CN110907924A - 太赫兹雷达的信号转换装置和太赫兹雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹雷达的信号转换装置和太赫兹雷达，其中，太赫兹雷达的信号转换装置包括光信号转换单元和微波信号转换单元，光信号转换单元包括依次串联的光基准信号源、微波信号发生模块、第一光学调制模块、第一光滤波模块、第一光真延时模块和第一光电转换模块；微波信号转换单元包括依次串联的第二光电转换模块、第二光学调制模块、第二光真延时模块、第二光滤波模块和模数转换模块。上述太赫兹雷达的信号转换装置，通过将微波技术与光子技术结合在一起，将超宽带微波信号处理问题转换为光阈上窄带光子处理问题，打破了常规电子学技术难以突破的瓶颈，有效的提升了雷达的功能和性能。

Description

太赫兹雷达的信号转换装置和太赫兹雷达
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别是涉及一种太赫兹雷达的信号转换装置以及包括该装置的太赫兹雷达。
背景技术
雷达是一种利用电磁波探测目标的电子设备，它可以通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，以此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率、方位、高度等信息。目前雷达的频段已经延伸到毫米波，随着波长的变短，雷达的探测精度会随之上升。在雷达的不断发展过程中，太赫兹雷达因其波长短、频率丰富的特点逐渐成为未来高精度、反隐身雷达的发展方向之一，在军事与民用上有着广阔的应用前景。
在现有技术中，太赫兹雷达一般通过固态电子学的方式构成，即通过微波上变频的方式以及多次倍频的方式实现太赫兹频段的雷达信号的发射，但是，电子系统难以产生和处理瞬时带宽超过2GHz以上的超宽带雷达信号且电子器件受频段限制，在太赫兹频段存在信号质量差、线缆传输损耗大、系统灵敏度低、对弱小目标的检测能力差等问题。因此，固态电子学的瓶颈制约着太赫兹雷达能力的进一步提升和发展。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够解决超宽带微波信号处理问题、并且能够提升雷达的性能的太赫兹雷达的信号转换装置以及包括该装置的太赫兹雷达。
一种太赫兹雷达的信号转换装置，包括光信号转换单元和微波信号转换单元，
光信号转换单元包括依次串联的光基准信号源、微波信号发生模块、第一光学调制模块、第一光滤波模块、第一光真延时模块和第一光电转换模块；
微波信号转换单元包括依次串联的第二光电转换模块、第二光学调制模块、第二光真延时模块、第二光滤波模块和模数转换模块；
光基准信号源用于产生光基准信号；
微波信号发生模块用于将光基准信号变换为预设频段的光信号；
第一光学调制模块用于对预设频段的光信号进行调制；
第一光滤波模块用于对调制后的光信号进行降噪处理；
第一光真延时模块用于对降噪处理后的光信号进行延时处理；
第一光电转换模块用于将延时处理后的光信号转换为微波信号，以使信号收发装置发送微波信号；
第二光电转换模块用于将信号收发装置接收到的反射后的微波信号转换为光信号；
第二光学调制模块用于将转换后的光信号进行解调；
第二光真延时模块用于对解调后的光信号进行延时处理；
第二滤波模块用于对延时处理后的光信号进行降噪处理；
模数转换模块用于将降噪处理后的光信号转换为数字信号，以使信号处理装置对数字信号进行处理。
上述太赫兹雷达的信号转换装置，首先通过光信号转换单元将宽频的光基准信号转换为可以通过信号收发装置发送的微波信号，然后再通过微波信号转换单元将接收到的微波信号转换为光信号继而再转换为数字信号，使信号处理装置可以对该数字信号进行处理并获知信号中携带的信息。上述太赫兹雷达的信号转换装置，通过将微波技术与光子技术结合在一起，将超宽带微波信号处理问题转换为光阈上窄带光子处理问题，打破了常规电子学技术难以突破的瓶颈，有效的提升了雷达的功能和性能。
在其中一个实施例中，光基准信号源还分别与第二光学调制模块和模数转换模块电连接，用于提供光基准信号。
在其中一个实施例中，光基准信号源为光学振荡器；光学振荡器产生的光基准信号的频率为100GHz-500GHz。
