CN109375200A - 基于光子上变频的光载分布式雷达探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子上变频的光载分布式雷达探测方法。在中心站，用中频线性调频和单频本振信号对光载波进行调制，生成由只保留一侧一阶边带的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号；在远端探测单元，将组合调制光信号分为两路，一路进行光电转换后发射出去，并将接收的目标反射信号调制到另一路组合调制光信号上，得到光载接收信号，再将光载接收信号传回中心站；在中心站，对光载接收信号进行光电转换、模数转换、数字信号处理，得到目标探测信息。本发明还公开了一种基于光子上变频的光载分布式雷达探测装置。本发明具有大带宽、低损耗和工作波段灵活可调，结构简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式雷达探测方法，尤其涉及一种基于光子上变频的光载分布式雷达探测方法及装置。
背景技术
常见的目标探测系统包括激光雷达系统、可见光照相机监测、红外照相机监测和毫米波雷达系统等。其中，激光雷达系统、可见光照相机监测、红外照相机监测技术的探头需要光学窗口，监测范围小，且受天气和时段影响较大，尤其是夜晚、阴雨和下雪气候等，会造成监测系统分辨率下降，监测距离变短等结果。
毫米波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监测和高分辨率的成像，探测物体需要大带宽的发射信号以及快速的数字信号处理。传统雷达系统由于电子器件的带宽限制导致直接产生的信号只有几千兆赫兹(参见[P.Ghelfi,F.Laghezza,F.Scotti,G.Serafino,S.Pinna,D.Onori,E.Lazzeri,and A.Bogoni,“Photonics in radarsystems,”IEEE Microw.Mag.,16(8),74-83(2015).])，很难实现大带宽信号的产生、控制和处理。随着下一代雷达对更高载波频率、更大工作带宽等的需求也逐渐迫切，传统雷达很难满足未来应用的需求。
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、大宽带、低损耗和抗电磁干扰等优点，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,"MicrowavePhotonics,"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，能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.])。得益于微波光子技术的快速发展以及它大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，能够提供高频率、大带宽的任意波形产生，因此能很好地克服若干电子瓶颈问题，改善和提高传统雷达多项技术性能，成为下一代雷达的关键技术(参见[F.Zhang,Q.Guo,and S.Pan,“Photonics-based real-timeultra-high-range-resolution radar with broadband signal generation andprocessing,”Sci.Rep.,7,13848,(2017).])。
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，提供一种基于光子上变频的光载分布式雷达探测方法及装置，同时具有光子技术和微波雷达技术的优势，能够大大提高雷达系统的探测范围，优化雷达系统结构，且雷达系统工作波段灵活可调。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于光子上变频的光载分布式雷达探测方法，包括以下步骤：
在中心站，用一路中频线性调频信号和一路单频本振信号对光载波进行调制，生成由只保留一侧一阶边带的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号，并将所述组合调制光信号传输至当前选择的远端探测单元；
在当前选择的远端探测单元，将所述组合调制光信号分为两路，其中一路进行光电转换后作为探测信号发射出去，并将接收的目标反射信号调制到另一路组合调制光信号上，得到光载接收信号，再将光载接收信号传回中心站；
在中心站，对光载接收信号进行光电转换、模数转换，得到携带目标信息的数字信号，最后对所述数字信号进行处理，得到目标探测信息；
切换其它远端探测单元并重复以上过程，得到多个远端探测单元的目标探测信息。
优选地，利用工作于抑制载波单边带工作状态的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器生成所述组合调制光信号。
优选地，每个远端探测单元与中心站之间复用一根传输光纤进行信号传输。
优选地，所述中频线性调频信号和单频本振信号的参数独立可调。
优选地，利用光开关实现远端探测单元的切换。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于光子上变频的光载分布式雷达探测装置，包括中心站，分别通过传输光纤与中心站连接的多个远端探测单元，以及用于实现中心站与远端探测单元选择性连通的选择单元；
