CN109387833A - 基于微波光子正交差频复用的mimo雷达探测方法及装置 - Google Patents

基于微波光子正交差频复用的mimo雷达探测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达探测方法，在发射端，生成M路光载波和M路中频线性调频信号及频率间隔VfBF的M路本振信号；通过光子上变频生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和本振信号的M路调制光信号；对M路调制光信号分别进行光电转换后通过M个发射天线分别发射出去；在接收端，利用N个接收天线分别接收目标的M路反射信号，并分别进行光域去斜处理，然后经过数字域混频处理后，得到M×N路携带目标信息的数字信号，对此数字信号进行处理，得到目标探测结果。本发明还公开了基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达探测装置。本发明能够大大提高雷达系统的频带利用率和方位向分辨率，降低了对采样速率的要求。

Description

基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达探测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种雷达探测方法，尤其涉及一种采用光子辅助技术的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)雷达探测方法及装置。
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。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 radar systems,”IEEEMicrow.Mag.,16(8),74-83(2015).])，很难实现大带宽信号的产生、控制和处理(参见[F.Scotti,F.Laghezza,P.Ghelfi,A.Bogoni,"Multi-band software-defined coherentradar based on a single photonic transceiver",IEEE Trans.Microwave TheoryTech.,vol.63,no.2,pp.546-552,2015.])。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。
多输入多输出(MIMO)雷达是一种新型雷达技术，采用多输入多输出的阵列配置，可以得到更加全面的目标散射信息，从而提高雷达系统的目标探测能力。但是MIMO雷达同样受限于电子器件的带宽，难以实现高分辨率的探测。另一方面，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。
微波光子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,"Microwavephotonics:The programmable processor,"Nature Photonics,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 real-timeinverse synthetic aperture imaging,"Optics Express,vol.25,no.14,pp.16274-16281,2013.])
综上可知，有必要考虑将微波光子技术与MIMO雷达技术相结合，以结合两者的优势，进而大幅提高雷达系统的频带利用率和方位向分辨率，降低对采样速率的要求。然而目前尚未发现有此类技术被公开。
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正交差频复用的MIMO雷达探测方法，同时具有光子技术和MIMO雷达技术的优势，能够大大提高雷达系统的频带利用率和方位向分辨率，降低了对采样速率的要求。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达探测方法，
在发射端，生成频率各不相同且相邻频率间隔为定值VfBF的M路本振信号，并将光载波和中频线性调频信号分别分为与M路本振信号一一对应的M路；将每一路本振信号和对应的中频线性调频信号调制于对应的光载波上，生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和一阶单边带本振信号的M路调制光信号；将其中一路调制光信号的分束调制光信号分成N路参考光信号；对M路调制光信号分别进行光电转换后得到M路相互正交的上变频线性调频信号，将其通过M个发射天线分别发射出去；
