CN108988955B - 基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法、装置 - Google Patents

基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法，将低频电信号调制于由多路波长不同的光载波所组合成的一束光载波组，生成包含多路光载电信号的调制光信号，将所述调制光信号分为两路，以其中一路生成宽带的射频探测信号；为另一路调制光信号中的每路光载电信号赋予不同的延时后，分别以每路光载电信号作为光参考信号对雷达回波进行光域正交去斜处理，得到多组同相和正交的低频去斜信号；将所述多组低频去斜信号进行融合，完成对各组去斜信号对应探测范围的拼接。本发明还公开了一种基于多路光参考信号的微波光子雷达探测装置。本发明可利用低成本的低速光电转换与数字接收模块实现微波光子雷达探测范围的大幅扩展。

Description

基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法、装置
技术领域
本发明涉及一种微波光子雷达探测方法，尤其涉及一种基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法、装置。
背景技术
微波光子雷达是一种新体制微波雷达。它通过电光、光电转换将经典雷达射频前端中的宽带波形产生、信号倍频、上下变频、幅度相位延时控制等功能转到光域实现，可使光子技术承载带宽大、传输损耗低、抗电磁干扰等诸多优点融合进雷达射频前端。由于能够突破现有电子射频前端的发展瓶颈，微波光子雷达是实现雷达收发机瞬时带宽拓展的一种重要技术途径，在反隐身、低截获、高分辨成像等宽带雷达系统中具有广阔的应用前景。
在目前报道的多种微波光子雷达收发机结构中，光域去斜接收是一类较为成熟的方案。这类方案将雷达接收到的宽带回波与参考宽带信号混频，即进行去斜处理。这样，回波信号的带宽被大幅压缩，用低速数字接收模块即可处理。在这类方案中，去斜所得信号的频率与回波和参考信号间的时间差成正比。这意味着，光电探测器的响应带宽和低速数字接收模块的处理带宽决定了此类雷达有效探测距离最大值和最小值的差，即探测范围。若要实现探测范围的拓展，系统需要采用带宽更大的光电探测器，以及速率更高的数字接收模块，这将显著增加系统的成本，并可能需要在接收灵敏度和信号模数转化位数等指标上进行权衡。另一方面，更大的探测范围将增大回波与单一参考信号间的相对延时，加剧两信号间的包络错位。这将缩小有效的信号带宽，导致雷达距离分辨率的恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有去斜接收型微波光子雷达所存在的不足，提供一种基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法，可利用低成本的低速光电转换与数字接收模块实现微波光子雷达探测范围的大幅扩展。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法，将低频电信号调制于由多路波长不同的光载波所组合成的一束光载波组，生成包含多路光载电信号的调制光信号，将所述调制光信号分为两路，以其中一路生成宽带的射频探测信号；为另一路调制光信号中的每路光载电信号赋予不同的延时后，分别以每路光载电信号作为光参考信号对雷达回波进行光域正交去斜处理，得到多组同相和正交的低频去斜信号；将所述多组低频去斜信号进行融合，完成对各组去斜信号对应探测范围的拼接。
优选地，所述光域正交去斜处理具体如下：利用偏分复用马赫曾德尔调制器的其中一个偏振态的子调制器将雷达回波调制于光参考信号上，并令该子调制器偏置在最小传输点，同时令偏分复用马赫曾德尔调制器的另一个偏振态的子调制器偏置于最大传输点，并将该子调制器调制端口空置，得到多路双偏振光载回波信号；对每一路双偏振光载回波信号，利用偏振分束器将其中两个偏振态上的信号分开，然后分别送入90°光混合耦合器的两个输入端口，最后对90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
进一步地，在光域正交去斜处理过程中，通过波分复用的方式，使用一个偏分复用马赫曾德尔调制器同时实现对多路光参考信号的调制。
