CN109932691B - 微波光子雷达-通信一体化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波光子雷达‑通信一体化方法。在发射端，将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，然后转换为电信号后通过发射天线发射，雷达线性调频信号的子脉冲时宽与相位编码通信信号的子码元时宽相同；在接收端，将接收天线所接收的信号与雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上，然后用光电探测器进行混频去斜，最后对去斜后的电信号中的雷达回波信号和通信信号分别进行滤波采样并进行信号处理，得到相应的雷达探测信息和通信信息。本发明还公开了一种微波光子雷达‑通信一体化装置。本发明可有效解决现有的雷达和通信系统彼此分立，过多占用资源与空间且容易产生电磁干扰的缺点。

Description

微波光子雷达-通信一体化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微波光子雷达-通信一体化方法，属于微波光子与雷达、无线通信相交叉的技术领域。

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。同时，自进入信息化时代以来，通信技术迅猛发展，通信速率不断提高，带宽不断扩大。随着雷达技术和通信技术的不断发展，雷达系统和通信系统在频率范围、收发机结构等方面具有了越来越多的共通点，雷达通信一体化技术越来越引起人们的重视，成为一个新的研究热点。

雷达通信一体化技术首先应用于军事方面，在舰船、飞机等空间狭小受限的应用场合，运用雷达通信一体化技术，将分立繁杂的雷达系统和通信系统进行整合，减少空间，避免雷达系统和通信系统间的电磁干扰，成为研究人员的奋斗目标。而在民用领域，随着智能汽车、智能交通、智能安防等领域的兴起，人们也希望有一种方法，能够将雷达数据进行实时传输，同时整合雷达系统和通信系统来降低成本，雷达通信一体化技术在民用市场也具有广阔的前景。

雷达通信一体化系统主要要求同时实现雷达探测和通信功能，避免或者尽量减少两者之间的干扰。雷达通信一体化的体制主要有两类，分别是共享硬件和一体化波形。其中，共享硬件的体制例如分时、分频、分波束等，但是这些体制下，雷达系统和通信系统需要进行资源划分，且仍然存在互相干扰的问题。一体化波形设计能够在单一设备、通过同一信号、同时实现通信与雷达探测的功能，成为未来的研究方向。

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，提供一种微波光子雷达 -通信一体化方法及装置，可有效解决现有的雷达和通信系统彼此分立，过多占用资源与空间且容易产生电磁干扰的缺点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子雷达-通信一体化方法，在发射端，将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，然后将所得到的调制光信号转换为电信号后通过发射天线发射，所述雷达线性调频信号的子脉冲时宽与所述相位编码通信信号的子码元时宽相同；在接收端，将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上，然后用光电探测器对所得到的调制光信号进行混频去斜，最后对去斜后的电信号中的雷达回波信号和通信信号分别进行滤波采样并进行信号处理，得到相应的雷达探测信息和通信信息。

优选地，所述将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，以及所述将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上，均通过双臂结构的电光调制模块实现。

进一步地，通过调节通信信号的延时来调整通信信号去斜后的频率。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种微波光子雷达-通信一体化装置，包括发射端和接收端，

所述发射端包括：

第一电光调制模块，用于将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，所述雷达线性调频信号的子脉冲时宽与所述相位编码通信信号的子码元时宽相同；

第一光电探测器，用于将第一电光调制模块输出的调制光信号转换为电信号；

发射天线，用于发射第一光电探测器输出的电信号；

所述接收端包括：

接收天线，用于接收雷达回波信号和通信信号；

第二电光调制模块，用于将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上；

第二光电探测器，用于对第二电光调制器输出的调制光信号进行混频去斜；

滤波采样单元，用于对去斜后的电信号中的雷达回波信号和通信信号分别进行滤波采样；

通信信号处理单元，用于对滤波采样得到的通信信号进行处理，得到通信信息；

雷达信号处理单元,用于对滤波采样得到的雷达回波信号进行处理，得到雷达探测信息。

优选地，第一电光调制模块和第二电光调制模块均为双臂结构的电光调制模块。

进一步地，所述微波光子雷达-通信一体化装置还包括延时调节单元，用于通过调节通信信号的延时来调整通信信号去斜后的频率。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1)本发明将雷达系统和通信系统有机整合到一起，并通过令雷达线性调频信号和相位编码通信信号的周期相匹配，能同时进行雷达探测和通信且互不干扰，系统紧凑；

2)本发明利用基于微波光子技术的信号产生方案和去斜的处理方法，大大提高了雷达系统的带宽，能实现更高的雷达距离分辨率；

3)本发明的信号接收部分中，仅利用低速的模数转换器和数字处理算法即可对去斜后的信号进行处理，不需要数字匹配滤波器，从而降低了对数据存储的需求且增大了信号处理的速度，实现实时的信号处理。