在其中一个实施例中，第一光学调制模块和第二光学调制模块分别包括相位调制器、光强调制器，频率调制器和光脉冲调制器中的一种或多种。
在其中一个实施例中，第一光真延时模块和第二光真延时模块分别包括光纤延时器、光纤光栅延时器和光波导延时器中的任一种。
在其中一个实施例中，第一光电转换模块包括单行载流子高速光探测器。
在其中一个实施例中，模数转换模块为光辅助模数转换器；光辅助模数转换器的采样时钟抖动小于100fs。
一种太赫兹雷达，包括信号收发装置，信号处理装置，以及如上述任一项实施例所述的信号转换装置；
其中，信号收发装置分别与信号转换装置的第一光电转换模块和第二光电转换模块电连接，用于发射和接收微波信号；信号处理装置分别与信号转换装置的光基准信号源和模数转换模块电连接，用于处理数字信号，并根据数字信号的处理结果获取目标物体的状态信息。
在其中一个实施例中，目标物体的状态信息包括目标物体距离发射点的距离、目标物体的距离变化率、方位及高度中的一项或多项信息。
在其中一个实施例中，信号处理装置还与计算机设备电连接，计算机设备用于辅助信号处理装置对数字信号进行处理和/或将目标物体的状态信息上传至互联网上。
附图说明
图1为一个实施例中太赫兹雷达的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在一个实施例中，如图1所示，本申请首先提供了一种太赫兹雷达的信号转换装置100，该装置包括光信号转换单元110和微波信号转换单元120。其中，光信号转换单元110包括光基准信号源111、微波信号发生模块112、第一光学调制模块113、第一光滤波模块114、第一光真延时模块115和第一光电转换模块116；微波信号转换单元120包括第二光电转换模块121、第二光学调制模块122、第二光真延时模块123、第二光滤波模块124和模数转换模块125。
在本实施例中，光信号转换单元110用于产生光信号并将光信号转化为微波信号，转换后的微波信号可以通过外接的信号收发装置发射于空间中，当该微波信号被空间中的某一个物体反射后，反射后的微波信号会再次被信号收发装置接收，接收到的微波信号可以通过微波信号转换单元120转换为光信号，继而再转换为数字信号，然后，微波信号转换单元120可以将这一数字信号发送到外接的信号处理装置上，信号处理装置在接收到该数字信号之后，可以将接收到的信号与发射的信号进行对比和分析，以获知被测物体距离信号收发装置的距离、物体的距离变化率、方位及高度等信息，从而实现雷达功能。
具体的，在光信号转换单元110中，光基准信号源111的输入端连接信号处理装置，输出端连接第一光学调制模块113，其主要作用是产生一个太赫兹频段的光基准信号，该光基准信号可以通过连接在第一光学调制模块113另一输入端的微波信号发生模块112变换为一个预设频段的光信号，这一预设频段可以根据微波信号发生模块112所产生的微波信号进行选择，继而，第一光学模块113可以对该预设频段的光信号进行调制，以使该光信号携带有特定的有效信息，进一步的，第一光学模块113的输出端可以连接第一光滤波模块114输入端，第一光滤波模块114的输出端可以连接第一光真延时模块115输入端，其中，第一光滤波模块114可以对调制后的光信号进行降噪处理，第一光真延时模块115可以对降噪处理后的光信号进行延时处理，经过降噪和延时处理后的光信号可以有效的提升雷达的测量精准度，例如可以有效的分辨两个距离很近的物体，最后，第一光真延时模块115的输出端可以连接第一光电转换模块116的输入端，第一光电转换模块116可以将降噪和延时处理后的光信号转换为微波信号，从而使该微波信号通过信号收发装置的发送端发射到空间中。
具体的，在微波信号转换单元120中，第二光电转换模块121的输入端连接信号收发装置的接收端，用于接收从空间中反射回来的微波信号，继而，第二光电转换模块121可以将接收到的微波信号转换为光信号，第二光电转换模块121的输出端可以连接第二光学调制模块122的输入端，第二光学调制模块122可以将转换后的光信号进行解调，进一步的，第二光学调制模块122的输出端可以连接第二光真延时模块123的输入端，第二光真延时模块123的输出端可以连接第二滤波模块124的输入端，其中，第二光真延时模块123可以对解调后的光信号进行延时处理，第二滤波模块124可以对延时处理后的光信号进行降噪处理，经过延时处理的光信号可以有效的补偿信号中因受大气影响而产生的偏移和抖动，而经过降噪处理的光信号则可以有效的滤掉预设频段之外的信号，从而使获得高质量的光信号，最后，第二滤波模块124的输出端可以连接模数转换模块125的输出端，模数转换模块125可以将延时和降噪处理后的光信号转换为数字信号，从而使该数字信号可以被信号处理装置接收和处理。