优选地，所述光域正交去斜处理具体如下：将雷达回波分别电光调制于组成所述光载波组的每一路光载波上，得到多路光载回波信号；对每一路光载回波信号，将其与相对应的光参考信号分别送入90°光混合耦合器的两个输入端口，并对90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
进一步地，在光域正交去斜处理过程中，通过波分复用的方式，使用一个电光调制器同时实现对多路光载波的电光调制。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于多路光参考信号的微波光子雷达探测装置，包括：
探测信号与多路光参考信号产生模块，用于将低频电信号调制于由多路波长不同的光载波所组合成的一束光载波组，生成包含多路光载电信号的调制光信号，将所述调制光信号分为两路，以其中一路生成宽带的射频探测信号；
光参考信号延时模块，用于为探测信号与多路光参考信号产生模块所输出另一路调制光信号中的每路光载电信号赋予不同的延时；
光域回波正交去斜处理模块，用于分别以每路光载电信号作为光参考信号对雷达回波进行光域正交去斜处理，得到多组同相和正交的低频去斜信号；
多通道数字接收与处理模块，用于将所述多组低频去斜信号进行融合，完成对各组去斜信号对应探测范围的拼接。
作为其中一个优选方案，所述光域回波正交去斜处理模块包括：
至少一个偏分复用马赫曾德尔调制器，用于得到多路双偏振光载回波信号，其一个偏振态的子调制器偏置在最小传输点，用于将雷达回波调制于光参考信号上，另一个偏振态的子调制器偏置于最大传输点且该子调制器调制端口空置；
多个偏振分束器，其与多路双偏振光载回波信号一一对应，用于将所对应双偏振光载回波信号中两个偏振态上的信号分开；
多个90°光混合耦合器，其与偏振分束器一一对应，每个90°光混合耦合器的两个输入端口分别连接其所对应偏振分束器的两个输出端口；
多对平衡光电探测器，每一对平衡光电探测器对应一个90°光混合耦合器，用于对所对应90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
进一步优选地，所述光域回波正交去斜处理模块通过波分复用的方式，使用一个偏分复用马赫曾德尔调制器同时实现对多路光参考信号的调制。
作为另一个优选方案，所述光域回波正交去斜处理模块包括：
至少一个电光调制器，用于将雷达回波分别电光调制于组成所述光载波组的每一路光载波上，得到多路光载回波信号；
多个90°光混合耦合器，其与多路光载回波信号一一对应，每个90°光混合耦合器的两个输入端口分别连接一路光载回波信号和该光载回波信号所对应的光参考信号；
多对平衡光电探测器，每一对平衡光电探测器对应一个90°光混合耦合器，用于对所对应90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
进一步优选地，所述光域回波正交去斜处理模块通过波分复用的方式，使用一个电光调制器同时实现对多路光载波的电光调制。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1、相对于现有的微波光子雷达收发机，本发明可在光电探测带宽和数字接收机速率一定的情况下成倍拓展系统的探测范围，并可通过降低脉冲包络间的延时错位增大有效带宽，有助于实现更高的距离分辨；
2、与电域的去斜接收机探测范围拓展方案相比，本发明在光域完成了回波信号的去斜与分路，可处理瞬时带宽更大的雷达信号。
附图说明
图1为本发明微波光子雷达探测装置第一个优选实施例的结构原理示意图；
图2为本发明微波光子雷达探测装置第二个优选实施例的结构原理图；
图3为信号经正交去斜处理与低通滤波后的频率关系示意图。
具体实施方式
本发明的发明思路是对现有的去斜接收型微波光子雷达进行改进，利用光域的并行处理自由度，生成多个参考信号，并将多个低速数字接收模块有效并联，以实现低成本、高性能、大探测范围的宽带微波探测。
具体而言，基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法，将低频电信号调制于由多路波长不同的光载波所组合成的一束光载波组，生成包含多路光载电信号的调制光信号，将所述调制光信号分为两路，以其中一路生成宽带的射频探测信号；为另一路调制光信号中的每路光载电信号赋予不同的延时后，分别以每路光载电信号作为光参考信号对雷达回波进行光域正交去斜处理，得到多组同相和正交的低频去斜信号；将所述多组低频去斜信号进行融合，完成对各组去斜信号对应探测范围的拼接。