附图说明

图1为本发明微波光子雷达-通信一体化装置一个具体实施例的结构原理示意图；

图2为雷达-通信复合信号的示意图；

图3为基于双臂马赫曾德尔调制器的电光调制模块结构原理示意图；

图4为基于双偏振马赫曾德尔调制器的电光调制模块结构原理示意图；

图5为雷达探测回波、雷达通信一体化站点2和雷达通信一体化站点3相对参考信号的时频关系图。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明的思路是利用微波光子技术，并通过令雷达线性调频信号和相位编码通信信号的周期相匹配，实现雷达系统和通信系统的一体化，使系统结构紧凑，避免彼此间电磁干扰。

具体地，在发射端，将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，然后将所得到的调制光信号转换为电信号后通过发射天线发射，所述雷达线性调频信号的子脉冲时宽与所述相位编码通信信号的子码元时宽相同；在接收端，将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上，然后用光电探测器对所得到的调制光信号进行混频去斜，最后对去斜后的电信号中的雷达回波信号和通信信号分别进行滤波采样并进行信号处理，得到相应的雷达探测信息和通信信息。

本发明的微波光子雷达-通信一体化装置，包括发射端和接收端，

所述发射端包括：

第一电光调制模块，用于将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，所述雷达线性调频信号的子脉冲时宽与所述相位编码通信信号的子码元时宽相同；

第一光电探测器，用于将第一电光调制器输出的调制光信号转换为电信号；

发射天线，用于发射第一光电探测器输出的电信号；

所述接收端包括：

接收天线，用于接收雷达回波信号和通信信号；

第二电光调制模块，用于将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上；

第二光电探测器，用于对第二电光调制器输出的调制光信号进行混频去斜；

滤波采样单元，用于对去斜后的电信号中的雷达回波信号和通信信号分别进行滤波采样；

通信信号处理单元，用于对滤波采样得到的通信信号进行处理，得到通信信息；

雷达信号处理单元，用于对滤波采样得到的雷达回波信号进行处理，得到雷达探测信息。

上述技术方案中，为了使得两路微波信号能更好地同时调制于同一路光载波，第一、第二电光调制模块最好采用基于双臂马赫曾德尔调制器的电光调制模块、基于双偏振马赫曾德尔调制器的电光调制模块等双臂结构的电光调制模块。

所述第一光载波和第二光载波可以是不同光源发出的不同的光信号，也可以是同一光源发出的光经分束得到。

还可以通过调节接收端各个信号的延时，使得接收端去斜后的雷达信号占据低频段，而各个通信信号占据固定的各个频段，以实现实时的频分复用多向通信。

为便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了本发明微波光子雷达-通信一体化装置一个具体实施例的基本结构。如图1所示，激光器生成的光信号被分为两路分别作为发射端和接收端的光载波；直接数字频率合成器产生雷达线性调频(LFM)信号，通过一个功分器后分为两路，其中一路送入发射端作为雷达信号进行调制，另一路送入接收端作为参考信号。

雷达LFM信号送入发射端的双臂结构的电光调制模块，即图中的电光调制模块1的其中一臂对光载波进行调制，同时相位编码的通信信号送入另一臂也进行调制。在雷达信号和通信信号都调制到光载波上后，送入光电探测器中进行光电转换，生成雷达-通信复合信号，该复合信号既可用于雷达探测，也包含有通信信息。其中雷达LFM信号的周期和相位编码通信信号的子脉冲周期应当相匹配，以避免恶化雷达探测分辨率。在周期相匹配的情况下，可以在不影响雷达探测分辨率时使得通信速率达到最大值。如果雷达LFM信号子脉冲周期大于通信信号的子脉冲周期，虽然这种情况下通信速率得到了提高，但在一个LFM信号周期内会出现多次相位跳变，扰乱LFM信号的相位匹配，从而使得雷达探测分辨率恶化；如果雷达LFM信号子脉冲周期小于通信信号的子脉冲周期(在这种情况下通信信号子脉冲周期应该是雷达LFM信号的整数倍以保证雷达探测分辨率不受影响)，则会使雷达探测距离降低或者通信速率下降。如图2所示。该雷达-通信复合信号是一种脉内线性调频-脉间相位编码信号，即在每个通信码元内载波频率线性增加，为线性调频信号；在每个线性调频子脉冲之间，存在相位突变，为脉间相位编码信号。其中该站点1发出的复合信号可以表示为：

s₁(t)＝c₁(t)cos(2πft)((m-1)T≤t≤mT)

其中c₁(t)∈{-1,1}表示相位编码通信信号；T为通信信号的子码元时宽，同时也是线性调频子脉冲时宽；m表示为第m个子脉冲周期，也是第m个子码元； f表示线性调频瞬时频率，可表示为：

f＝f₀+kt((m-1)T≤t≤mT)

其中f₀为线性调频子脉冲的起始频率

产生的雷达-通信复合信号经过滤波放大后经发射天线中发射到空间，既可以用于探测目标，同时可以作为通信信号被同样的雷达通信一体化站点接收从而进行通信。

探测目标反射回来的雷达信号和其他雷达通信一体化站点发送来的通信信号被接收天线接收，经过滤波放大后送入接收端的双臂结构的电光调制模块，即图1中的电光调制模块2的其中一臂，另一臂则送入参考雷达LFM信号，将调制后的光载波送入光电探测器中进行混频去斜。通过调节接收端各个信号的延时，可以使得通信信号去斜后占据一个固定的频段，对这个包含通信信息的单频信号进行滤波采样后，送入通信信号处理系统进行处理就可以得到通信信息。并且由于去斜后的信号频率大大降低，使得采样率和处理速度大大提高。同样，对反射回来的雷达回波也进行去斜，进行滤波采样后送入雷达信号处理系统，就可以得到雷达探测信息。