在接收端，利用N个接收天线分别接收目标的M路反射信号，并基于所述N路参考光信号，对N个接收天线所接收的反射信号分别进行光域去斜处理，然后经过数字域混频处理后，得到M×N路携带目标信息的数字信号，对此数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述M、N均为正整数，且两者之和大于等于4；本振信号的频率间隔VfBF大于最大探测距离对应的去斜信号频率。
优选地，所述光域去斜处理具体为：将每个接收天线所接收的目标的M路反射信号分别调制于一路参考光信号上，然后分别经过光电转换及低通滤波后，得到N路低频去斜信号，每路去斜信号包含M个频率差为VfBF的携带目标信息的频率分量。
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与检偏器级联，将每一路本振信号和对应的中频线性调频信号调制于对应的光载波上，生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和一阶单边带本振信号的调制光信号。
优选地，VfBF满足下式：
其中Rmax为雷达最大探测距离，c为光速，k为所述中频线性调频信号的啁啾率。
优选地，通过M-1个可调光纤延时线实现M路调制光信号的相对延时精准匹配调节。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达装置，包括发射端和接收端，
所述发射端包括：
信号生成模块，用于生成频率各不相同且相邻频率间隔为定值VfBF的M路本振信号，并将光载波和中频线性调频信号分别分为与M路本振信号一一对应的M路；
M个光子上变频模块，用于将每一路本振信号和对应的中频线性调频信号调制于对应的光载波上，生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和一阶单边带本振信号的M路调制光信号，然后对M路调制光信号分别进行光电转换后得到M路相互正交的上变频线性调频信号；
M个发射天线，用于将M路相互正交的上变频线性调频信号分别发射出去；
参考光模块，用于将其中一路调制光信号的分束调制光信号分成N路参考光信号；
所述接收端包括：
N个接收天线，用于接收目标的M路反射信号；
N个光域去斜模块，用于基于所述N路参考光信号，对N个接收天线所接收的反射信号分别进行光域去斜处理，并对所得到信号进行数字域混频处理，得到M×N路携带目标信息的数字信号；
信号采集及处理单元，用于对所述数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述M、N均为正整数，且两者之和大于等于4；本振信号的频率间隔VfBF大于最大探测距离对应的去斜信号频率。
优选地，所述光域去斜模块包括依次级联的电光调制器、光电探测器、低通滤波器，所述电光调制器的光输入端和微波输入端分别接一路参考光信号和一个接收天线所接收的信号。所述电光调制器可以为马赫曾德尔调制器、或相位调制器、或强度调制器等。
优选地，所述光子上变频模块由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与检偏器级联而成。
优选地，VfBF满足下式：
其中Rmax为雷达最大探测距离，c为光速，k为所述中频线性调频信号的啁啾率。
优选地，通过M-1个可调光纤延时线实现M路调制光信号的相对延时精准匹配调节。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)本发明的信号发射部分利用基于光子上变频技术的信号产生方案，能够产生相互正交的高频段、宽带、可调谐的线性调频雷达信号，信号接收部分，单个光接收通道即可同时实现多路宽带高频回波信号的接收去斜处理，通过数字混频技术实现信号的分离，既降低了系统复杂度也避免了系统对高数据采样速率的要求。
2)本发明采用差频复用的MIMO雷达结构，可以提高系统频带利用率；以及获得远多于实际收发阵元数目的数据通道以及系统自由度，同等条件下可在较短的测量时间内实现高的雷达方位分辨率。
3)本发明在光域实现M路调制光信号的相对延时精准匹配调节，保证各通道间的延时精确控制。
附图说明
图1为本发明MIMO雷达装置的原理框图；
图2为本发明MIMO雷达装置一个具体实施例的结构示意图；
图3为第1路发射天线与第1路接收天线的信号时频示意图；
图4为第1个去斜模块输出的频谱示意图。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的思路是基于光子上变频技术产生高频段、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，同时利用差频复用的方式实现传输信号的正交并应用于微波光子MIMO雷达系统，实现频带利用率的提升和方位向分辨率，降低对采样速率的要求。
本发明基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达装置，如图1所示，包括发射端和接收端。