本发明基于多路光参考信号的微波光子雷达探测装置，包括：
探测信号与多路光参考信号产生模块，用于将低频电信号调制于由多路波长不同的光载波所组合成的一束光载波组，生成包含多路光载电信号的调制光信号，将所述调制光信号分为两路，以其中一路生成宽带的射频探测信号；
光参考信号延时模块，用于为探测信号与多路光参考信号产生模块所输出另一路调制光信号中的每路光载电信号赋予不同的延时；
光域回波正交去斜处理模块，用于分别以每路光载电信号作为光参考信号对雷达回波进行光域正交去斜处理，得到多组同相和正交的低频去斜信号；
多通道数字接收与处理模块，用于将所述多组低频去斜信号进行融合，完成对各组去斜信号对应探测范围的拼接。
为了便于公众理解，下面以两个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
第一个优选实施例如图1所示，其探测信号与多路光参考信号产生模块可将低频电信号4倍频。如图1所示，该方案包括：多个激光器、波分复用器、低频电信号源、90°微波电桥、双平行马赫曾德尔调制器、高速光电探测器、1×2光耦合器、光带通滤波器、波分解复用器、多段长度不同的光延时线、偏分复用马赫曾德尔调制器、多个偏振分束器、多个90°光混合耦合器、多个低速平衡光电探测器、多个低通电滤波器和多通道数字接收与处理模块。其原理如下：
首先，由数个激光器分别产生波长不同的光载波，设第i路光载波的中心频率为fc,i，则第i路光载波可表示为：
Ec,i(t)＝exp(j2πfc,it) (1)
n路不同频率的光载波信号进入波分复用器合成一路信号。下面由双平行马赫曾德尔调制器对光载波进行调制，双平行马赫曾德尔调制器的两个调制端口分别接收来自基带信号发生模块产生的，经过90°微波电桥后产生的两路相差为90°的线性调频信号：
SI(t)＝cos(2πfet+πkt2) (2)
SQ(t)＝sin(2πfet+πkt2)(3)
其中fe为线性调频信号的中心频率，k为调频斜率，不妨设k>0。调节直流偏压，使得双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器都偏置于最大点，其合成臂偏置于最小点，则调制器输出信号中的载波分量和正负1阶调制分量都被抑制，而正负2阶调制分量得到增强。经过调制器后的信号为：
调制器输出的信号即为包含多路光载电信号的调制光信号。用光耦合器将此信号分为两路。将其中一路信号送入光带通滤波器以提取其中的第p路已调光载波，则经过光电转换及功率放大后即可得到发射用的探测波形，即(2)式和(3)式中的低频电信号的四倍频信号：
光耦合器的另一路输出经波分解复用后将不同光载电信号分离。利用多条步进长度的光延时线使分离后的每路光载电信号分别经过不同的延时，即得到多路参考延时零点不同的光参考信号：
其中
表示经过延时后产生的频率无关的相位附加项；τi表示第i路光载波所经历的延时，且有
τi+1-τi＝Δτ (8)
即相邻通道间的延时差为一定值。将多路光参考信号通过波分复用合为一路作为接收机电光转换的光载波。
假设探测目标为单一点目标，则在接收端，天线接收到的信号可表示为：
其中，Δt表示回波信号的延迟，表示与频率无关的相位附加项，η表示回波信号的强度。接收的信号经过低噪声放大器后被送入偏分复用马赫曾德尔调制器。在X(或Y，此处以X为例)偏振态的子调制器上用回波信号调制波分复用后的多个光参考信号，并调节直流偏压，使得调制器偏置在最小点处。则X偏振态上的调制器输出信号可以如下表示：
同时，将Y偏振态上的子调制器偏置于最大传输点，并将调制端口空置，则Y偏振态上的调制器输出信号可表示为：
由多输出光滤波器去除第i路双偏振光载回波信号在fc,i-2fe(或fc,i+2fe，此处以fc,i-2fe为例)周围的分量，同时实现信号的波分解复用，则可对多路信号进行并行处理。以第i路信号为例，利用偏振分束器将两个偏振态上的信号分开，有：
两路信号分别进入90°光混合耦合器中。90°光混合耦合器可以为光信号提供0°、180°、90°、-90°的相移，其输出可表示为：
将E1,i(t)、E2,i(t)和E3,i(t)、E4,i(t)分别送入两个平衡光电探测器中。则经过光电转换后分别形成的同相信号SIR,i(t)与正交信号SQR,i(t)可以如下表示：
将采样后的同相信号和正交信号分别作为复数信号的实部和虚部，则可通过数字接收与处理模块中的叠加得到对应的复数中频信号：
