.Laghezza,F.Scotti,D.Onori,A.Bogoni,"Photonics for radars operating on multiple coherent bands,"Journalof Lightwave Technology,vol.34,no.2,pp.500-507,2016.])。所以，利用微波光子技术有望实现全波段雷达系统，解决现有雷达工作波段固定的缺点。

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所存在的不足，提供一种微波光子全波段雷达探测方法及微波光子全波段雷达系统，可在全波段范围对雷达的工作波段以及雷达信号参数进行快速方便的调节，且实现结构简单，探测效率高。

本发明的微波光子全波段雷达探测方法，用中频线性调频信号对频率为f_L的光载波进行抑制载波单边带调制，得到线性扫频一阶边带光信号；从频率分布为f_OC＝f_L±Nf_c的光频梳信号中选取单根梳齿信号与所述线性扫频一阶边带光信号合束，N＝0,1,2,3…L，L为正整数；将所得到的合束光信号转换为电信号后，以其作为雷达探测信号向目标发射；同时以所述合束光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频和去斜处理，得到携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。

进一步地，通过选取不同的单根梳齿信号改变所述雷达探测信号的工作频段。

优选地，所述光频梳信号的生成方法如下：以频率为f_c的单频信号对所述光载波的分束信号进行电光调制，得到所述光频梳信号。

优选地，利用中心频率及带宽可调的光带通滤波器，或利用可编程的光波束整形器，从所述光频梳信号中选取单根梳齿信号。

优选地，所述光域的变频和去斜处理具体如下：将目标反射电信号调制于参考光信号，然后对所得到的调制光信号进行光电转换和低通滤波。

本发明的微波光子全波段雷达，包括：

中频信号源，用于生成中频线性调频信号；

光源，用于生成频率为f_L的光载波；

单边带电光调制器，用于将所述中频线性调频信号抑制载波单边带调制于所述光载波，得到线性扫频一阶边带光信号；

光频梳产生器，用于产生频率分布为f_OC＝f_L±Nf_c的光频梳信号，

N＝0,1,2,3…L，L为正整数；

光梳齿选择器，用于从光频梳信号中选取单根梳齿信号；

光合束器，用于将所选取的单根梳齿信号与所述线性扫频一阶边带光信号合束；

第一光电探测器，用于将所得到的合束光信号转换为电信号；

发射天线，用于以第一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，用于接收目标反射电信号；

去斜模块，用于以所述合束光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频和去斜处理，得到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中频信号中提取出目标信息。

优选地，所述光梳齿选择器可选取不同的单根梳齿信号，从而改变所述雷达探测信号的工作频段。

优选地，所述光频梳产生器包括：

微波信号源，用于产生频率为f_c的单频信号；

电光调制器，用于用所述单频信号对所述光载波的分束信号进行电光调制，从而得到所述光频梳信号。

优选地，所述光梳齿选择器为中心频率及带宽可调的光带通滤波器，或为可编程的光波束整形器。

优选地，所述去斜模块包括：

电光调制器，用于将目标反射电信号调制于参考光信号；

第二光电探测器，用于对所得到的调制光信号进行光电转换；

低通滤波器，用于对光电转换后的电信号进行低通滤波。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1)本发明通过调节光频梳间隔及光梳齿选择器的通带，可以实现雷达在不同工作波段间快速灵活切换；通过调节中频线性调频信号的载频、带宽、时宽等参数，可以实现雷达信号参数的调节；具有系统简单，可灵活操作的优点；

2)本发明基于微波光子技术实现中频线性调频信号的上/下变频和去斜处理，大大提高了雷达系统的工作效率。

3)本发明微波光子全波段雷达中的光频梳产生器、光梳齿选择器、中频信号源以及雷达信号处理模块等都可以通过计算机软件远程控制，使得该雷达系统可一体化集成。

附图说明

图1为本发明微波光子全波段雷达的基本结构原理示意图；

图2为本发明微波光子全波段雷达一个优选实施例的基本结构示意图；

图3为具体实施例中二分二光耦合器输出端信号的光谱图；

图4为具体实施例中所得到的18-22GHz线性调频信号频谱图；

图5为具体实施例中雷达对双目标探测时，得到的中频信号归一化功率谱图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

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全波段雷达，以解决传统雷达工作波段固定难以调节的缺点。

具体而言，本发明的微波光子全波段雷达探测方法，用中频线性调频信号对频率为f_L的光载波进行抑制载波单边带调制，得到线性扫频一阶边带光信号；从频率分布为f_OC＝f_L±Nf_c的光频梳信号中选取单根梳齿信号与所述线性扫频一阶边带光信号合束，N＝0,1,2,3…L，L为正整数；将所得到的合束光信号转换为电信号后，以其作为雷达探测信号向目标发射；同时以所述合束光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频和去斜处理，得到携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。