所述中心站包括：
光子上变频模块，用于用一路中频线性调频信号和一路单频本振信号对光载波进行调制，生成由只保留一侧一阶边带的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号；
低频光电探测器，用于对远端探测单元所传回的光载接收信号进行光电转换；
信号采集处理模块，用于对低频光电探测器输出的电信号进行模数转换，并对所得到的携带目标信息的数字信号进行处理，得到目标探测信息；
所述远端探测单元包括：
光耦合器，用于将中心站发送的组合调制光信号分为两路；
光电发射模块，用于将其中一路组合调制光信号进行光电转换后作为探测信号发射出去；
电光接收模块，用于接收目标反射信号并将其调制到另一路组合调制光信号上，得到光载接收信号，再将光载接收信号传回中心站。
优选地，所述光子上变频模块包括级联的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器、检偏器。
优选地，每个远端探测单元与中心站之间复用一根传输光纤进行信号传输。
优选地，所述中频线性调频信号和单频本振信号的参数独立可调。
优选地，所述选择单元为光开关。
相比现有技术，本发明技术方案及其优选技术方案具有以下有益效果：
1)本发明利用基于光子上变频技术的信号产生方案，能够产生高频段、可调谐的线性调频信号，并且通过去斜处理的方法优化雷达系统结构，大大提高了雷达系统的性能；
2)本发明采用一个中心站和多个远端探测单元的分布式雷达系统结构，能够提高目标监测范围，通过光开关可以实现监测区域快速切换。
3)本发明采用收发复用传输结构，即中心站和某一个远端探测单元之间只需单路光纤进行光信号收发传输，该方案能够简化该雷达系统，结构简单。
附图说明
图1为本发明光载分布式雷达探测装置一个优选实施例的结构原理示意图。
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结合毫米波雷达的分布式结构实现大的雷达探测范围，且雷达工作波段灵活可调，以克服传统雷达目标探测能力受限的问题。
具体而言，本发明基于光子上变频的光载分布式雷达探测方法，包括以下步骤：
在中心站，用一路中频线性调频信号和一路单频本振信号对光载波进行调制，生成由只保留一侧一阶边带的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号，并将所述组合调制光信号传输至当前选择的远端探测单元；
在当前选择的远端探测单元，将所述组合调制光信号分为两路，其中一路进行光电转换后作为探测信号发射出去，并将接收的目标反射信号调制到另一路组合调制光信号上，得到光载接收信号，再将光载接收信号传回中心站；
在中心站，对光载接收信号进行光电转换、模数转换，得到携带目标信息的数字信号，最后对所述数字信号进行处理，得到目标探测信息；
切换其它远端探测单元并重复以上过程，得到多个远端探测单元的目标探测信息。
本发明基于光子上变频的光载分布式雷达探测装置，包括中心站，分别通过传输光纤与中心站连接的多个远端探测单元，以及用于实现中心站与远端探测单元选择性连通的选择单元；
所述中心站包括：
光子上变频模块，用于用一路中频线性调频信号和一路单频本振信号对光载波进行调制，生成由只保留一侧一阶边带的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号；
低频光电探测器，用于对远端探测单元所传回的光载接收信号进行光电转换；信号采集处理模块，用于对低频光电探测器输出的电信号进行模数转换，并对所得到的携带目标信息的数字信号进行处理，得到目标探测信息；
所述远端探测单元包括：
光耦合器，用于将中心站发送的组合调制光信号分为两路；
光电发射模块，用于将其中一路组合调制光信号进行光电转换后作为探测信号发射出去；
电光接收模块，用于接收目标反射信号并将其调制到另一路组合调制光信号上，得到光载接收信号，再将光载接收信号传回中心站。
为了便于公众理解，下面以一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本实施例的光载分布式雷达探测装置包括：
中心站：1个激光器、1个偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器(PM-DPMZM)、1个检偏器、2个光开关、2个光环形器、1个低频光电探测器、模数转换模块(ADC)和信号处理模块。
N个远端探测单元，每个远端探测单元包括：1个光环形器、1个光耦合器、1个光电探测器、1个电光调制器、1个电放大器(PA)、1个低相噪电放大器(LNA)、1个发射天线(Tr)和1个接收天线(Re)。
激光器产生的直流光进入偏振复用双平行马赫曾德尔调制器(PM-DPMZM)上进行调制，通过直接数字频率合成器和射频信号发生器分别产生的中频线性调频信号LFM和单频本振信号LO(频率为f0)同时驱动PM-DPMZM，其中中频线性调频信号的瞬时频率可以表示为：
fIF(t)＝u+kt(0≤t≤T)
其中u为起始频率，T为中频线性调频信号的时宽，k为其啁啾率。