可见，(15)式的结果为以-4k(τi-Δt)为频率的复数单音信号。当光电探测器和数字接收与处理模块的带宽限制为fcut时，该通道支持的雷达探测范围是
其中c为探测环境下的电磁波传播速度。结合(8)式，当相邻通道间的延时差Δτ满足
时，综合分析来自多通道的中频信号即可实现无空隙的雷达探测范围拓展。
图2显示了第二个优选实施例的基本结构，其包括：多个单频激光器、马赫曾德尔调制器、光耦合器、低频电信号源、波分复用解复用器、波分复用器、多个90度光混合耦合器、高速光电探测器、多个低速平衡光电探测器、以及多通道数字接收与处理模块。
首先，在探测信号与多路光参考信号产生模块中，多个激光源产生的多路波长各不相同的光载波经波分复用器合为一路，并由光耦合器1分为上下两路光载波信号组。以低频电信号源产生的低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的上路光载波信号组进行电光调制。低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) (18)
其中f为低频线性调频信号的中心频率，T为低频线性调频信号的脉冲宽度，k＝B/T为调频斜率，B为低频线性调频信号的带宽。通过控制偏置电压使马赫曾德尔调制器1工作在最大偏置点，调制器输出的已调光信号的光谱主要由各光载波及与各光载波对应的正负二阶双侧调制边带构成。用光耦合器2将此已调光信号也分成上下两路。将下路已调信号送入光参考信号延时模块中，利用波分复用解复用器去除各光载波及与之对应的负二或正二阶单侧调制边带，并将剩余的各正二或负二阶单侧调制边带分成多路，再为每路引入不同的延时，得到多路参考距离0点不同的光参考信号。而上路已调光信号被送入光电探测器完成光电转换。转换后射频信号的瞬时频率可以表示为：
fLFM2(t)＝2f+2kt(-T/2＜t＜T/2) (19)
其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。
发射到环境中的信号遇到探测目标后发生反射形成目标回波信号。回波信号由接收天线接收并放大后，通过光域正交去斜处理模块中的马赫曾德尔调制器2对光耦合器1输出的下路光载波信号组进行调制，得到包含各光载波及与之对应的各一阶边带的调制光信号，再通过波分复用解复用器将此调制光信号分成多路，每路均包含不同的光载波即与之对应的一阶调制边带，得到多路光载回波信号。对于单个点目标，雷达回波信号相对第n路光参考信号有一个延时τn，其瞬时频率可以表示为2f+2k(t-τn)。将第n路光参考信号与第n路光载回波信号送入第n个光90度耦合器的两个输入端。光90度耦合器的两对差分输出中的有效光谱分量是光参考信号中的正(或负)二阶调制边带和光载回波信号的正(或负)一阶调制边带。经低速平衡光电探测器后，第n路光参考信号与第n路光载回波信号可得到两路频率为2kτn，相位相差90度的第n组正交去斜信号，即完成了正交解调。利用多通道数字接收与处理模块将各组正交去斜信号进行模数转换与融合处理，即可实现雷达探测范围的拓展，并可在更大的探测范围内分析目标的距离、速度、图像等特定信息。
需要说明的是，以上两个优选实施例中，均通过波分复用的方式，利用一个调制器同时实现对多路光参考信号/光载波的调制，以减少所需部件，降低系统实现成本。显然，也可以利用多个调制器分别对每一路光参考信号/光载波进行调制。
下面以最简单的两个参考信号为例来说明参考信号、回波信号和去斜后所得复信号的频谱关系。如图3所示，在有两个回波信号的情况下，两个回波信号与两个参考信号拍频可以得到Δf11、Δf12、Δf21、Δf22(下标规则：回波信号在前，基准信号在后)四个不同的频率分量。由于去斜所得信号已变为复数形式，因此当k>0时，若回波信号超前于参考信号，去斜接收到的频率为负；若回波信号滞后于参考信号，去斜接收到的频率为正，二者不会发生模糊。由图3可知，当参考信号2不存在时，回波信号2经参考信号1处理后得到的信号频率Δf21高于fcut，无法被接收。而引入参考信号2后，由于回波信号2与参考信号2的相对延时差较小，去斜所得信号的频率满足|Δf22|＜fcut，可以被光电探测器和数字接收与处理模块捕获，即实现了雷达探测范围的拓展。

Claims (10)