本发明微波光子全波段雷达的基本结构如图1所示，其包括：光源、中频信号源、单边带电光调制器、光频梳产生器、光梳齿选择器、光合束器、第一光电探测器、发射天线、接收天线、去斜模块、雷达信号处理模块。如图1所示，通过单边带电光调制器对频率为f_L的光载波进行抑制载波的单边带调制，将中频信号源生成的中频线性调频信号调制于其上，得到线性扫频一阶边带光信号；光梳齿选择器从光频梳产生器所产生的频率分布为f_OC＝f_L±Nf_c(N＝0,1,2,3…L)的光频梳信号中选取单根梳齿信号，并通过光合束器与所述线性扫频一阶边带光信号进行合束；合束光信号经第一光电探测器转换为电信号，并以其作为雷达探测信号，通过发射天线辐射到目标所在的探测环境中；同时，去斜模块以所述合束光信号作为参考光信号，对接收天线所接收的目标反射电信号进行光域的变频和去斜处理，得到携带目标信息的中频信号；雷达信号处理模块对携带目标信息的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、位置等信息。

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。

所述光频梳产生器可通过锁模激光器、Fabry-Perot腔、电光调制器等实现，本发明优选通过电光调制器实现，电光调制器可以为马赫-曾德尔调制器，或相位调制器，或马赫-曾德尔调制器与相位调制器多级级联。

所述单边带电光调制器可利用偏分复用双平行马赫-曾德尔调制器或双平行马赫-曾德尔调制器等实现，本发明优选采用双平行马赫-曾德尔调制器，通过控制加载在双平行马赫-曾德尔调制器上中频线性调频信号的功率和相位，以及双平行马赫-曾德尔调制器的偏置电压，可使双平行马赫-曾德尔调制器工作在抑制载波单边带状态，输出只包含正/负一阶边带的线性调频光信号。

所述光梳齿选择器可利用光滤波器、光波束整形器等实现，本发明优选采用中心频率及带宽可调的光带通滤波器或可编程的光波束整形器。

所述光域的变频和去斜处理优选采用以下方法：将目标反射电信号调制于参考光信号上，然后对所得到的调制光信号进行光电转换和低通滤波。

图2显示了本发明微波光子全波段雷达的一个优选实施例。如图2所示，该雷达系统包括：1个激光器、1个一分二光耦合器、一个双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)、1个任意波形发生器、1个相位调制器、1个微波信号源、一个光滤波器、1个二分二光耦合器、1个马赫-曾德尔调制器、1个高频光电探测器、1个低频光电探测器、1个发射天线(TA)、1个接收天线(RA)、1个电功率放大器(EA)、1个低噪声放大器(LNA)、1个低通滤波器、和一个雷达信号处理模块。

首先，激光器产生频率为f_L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信号。上路光信号进入双平行马赫-曾德尔调制器，任意波形发生器产生一个中频线性调频连续波信号作为驱动信号，对进入双平行马赫-曾德尔调制器的光载波信号进行调制，中频线性调频连续波信号在单个周期内的瞬时频率可以表示为：

f_LFM(t)＝f_o+kt(-T/2≤t≤T/2)

其中f₀为中频线性调频连续波信号的载频，T为中频线性调频连续波信号的周期，k为调频斜率，等于B/T,B为中频线性调频连续波信号的带宽。通过控制偏置电压使双平行马赫-曾德尔调制器工作在抑制载波单边带状态，调制器输出只包含正一或负一阶边带，此边带信号与中频线性调频连续波信号同样是调频信号，当工作在正一阶边带状态时，其瞬时频率可以表示为：

f_LM1(t)＝f_L+f_o+kt(-T/2≤t≤T/2)

下路光信号进入相位调制器，微波信号源产生一个频率为f_c的单频信号调节通过相位调制器的光载波信号，选取合适的单频信号的功率，可以在相位调制器输出端得到光频梳，光频梳的频率分布可以表示为：

f_OC＝f_L±Nf_c(N＝0,1,2,3…L，L为正整数)

将该光频梳信号送入光带通滤波器选出一根光梳齿，假设该光梳齿的频率为f_L+Mf_c(M为绝对值小于等于L的整数)将所选出的这根光梳齿与上路双平行马赫-曾德尔调制器输出的一阶边带扫频光信号分别送入二分二光耦合器的两个输入端，则合起来的光信号可以表示为：

E_OC为单根光梳齿的电场幅度，E_1st为正一阶边带扫频光信号的电场幅度。将合起来的信号再分为上下两路。上路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：

f_T1(t)＝f_o+kt+Mf_c(-T/2≤t≤T/2)

