CN110794416B - 一种光子毫米波噪声雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子毫米波噪声雷达，其中的噪声源使用光子毫米波噪声源，通过两个集成的弱增益耦合分布反馈式半导体激光器，分别产生两路中心频率不同的、高斯型光谱的混沌信号，通过温控将其波长在0.8nm‑2.4nm范围内调谐，通过调节注入参数将其光谱线宽在0.4nm‑0.8nm范围内调谐，两路混沌信号在耦合器中拍频之后经过光子混频器，对应产生F(90GHz‑140GHz)、G(140GHz‑220GHz)、H(220GHz‑325GHz)三个频段的毫米波噪声，实现90GHz‑325GHz波段全覆盖；由混沌光拍频产生宽谱平坦度高的光噪声，经过带宽300GHz以上的高速光电探测器，得到超噪比大于20dB的高频电噪声，提高毫米波噪声雷达的探测距离。

Description

一种光子毫米波噪声雷达
技术领域
本发明涉及噪声雷达技术领域，尤其涉及一种光子毫米波噪声雷达。
背景技术
随着现代雷达系统的发展，雷达技术在恶劣的电磁环境中面临巨大的挑战。噪声雷达是一种以噪声波形为探测信号，能直接发射噪声信号或发射被低频噪声信号调制的载波信号的雷达。噪声雷达在连续波中工作，对电磁环境影响小，具有较好的电磁兼容性，此外噪声雷达还具有较强的抗干扰能力，可同时测量目标的距离和速度，具有较高的接收机灵敏度，低截获率等优点。
频率范围在30GHz-300GHz范围内的毫米波段，其低端毗邻厘米波段，具有厘米波段全天候(大雨天除外)全天时工作的特点；高端邻接红外波段，具有红外波的高分辨率等特点。与毫米波技术相结合的噪声雷达系统波束窄、体积小、质量轻、空间分辨率高、穿透灰尘的能力强、其抗干扰、反隐身能力也优于微波波段。这些特点使得毫米波噪声雷达系统在精密制导技术、合成孔径雷达成像、开发紧凑、低能耗和许多民用领域的低成本雷达技术方面有着重要的应用价值。
毫米波噪声雷达技术中的关键问题是毫米波段噪声源的研制。采用毫米波后向波振荡器中的混沌振荡电路模型，产生了34GHz的噪声，其-10dB带宽仅为800MHz。采用M-Pulse Microwave公司的二极管，可以实现90GHz、130GHz、168GHz噪声输出，由于其输出功率较低，在168GHz处输出超噪比仅为6dB，低超噪比将会降低雷达的探测距离。
综上所述，现有的毫米波噪声雷达系统中，其毫米波噪声源的功率谱带宽窄、输出功率低，限制了雷达探测的距离。
发明内容
本发明为解决现有的毫米波噪声雷达系统中，存在毫米波噪声源的功率谱带宽窄、输出功率低，限制了雷达探测距离的问题，提供了一种光子毫米波噪声雷达。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
一种光子毫米波噪声雷达，包括噪声雷达，所述噪声雷达的噪声源为光子毫米波噪声源，其包括第一三区集成激光器、第二三区集成激光器、第三放大器、第四放大器、第一衰减器、第二衰减器、耦合器、光子混频器；所述第一三区集成激光器的输出端和第二三区集成激光器的输出端分别连接第三放大器的输入端和第四放大器的输入端，所述第三放大器的输出端和第四放大器的输出端分别连接第一衰减器的输入端和第二衰减器的输入端，所述第一衰减器的输出端和第二衰减器的输出端分别连接至耦合器的两个输入端，所述耦合器的输出端连接光子混频器的输入端，所述光子混频器的输出端作为所述光子毫米波噪声源的输出端。
上述方案中，通过第一三区集成激光器和第二三区集成激光器产生两个中心频率不同、高斯型光谱的白混沌光分别经过第三放大器、第四放大器、第一衰减器、第二衰减器输入到耦合器中并在耦合器中进行拍频，拍频后的信号经过光子混频器，产生毫米波电噪声。由于使用光子毫米波噪声源作为噪声雷达的噪声源，采用光学技术可产生超噪比大于20dB的毫米波噪声源，从而提高雷达探测的距离。
优选的，所述第一三区集成激光器和第二三区集成激光器均为弱增益耦合分布反馈式半导体激光器。
优选的，所述第一三区集成激光器和第二三区集成激光器分别产生中心频率不同的混沌光。
优选的，所述耦合器的两路输出信号分光比为50:50。在本优选方案中，该分光比可以确保进入耦合器的两路混沌光信号进行充分的拍频作用。
优选的，所述光子混频器包括波导型单行载流子光电探测器芯片以及与其连接的矩形金属波导。在本优选方案中，波导型单行载流子光电探测器芯片将光子熵源的混沌光拍频转换为毫米波电信号，通过金属波导耦合输出。