在发射端，将激光源输出的光载波分为M路，通过M个光子上变频模块，将同一路中频线性调频信号分成M路后与频率各不相同且相邻频率间隔为定值VfBF的M路本振信号调制到M路光载波上，生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和一阶单边带本振信号的M路调制光信号，然后对M路调制光信号分别进行光电转换后得到M路相互正交的上变频线性调频信号，最后通过M个发射天线分别发射出去。与此同时，从其中一路调制光信号分出一束，将其分为N路参考光信号。
在接收端，N个接收天线分别接收目标的M路反射信号；N个光域去斜模块基于所述N路参考光信号，对N个接收天线所接收的反射信号分别进行光域去斜处理，并对所得到信号进行数字域混频处理，得到M×N路携带目标信息的数字信号；信号采集及处理单元对所述数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述M、N均为正整数，且两者之和大于等于4；本振信号的频率间隔VfBF大于最大探测距离对应的去斜信号频率。
其中，光域去斜模块和光子上变频模块可采用各种现有技术，优选地，所述光域去斜模块包括依次级联的马赫曾德尔调制器、光电探测器、低通滤波器，所述马赫曾德尔调制器的光输入端和微波输入端分别接一路参考光信号和一个接收天线所接收的信号。优选地，所述光子上变频模块由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与检偏器级联而成。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
如图2所示，本实施例的雷达装置包括：1个激光器、1个直接数字频率合成器、1个微波源、(M-1)个锁相环、(M-1)个混频器、2个光耦合器、M个偏振复用双平行马赫曾德尔调制器(PM-DPMZM)、N个马赫曾德尔调制器(MZM)、M个光纤放大器、M个高速光电探测器、N个低速光电探测器、M个电放大器(PA)、N个低相噪放大器(LAN)、N个低通滤波器(LPF)和1个信号采集及处理模块。
激光器产生的直流光通过耦合器分为M路后分别进入偏振复用双平行马赫曾德尔调制器(PM-DPMZM)上进行调制，直接数字频率合成器产生一个中频线性调频信号通过耦合器产生M路带宽、啁啾率且频率完全相同的中频线性调频信号分别驱动M个PM-DPMZM的上臂，中频线性调频信号的瞬时频率可以表示为：
fLFM(t)＝f0+kt (0≤t≤T) (1)
其中f0为起始频率，T为中频线性调频信号的时宽，k为其啁啾率。
本实施例中通过微波源生成本振起始信号，并通过(M－1)个锁相环产生频率为VfBF至(M-1)VfBF递增的(M－1)个单频信号；将所述(M－1)单频信号分别与本振起始信号进行混频，取上边频产生(M－1)个频率间隔为VfBF的本振信号，用连同本振起始信号的M路频率间隔为VfBF的本振信号分别驱动M个PM-DPMZM的下臂，第m路本振信号的瞬时频率可以表示为：
fLOm＝fLO+(m-1)ΔfBF (2)
其中fLO为起始本振频率，VfBF为频率间隔。
需注意的是，为了避免第m路发射信号的回波信号与第m+1路发射信号的频率重叠，最好满足：
其中Rmax为雷达最大探测距离，c为光速。
然后通过调节适当的偏置点使M个PM-DPMZM都工作在抑制载波的单边带调制状态，调制器输出抑制载波单边带的调制光信号，由于高阶边带强度较低，所述的调制光信号可认为只含正一阶本振信号边带和保留负一阶线性调频信号边带；调制器输出的M路光信号经过检偏振器后经过掺铒光纤放大器放大，再通过光电探测器输出为M路上变频线性调频电信号，之后通过M个电放大器经M个天线发射出去；其中第m个发出的上变频线性调频信号的瞬时频率可以表示为：
fTXm(t)＝fLFM(t)+fLOm (0≤t≤T) (4)
发射信号打到目标上被反射回来，被N个接收天线所接收；在N个天线中接收的电信号经过低相噪放大后经由马赫曾德尔调制器和低速光电探测器进行去斜处理，其中参考光为第一个光子上变频模块中的检偏器输出的光信号，马赫曾德尔调制器输出的调制光信号分别通过低速光电探测器转换为电信号，然后经过低通滤波器滤波得到M路包含探测目标信息的低频信号；经过数字域混频后，得到M×N路携带目标信息的数字信号，对此数字信号进行处理，得到目标探测结果。
该装置中M路频率间隔为VfBF的本振信号通过锁相环技术产生，参考源为同一稳定本振，满足式(3)，以避免相邻雷达传输信号对去啁啾信号的干扰。为了便于公众理解，下面以第1个接收通道的频谱为例来对其进行进一步详细说明。在该通道中，对来自第1个接收天线的回波信号进行去斜和滤波。通过耦合器进入马赫曾德尔调制器的参考光信号频率为fLD-fLO以及fLD+f0+kt，fLD是光载波所对应的频率。发射天线发射后经目标反射的回波信号表示为
其中τn为回波信号的时间延时。控制马赫曾德尔调制器的调制系数使其输出的信号仅有光载波和正负一阶边带。参考光信号频率fLD-fLO的正一阶边带靠近fLD+f0+kt，同理参考光信号频率fLD+f0+kt的负一阶边带靠近fLD-fLO，且频率相差Δfm＝kτn+(m-1)ΔfBF，所以经过光电探测器后，拍频可得到频率为Δfm＝kτn+(m-1)ΔfBF的M个去啁啾信号，1≤m≤M，如图4所示。为了保证各通道间的延时精确控制，可通过M-1个可调光纤延时线实现M路调制光信号的相对延时精准匹配调节。