所述双臂结构的电光调制模块可采用如图3所示的基于双臂马赫曾德尔调制器的电光调制模块或者图4所示基于双偏振马赫曾德尔调制器的电光调制模块。

接收天线接收到的混合信号可以表示为：

r₁(t)＝c₁(t+τ₁)cos(2πf₀(t+τ₁)+k(t+τ₁)²)+c₂(t+τ₂)cos(2πf₀(t+τ₂)+k(t+τ₂)²)

其中c₁(t+τ₁)cos(2πf₀(t+τ₁)+k(t+τ₁)²)为站点1发射信号后经过延时τ₁后反射回来的信号；c₂(t+τ₂)cos(2πf₀(t+τ₂)+k(t+τ₂)²)为站点2相对站点1经过延时τ₂后发来的通信信号。

经过和参考LFM信号混频去斜后，可以得到：

R(t)＝c₁(t+τ₁)cos(2kτ₁t+ω₀τ₁+kτ₁ ²)+c₂(t+τ₂)cos(2kτ₂t+ω₀τ₂+kτ₂ ²)

其中c₁(t+τ₁)cos(2kτ₁t+ω₀τ₁+kτ₁ ²)为去斜后的雷达回波信号，其中c₁(t+τ₁)为站点1发送的通信编码信号，不影响雷达信号的处理；

c₂(t+τ₂)cos(2kτ₂t+ω₀τ₂+kτ₂ ²)为去斜后的站点2发来的通信信号，可视为一个带有通信编码信息的频率为2kτ₂的单频信号，通过调节通信信号的延时，则可以控制去斜后该信号的频率。同样，站点3或者更多的站点进行通信的原理也相同。各个信号进行混频去斜时的延时和时频关系如图5所示。从图5中可以看出，通过调节各个站点之间的延时τ₂、τ₃…，就可以设置通信信号去斜后的信号频率2kτ₂、2kτ₃…，从而实现频分复用实时通信。通过设置如下的滤波器频段，则可以将各个站点发来的通信信号在频段上分开，从而处理得到通信信息：

2kτ₁<f_1H<f_2L<2kτ₂<f_2H<f_3L<2kτ₃<f_2H<...

其中f_1H表示低通滤波器1截止频率；f_2L表示带通滤波器2的下限截止频率，f_2H表示上限截止频率；f_3L表示带通滤波器3的下限截止频率，f_3H表示上限截止频率。

Claims (6)

1.一种微波光子雷达-通信一体化方法，其特征在于，在发射端，将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，然后将所得到的调制光信号转换为电信号后通过发射天线发射，所述雷达线性调频信号的子脉冲时宽与所述相位编码通信信号的子码元时宽相同；在接收端，将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上，然后用光电探测器对所得到的调制光信号进行混频去斜，最后对去斜后的电信号中的雷达回波信号和通信信号分别进行滤波采样并进行信号处理，得到相应的雷达探测信息和通信信息。

2.如权利要求1所述微波光子雷达-通信一体化方法，其特征在于，所述将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，以及所述将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上，均通过双臂结构的电光调制模块实现。

3.如权利要求1所述微波光子雷达-通信一体化方法，其特征在于，通过调节通信信号的延时来调整通信信号去斜后的频率。

4.一种微波光子雷达-通信一体化装置，包括发射端和接收端，其特征在于，

所述发射端包括：

第一电光调制模块，用于将雷达线性调频信号和相位编码通信信号同时电光调制于第一光载波上，所述雷达线性调频信号的子脉冲时宽与所述相位编码通信信号的子码元时宽相同；

第一光电探测器，用于将第一电光调制模块输出的调制光信号转换为电信号；

发射天线，用于发射第一光电探测器输出的电信号；

所述接收端包括：

接收天线，用于接收雷达回波信号和通信信号；

第二电光调制模块，用于将接收天线所接收的信号与所述雷达线性调频信号的分束信号同时电光调制于第二光载波上；

第二光电探测器，用于对第二电光调制模块输出的调制光信号进行混频去斜；

滤波采样单元，用于对去斜后的电信号中的雷达回波信号和通信信号分别进行滤波采样；

通信信号处理单元，用于对滤波采样得到的通信信号进行处理，得到通信信息；

雷达信号处理单元,用于对滤波采样得到的雷达回波信号进行处理，得到雷达探测信息。

5.如权利要求4所述微波光子雷达-通信一体化装置，其特征在于，第一电光调制模块和第二电光调制模块均为双臂结构的电光调制模块。

6.如权利要求4所述微波光子雷达-通信一体化装置，其特征在于，还包括延时调节单元，用于通过调节通信信号的延时来调整通信信号去斜后的频率。

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