1.基于多路光参考信号的微波光子雷达探测方法，其特征在于，将低频电信号调制于由多路波长不同的光载波所组合成的一束光载波组，生成包含多路光载电信号的调制光信号，将所述调制光信号分为两路，以其中一路生成宽带的射频探测信号；为另一路调制光信号中的每路光载电信号赋予不同的延时后，分别以每路光载电信号作为光参考信号对雷达回波进行光域正交去斜处理，得到多组同相和正交的低频去斜信号；将所述多组低频去斜信号进行融合，完成对各组去斜信号对应探测范围的拼接。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光域正交去斜处理具体如下：利用偏分复用马赫曾德尔调制器的其中一个偏振态的子调制器将雷达回波调制于光参考信号上，并令该子调制器偏置在最小传输点，同时令偏分复用马赫曾德尔调制器的另一个偏振态的子调制器偏置于最大传输点，并将该子调制器调制端口空置，得到多路双偏振光载回波信号；对每一路双偏振光载回波信号，利用偏振分束器将其中两个偏振态上的信号分开，然后分别送入90°光混合耦合器的两个输入端口，最后对90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，在光域正交去斜处理过程中，通过波分复用的方式，使用一个偏分复用马赫曾德尔调制器同时实现对多路光参考信号的调制。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光域正交去斜处理具体如下：将雷达回波分别电光调制于组成所述光载波组的每一路光载波上，得到多路光载回波信号；对每一路光载回波信号，将其与相对应的光参考信号分别送入90°光混合耦合器的两个输入端口，并对90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，在光域正交去斜处理过程中，通过波分复用的方式，使用一个电光调制器同时实现对多路光载波的电光调制。
6.基于多路光参考信号的微波光子雷达探测装置，其特征在于，包括：
探测信号与多路光参考信号产生模块，用于将低频电信号调制于由多路波长不同的光载波所组合成的一束光载波组，生成包含多路光载电信号的调制光信号，将所述调制光信号分为两路，以其中一路生成宽带的射频探测信号；
光参考信号延时模块，用于为探测信号与多路光参考信号产生模块所输出另一路调制光信号中的每路光载电信号赋予不同的延时；
光域回波正交去斜处理模块，用于分别以每路光载电信号作为光参考信号对雷达回波进行光域正交去斜处理，得到多组同相和正交的低频去斜信号；
多通道数字接收与处理模块，用于将所述多组低频去斜信号进行融合，完成对各组去斜信号对应探测范围的拼接。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述光域回波正交去斜处理模块包括：
至少一个偏分复用马赫曾德尔调制器，用于得到多路双偏振光载回波信号，其一个偏振态的子调制器偏置在最小传输点，用于将雷达回波调制于光参考信号上，另一个偏振态的子调制器偏置于最大传输点且该子调制器调制端口空置；
多个偏振分束器，其与多路双偏振光载回波信号一一对应，用于将所对应双偏振光载回波信号中两个偏振态上的信号分开；
多个90°光混合耦合器，其与偏振分束器一一对应，每个90°光混合耦合器的两个输入端口分别连接其所对应偏振分束器的两个输出端口；
多对平衡光电探测器，每一对平衡光电探测器对应一个90°光混合耦合器，用于对所对应90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述光域回波正交去斜处理模块通过波分复用的方式，使用一个偏分复用马赫曾德尔调制器同时实现对多路光参考信号的调制。
9.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述光域回波正交去斜处理模块包括：
至少一个电光调制器，用于将雷达回波分别电光调制于组成所述光载波组的每一路光载波上，得到多路光载回波信号；
多个90°光混合耦合器，其与多路光载回波信号一一对应，每个90°光混合耦合器的两个输入端口分别连接一路光载回波信号和该光载回波信号所对应的光参考信号；
多对平衡光电探测器，每一对平衡光电探测器对应一个90°光混合耦合器，用于对所对应90°光混合耦合器的两对差分输出信号分别进行平衡光电探测，得到同相和正交的一对低频去斜信号。
10.如权利要求9所述装置，其特征在于，所述光域回波正交去斜处理模块通过波分复用的方式，使用一个电光调制器同时实现对多路光载波的电光调制。
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