Claims (10)

1.基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达探测方法，其特征在于，
在发射端，生成频率各不相同且相邻频率间隔为定值VfBF的M路本振信号，并将光载波和中频线性调频信号分别分为与M路本振信号一一对应的M路；将每一路本振信号和对应的中频线性调频信号调制于对应的光载波上，生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和一阶单边带本振信号的M路调制光信号；将其中一路调制光信号的分束调制光信号分成N路参考光信号；对M路调制光信号分别进行光电转换后得到M路相互正交的上变频线性调频信号，将其通过M个发射天线分别发射出去；
在接收端，利用N个接收天线分别接收目标的M路反射信号，并基于所述N路参考光信号，对N个接收天线所接收的反射信号分别进行光域去斜处理，然后经过数字域混频处理后，得到M×N路携带目标信息的数字信号，对此数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述M、N均为正整数，且两者之和大于等于4；本振信号的频率间隔VfBF大于最大探测距离对应的去斜信号频率。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光域去斜处理具体为：将每个接收天线所接收的目标的M路反射信号分别调制于一路参考光信号上，然后分别经过光电转换及低通滤波后，得到N路低频去斜信号，每路去斜信号包含M个频率差为VfBF的携带目标信息的频率分量。
3.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与检偏器级联，将每一路本振信号和对应的中频线性调频信号调制于对应的光载波上，生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和一阶单边带本振信号的调制光信号。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，VfBF满足下式：
其中Rmax为雷达最大探测距离，c为光速，k为所述中频线性调频信号的啁啾率。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，通过M-1个可调光纤延时线实现M路调制光信号的相对延时精准匹配调节。
6.基于微波光子正交差频复用的MIMO雷达装置，包括发射端和接收端，其特征在于，
所述发射端包括：
信号生成模块，用于生成频率各不相同且相邻频率间隔为定值VfBF的M路本振信号，并将光载波和中频线性调频信号分别分为与M路本振信号一一对应的M路；
M个光子上变频模块，用于将每一路本振信号和对应的中频线性调频信号调制于对应的光载波上，生成只保留极性相反的一阶单边带线性调频信号和一阶单边带本振信号的M路调制光信号，然后对M路调制光信号分别进行光电转换后得到M路相互正交的上变频线性调频信号；M个发射天线，用于将M路相互正交的上变频线性调频信号分别发射出去；
参考光模块，用于将其中一路调制光信号的分束调制光信号分成N路参考光信号；
所述接收端包括：
N个接收天线，用于接收目标的M路反射信号；
N个光域去斜模块，用于基于所述N路参考光信号，对N个接收天线所接收的反射信号分别进行光域去斜处理，并对所得到信号进行数字域混频处理，得到M×N路携带目标信息的数字信号；
信号采集及处理单元，用于对所述数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述M、N均为正整数，且两者之和大于等于4；本振信号的频率间隔VfBF大于最大探测距离对应的去斜信号频率。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述光域去斜模块包括依次级联的电光调制器、光电探测器、低通滤波器，所述电光调制器的光输入端和微波输入端分别接一路参考光信号和一个接收天线所接收的信号。
8.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述光子上变频模块由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与检偏器级联而成。
9.如权利要求6所述装置，其特征在于，VfBF满足下式：
其中Rmax为雷达最大探测距离，c为光速，k为所述中频线性调频信号的啁啾率。
10.如权利要求6所述装置，其特征在于，通过M-1个可调光纤延时线实现M路调制光信号的相对延时精准匹配调节。
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