选择合适的M即可以得到特定频段的线性调频连续波信号。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。下路光信号作为参考信号送入马赫曾德尔调制器，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后作为驱动信号在马赫-曾德尔调制器处调制输入的参考光信号。相对发射信号，接收信号有一个延时τ，其瞬时频率为f_o+k(t-τ)+Mf。参考光信号中主要包含两个频率分量，即一个梳齿信号和一个扫频信号，当接收信号将参考信号中两个频率分量作为载波进行调制时，则单根梳齿的一个一阶边带与信号中的扫频信号相距很近，同理扫频信号的一个一阶边带与单根梳齿相距很近，相距频率差都为kτ。将马赫-曾德尔调制器的输出光信号送入低频光电探测器完成光电转换及低通滤波后，即可得到中频电信号kτ，该过程即去斜处理。将该中频信号采样后，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、位置、速度等特定信息。

为了验证本发明技术方案的效果，进行了实验验证。实验中任意波形发生器产生一个时宽100μs，频率范围为2-6GHz的中频线性调频连续波信号作为双平行马赫-曾德尔调制器的射频驱动信号，调节工作状态，使双平行马赫-曾德尔调制器工作于抑制载波，保留正一价边带的工作状态。微波信号源产生一个频率为8GHz的单频信号调制相位调制器，从而产生一个频率间隔为8GHz的光频梳。通过光滤波器选出负二阶梳齿。然后通过二分二光耦合器将上述两路光信号合成一路，图3为二分二光耦合器输出的光谱图。将该信号送入高频光电探测器完成光电转换后，得到变频后的线性调频信号，图4为电频谱仪测到的频谱，可以看到信号频率变为18-22GHz，完成了上变频。实验中，探测目标为两个在雷达视线方向距离4cm的金属板。接收信号通过去斜处理后获得的中频信号归一化功率谱如图5所示，可以看到在200kHz附近的两个频率分量。

该实验充分验证了本发明技术方案所具有的优异效果，其不但可以实现中频线性调频信号的变频与去斜处理，同时可以实现多波段间的快速灵活调节，具有覆盖整个雷达工作波段的能力。

Claims (10)

1.微波光子全波段雷达探测方法，其特征在于，用中频线性调频信号对频率为f_L的光载波进行抑制载波单边带调制，得到线性扫频一阶边带光信号；从频率分布为f_OC＝f_L±Nf_c的光频梳信号中选取单根梳齿信号与所述线性扫频一阶边带光信号合束，N＝0,1,2,3···L，L为正整数，f_c为所述光频梳信号中相邻梳齿信号间的频率间隔；将所得到的合束光信号转换为电信号后，以其作为雷达探测信号向目标发射；同时以所述合束光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频和去斜处理，得到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，通过选取不同的单根梳齿信号改变所述雷达探测信号的工作频段。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光频梳信号的生成方法如下：以频率为f_c的单频信号对所述光载波的分束信号进行电光调制，得到所述光频梳信号。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，利用中心频率及带宽可调的光带通滤波器，或利用可编程的光波束整形器，从所述光频梳信号中选取单根梳齿信号。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光域的变频和去斜处理具体如下：将目标反射电信号调制于参考光信号，然后对所得到的调制光信号进行光电转换和低通滤波。

6.微波光子全波段雷达，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，用于生成频率为f_L的光载波；

单边带电光调制器，用于将所述中频线性调频信号抑制载波单边带调制于所述光载波，得到线性扫频一阶边带光信号；

光频梳产生器，用于产生频率分布为f_OC＝f_L±Nf_c的光频梳信号，N＝0,1,2,3···L，L为正整数，f_c为所述光频梳信号中相邻梳齿信号间的频率间隔；

光梳齿选择器，用于从光频梳信号中选取单根梳齿信号；

光合束器，用于将所选取的单根梳齿信号与所述线性扫频一阶边带光信号合束；

第一光电探测器，用于将所得到的合束光信号转换为电信号；

发射天线，用于以第一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，用于接收目标反射电信号；

去斜模块，用于以所述合束光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频和去斜处理，得到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所述微波光子全波段雷达，其特征在于，所述光梳齿选择器可选取不同的单根梳齿信号，从而改变所述雷达探测信号的工作频段。

8.如权利要求6所述微波光子全波段雷达，其特征在于，所述光频梳产生器包括：

微波信号源，用于产生频率为f_c的单频信号；

电光调制器，用于用所述单频信号对所述光载波的分束信号进行电光调制，从而得到所述光频梳信号。

9.如权利要求6所述微波光子全波段雷达，其特征在于，所述光梳齿选择器为中心频率及带宽可调的光带通滤波器，或为可编程的光波束整形器。

10.如权利要求6所述微波光子全波段雷达，其特征在于，所述去斜模块包括：

电光调制器，用于将目标反射电信号调制于参考光信号；

第二光电探测器，用于对所得到的调制光信号进行光电转换；

低通滤波器，用于对光电转换后的电信号进行低通滤波。

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