优选的，所述噪声雷达还包括功分器、第一放大器、第二放大器、雷达发射天线、雷达接收天线、信号采集模块，所述光子毫米波噪声源的输出端连接功分器的输入端，所述功分器的两个输出端分别连接第一放大器的输入端和信号采集模块的第一输入端，所述第一放大器的输出端连接雷达发射天线的输入端；所述雷达接收天线的输出端连接第二放大器的输入端，所述第二放大器的输出端连接信号采集模块的第二输入端，所述信号采集模块的输出端作为所述噪声雷达的输出端。在本优选方案中，功分器将从光子毫米波噪声源接收到的毫米波电信号分为两路，一路作为雷达探测信号发送至第一放大器对功率进行发大后输入到雷达发射天线，雷达发射天线将接收到的信号发射，在遇到探测目标之后，在探测目标处进行反射或散射，反射或散射信号作为回波信号，被雷达接收天线接收且被发送至第二放大器，第二放大器将回波信号功率放大之后发送至信号采集模块；由功分器发射的另一路信号作为参考光输入到信号采集模块，信号采集模块将回波信号和参考信号进行卷积运算，通过卷积运算得到回波信号和参考信号的相关度，从而确定目标物的位置。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的光子毫米波噪声雷达，其中的噪声源使用光子毫米波噪声源，通过两个集成的弱增益耦合分布反馈式半导体激光器，分别产生两路中心频率不同的、高斯型光谱的混沌信号。通过温控将其波长在0.8nm-2.4nm范围内调谐，通过调节注入参数将其光谱线宽在0.4nm-0.8nm范围内调谐。两路混沌信号在耦合器中拍频之后经过光子混频器，对应产生F(90GHz-140GHz)、G(140GHz-220GHz)、H(220GHz-325GHz)三个频段的毫米波噪声，实现90GHz-325GHz波段全覆盖，由混沌光拍频产生宽谱平坦度高的光噪声，经过带宽300GHz以上的高速光电探测器，得到超噪比大于20dB的高频电噪声，提高毫米波噪声雷达的探测距离。
本发明解决了现有的毫米波噪声雷达系统中，毫米波噪声源的功率谱带宽窄、输出功率低，限制了雷达探测距离的问题。
附图说明
图1为本发明光子毫米波噪声雷达的模块示意图。
图2为本发明中光子毫米波噪声源的模块示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种光子毫米波噪声雷达，如图1所示，包括光子毫米波噪声源1、功分器2、第一放大器3、第二放大器6、雷达发射天线4、雷达接收天线5、信号采集模块7，所述光子毫米波噪声源1的输出端连接功分器2的输入端，所述功分器2的两个输出端分别连接第一放大器3的输入端和信号采集模块7的第一输入端，所述第一放大器3的输出端连接雷达发射天线4的输入端；所述雷达接收天线5的输出端连接第二放大器6的输入端，所述第二放大器6的输出端连接信号采集模块7的第二输入端，所述信号采集模块7的输出端作为所述噪声雷达的输出端。
其中，如图2所示，光子毫米波噪声源1包括第一三区集成激光器11、第二三区集成激光器12、第三放大器13、第四放大器14、第一衰减器15、第二衰减器16、耦合器17、光子混频器18；所述第一三区集成激光器11的输出端和第二三区集成激光器12的输出端分别连接第三放大器13的输入端和第四放大器14的输入端，所述第三放大器13的输出端和第四放大器14的输出端分别连接第一衰减器15的输入端和第二衰减器16的输入端，所述第一衰减器15的输出端和第二衰减器16的输出端分别连接至耦合器17的两个输入端，所述耦合器17的输出端连接光子混频器18的输入端，所述光子混频器18的输出端作为所述光子毫米波噪声源1的输出端。
其中，所述第一三区集成激光器11和第二三区集成激光器12均为弱增益耦合分布反馈式半导体激光器，它们分别产生中心频率不同的混沌光。
其中，所述耦合器17的两路输出信号分光比为50:50。
其中，所述光子混频器18包括波导型单行载流子光电探测器芯片UTC-PD以及与其连接的矩形金属波导。
上述光子毫米波噪声雷达的工作原理如下：
其中光子毫米波噪声源1部分：第一三区集成激光器11和第二三区集成激光器12产生两个中心频率不同、高斯型光谱的白混沌光分别经过第三放大器13、第四放大器14、第一衰减器15、第二衰减器16输入到耦合器17中并在耦合器17中进行拍频，拍频后的信号经过光子混频器18，由其中的波导型单行载流子光电探测器芯片UTC-PD将拍频后的信号转换为毫米波电信号，再通过金属波导耦合输出，得到毫米波电噪声。其中光子毫米波噪声源1分别通过调节第一三区集成激光器11、第二三区集成激光器12的温控和注入参数，改变输出噪声的中心频率和频率范围，通过温控将其波长在0.8nm-2.4nm范围内调谐，由于第一三区集成激光器11和第二三区集成激光器12均为弱增益耦合分布反馈式的半导体激光器，其波长温度系数约为0.1nm/℃，通过改变其温度为大约8℃-24℃，即可调节输出波长0.8nm-2.4nm；然后通过减少有源区长度、减弱Bragg光栅耦合强度、降低谐振腔端面反射系数、调节互注入的强度等调节注入参数的方法，即可实现调控混沌光谱的线宽，将其光谱线宽在0.4nm-0.8nm范围内调谐，并对应产生F(90GHz-140GHz)、G(140GHz-220GHz)、H(220GHz-325GHz)三个频段的毫米波噪声。