然后通过调节适当的偏置点使PM-DPMZM中的两个DPMZM都工作在抑制载波单边带工作状态，调制器输出由只保留一侧一阶边带(本实施例中为正一阶边带)的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带(本实施例中为负一阶边带)的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号，检偏器用于调整从偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器输出的组合调制光信号的偏振态；调制器输出的组合调制光信号经过光开关输入到某个远端探测单元，通过光耦合器被分成两个支路；其中一个支路的光信号经过光电转换后可以得到线性调频信号的上变频电信号，且上变频后的线性调频信号带宽为原来线性调频信号和单频本振信号之和，其中上变频后的线性调频信号的瞬时频率可以表示为：
f(t)＝u+kt+f0(0≤t≤T)
上变频后的线性调频信号经过电放大器PA放大后进入发射天线Tr；接收天线Re接收携带目标反射信号的电信号；目标反射信号的电信号经低噪电放大LNA后输入到电光调制器中对光耦合器输出的另一个支路的光信号进行调制，然后输出的调制光信号经过光环形器和另一个光开关后输入到低频光电探测器中，需要注意的是这里的光开关和发射端检偏器后的光开关具有相同的特性；光信号通过低频光电探测器转换为电信号，然后经过模数转换器转换后得到包含探测目标信息的数字信号；将这些信号送入数字信号处理模块中进行处理，最终得到目标探测的结果。通过光开关切换远端探测单元，从而可快速灵活地实现选择性的探测不同区域的目标信息。
本实施例中，所述中频线性调频信号和单频本振信号的参数独立可调，从而可以实现光子上变频后的线性调频信号频段的连续调谐。
Claims (10)
1.基于光子上变频的光载分布式雷达探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在中心站，用一路中频线性调频信号和一路单频本振信号对光载波进行调制，生成由只保留一侧一阶边带的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号，并将所述组合调制光信号传输至当前选择的远端探测单元；
在当前选择的远端探测单元，将所述组合调制光信号分为两路，其中一路进行光电转换后作为探测信号发射出去，并将接收的目标反射信号调制到另一路组合调制光信号上，得到光载接收信号，再将光载接收信号传回中心站；
在中心站，对光载接收信号进行光电转换、模数转换，得到携带目标信息的数字信号，最后对所述数字信号进行处理，得到目标探测信息；
切换其它远端探测单元并重复以上过程，得到多个远端探测单元的目标探测信息。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，利用工作于抑制载波单边带工作状态的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器生成所述组合调制光信号。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，每个远端探测单元与中心站之间复用一根传输光纤进行信号传输。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述中频线性调频信号和单频本振信号的参数独立可调。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，利用光开关实现远端探测单元的切换。
6.基于光子上变频的光载分布式雷达探测装置，其特征在于，包括中心站，分别通过传输光纤与中心站连接的多个远端探测单元，以及用于实现中心站与远端探测单元选择性连通的选择单元；
所述中心站包括：
光子上变频模块，用于用一路中频线性调频信号和一路单频本振信号对光载波进行调制，生成由只保留一侧一阶边带的中频线性调频调制光信号和只保留另一侧一阶边带的单频本振调制光信号所组成的组合调制光信号；
低频光电探测器，用于对远端探测单元所传回的光载接收信号进行光电转换；
信号采集处理模块，用于对低频光电探测器输出的电信号进行模数转换，并对所得到的携带目标信息的数字信号进行处理，得到目标探测信息；
所述远端探测单元包括：
光耦合器，用于将中心站发送的组合调制光信号分为两路；
光电发射模块，用于将其中一路组合调制光信号进行光电转换后作为探测信号发射出去；
电光接收模块，用于接收目标反射信号并将其调制到另一路组合调制光信号上，得到光载接收信号，再将光载接收信号传回中心站。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述光子上变频模块包括级联的偏分复用-双平行马赫曾德尔调制器、检偏器。
8.如权利要求6所述装置，其特征在于，每个远端探测单元与中心站之间复用一根传输光纤进行信号传输。
9.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述中频线性调频信号和单频本振信号的参数独立可调。
10.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述选择单元为光开关。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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