其中，在本实施例中，180GHz的毫米波噪声对应于1nm的中心波长，90GHz-140GHz的毫米波噪声对应于0.5nm-0.78nm的中心波长偏移，则半导体激光器的温度应为5-7.8℃左右；90GHz-140GHz的毫米波噪声对应于0.5nm-0.78nm的中心波长偏移，则半导体激光器的温度应为5-7.8℃左右；140GHz-220GHz的毫米波噪声对应于0.78nm～1.22nm的中心波长偏移，则半导体激光器的温度应为7.8-12℃左右；220GHz-325GHz的毫米波噪声对应于1.22nm～1.8nm的中心波长偏移，则半导体激光器的温度应为12-18℃左右。由于每个半导体激光器的波长温度系数存在差异，因为需根据具体半导体激光器的实际情况进行参数的对应调节。
上述光子毫米波噪声源1输出的毫米波电信号通过功分器2分为两路，一路作为雷达探测信号发送至第一放大器3对功率进行发大后输入到雷达发射天线4，雷达发射天线4将接收到的信号发射，在遇到探测目标9之后，在探测目标9处进行反射或散射，反射或散射信号作为回波信号，被雷达接收天线5接收且被发送至第二放大器6，第二放大器6将回波信号功率放大之后发送至信号采集模块7；由功分器2发射的另一路信号作为参考光输入到信号采集模块7，信号采集模块7将回波信号和参考信号进行卷积运算，通过卷积运算得到回波信号和参考信号的相关度，从而确定目标物的位置，并可将运算结果传输至与其连接的终端设备8。
另外，以上实施例中所使用的各个组成部件均可采用市面上的商用产品，本发明旨在保护它们的连接关系及其实现原理，因此并未对每个产品本身的型号等进行限定。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光子毫米波噪声雷达，包括噪声雷达，其特征在于，所述噪声雷达的噪声源为光子毫米波噪声源(1)，其包括第一三区集成激光器(11)、第二三区集成激光器(12)、第三放大器(13)、第四放大器(14)、第一衰减器(15)、第二衰减器(16)、耦合器(17)、光子混频器(18)；所述第一三区集成激光器(11)的输出端和第二三区集成激光器(12)的输出端分别连接第三放大器(13)的输入端和第四放大器(14)的输入端，所述第三放大器(13)的输出端和第四放大器(14)的输出端分别连接第一衰减器(15)的输入端和第二衰减器(16)的输入端，所述第一衰减器(15)的输出端和第二衰减器(16)的输出端分别连接至耦合器(17)的两个输入端，所述耦合器(17)的输出端连接光子混频器(18)的输入端，所述光子混频器(18)的输出端作为所述光子毫米波噪声源(1)的输出端；
所述第一三区集成激光器(11)和第二三区集成激光器(12)均为弱增益耦合分布反馈式半导体激光器；
所述第一三区集成激光器(11)和第二三区集成激光器(12)分别产生两路中心频率不同的、高斯型光谱的混沌信号。
2.根据权利要求1所述的光子毫米波噪声雷达，其特征在于，所述耦合器(17)的两路输出信号分光比为50:50。
3.根据权利要求1所述的光子毫米波噪声雷达，其特征在于，所述光子混频器(18)包括波导型单行载流子光电探测器芯片以及与其连接的矩形金属波导。
4.根据权利要求1～3任一项所述的光子毫米波噪声雷达，其特征在于，所述噪声雷达还包括功分器(2)、第一放大器(3)、第二放大器(6)、雷达发射天线(4)、雷达接收天线(5)、信号采集模块(7)，所述光子毫米波噪声源(1)的输出端连接功分器(2)的输入端，所述功分器(2)的两个输出端分别连接第一放大器(3)的输入端和信号采集模块(7)的第一输入端，所述第一放大器(3)的输出端连接雷达发射天线(4)的输入端；所述雷达接收天线(5)的输出端连接第二放大器(6)的输入端，所述第二放大器(6)的输出端连接信号采集模块(7)的第二输入端，所述信号采集模块(7)的输出端作为所述噪声雷达的输出端。
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