上述太赫兹雷达的信号转换装置，首先通过光信号转换单元将宽频的光基准信号转换为可以通过信号收发装置发送的微波信号，然后再通过微波信号转换单元将接收到的微波信号转换为光信号继而再转换为数字信号，使信号处理装置可以对该数字信号进行处理并获知信号中携带的信息。上述太赫兹雷达的信号转换装置，通过将微波技术与光子技术结合在一起，将超宽带微波信号处理问题转换为光阈上窄带光子处理问题，打破了常规电子学技术难以突破的瓶颈，有效的提升了雷达的功能和性能。
在一个实施例中，如图1所示，光基准信号源111还分别与第二光学调制模块122和模数转换模块125电连接，并用于为光信号的解调过程和光信号的模数转换过程提供光基准信号。具体的，在光信号的调制过程和解调过程中均需要用到光基准信号作为基准，以使光信号的调制和解调过程能够准确无误的进行；而在光信号的模数转换过程中，也需要用到光基准信号作为时间校准的基础，在本实施例中，光辅助下进行的模数转换具有更高的分辨率，可以有效的提升雷达的性能。
在一个实施例中，光基准信号源可以为光学振荡器，优选的，光基准信号源具体可以选用光学频率梳。具体的，光学频率梳可以产生一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的光脉冲，用光学频率梳作为光基准信号源，能方便的调节频率差值，使相位噪声不随载频增大而增大，并且可以实现很大的带宽，相比电器件在高频段有明显的优势。另外，光学振荡器产生的光基准信号的频率可以在100GHz-500GHz之间，优选的，光学振荡器产生的光基准信号的频率可以为100GHz-300GHz，在这一频段内，光信号处理技术更加成熟，雷达性能也更加稳定。
在一个实施例中，第一光学调制模块和第二光学调制模块分别可以包括相位调制器、光强调制器，频率调制器和光脉冲调制器中的一种或多种。在本实施例中，第一光学调制模块和第二光学调制模块中包含的较为常用的是相位调制器和光强调制器，其中，相位调制器是使光的相位按一定规律变化的光调制器，光强调制器是使光强按一定规律变化的光调制器。具体的，光信号经过相位调制器和光强调制器等光学调制器的调制后，会将一些携带了特定信息的信号叠加到光基准信号上，从而使光信号中的某些参数如振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间按一定的规律发生变化。在本实施例中，第一光学调制模块用于光信号的调制，第二光学调制模块用于光信号的解调，调制和解调互为相反的过程，需要使用同一种调制规则以及同一种光基准信号。
在一个实施例中，第一光真延时模块和第二光真延时模块分别可以包括光纤延时器、光纤光栅延时器和光波导延时器中的任一种。具体的，光延时的原理是：电信号的频率相对于光频来说极低,可以将它加载到光信号上,再对这个加载了电信号的光信号进行延时,然后用光探测器将电信号提取出来,提取出的电信号与调制前的电信号除了在相位上有了一定的延时外,其他特征完全相同，通过这种方法，可以有效的将电信号和光信号相结合，使雷达获得更优异的性能。优选的，第一光真延时模块和第二光真延时模块具体可以为光纤延时器，光纤延时器可以通过选择不同的光纤路径来获得若干离散的时延值,传输路径也可有多种选择，在这类技术中,可以通过精确地控制光纤的长度来保证延时精度。
在一个实施例中，第一光电转换模块可以为单行载流子高速光探测器。其中，单行载流子光探测器(UTC-PD)是一种只采用电子作为有源载流子的高速光探测器，其主要作用是将入射的光信号转换为电信号输出，且能够有效的抑制空间电荷效应。具体的，单行载流子光探测器包括一个高掺杂的光吸收层和一个宽带隙低掺杂或者未掺杂的电子收集层，光吸收层和电子收集层在空间上完全分离，由于电子收集层的带隙宽度大于入射光子的能量，所以电子收集层对入射光是透明的，继而，入射光可以将高掺杂的光吸收层的价带中的电子激发到导带，形成电子-空穴对，对光生空穴来说，空穴是多数载流子，在其介电弛豫时间内做出响应形成电流；光生电子为少数载流子，其受到宽带隙阻挡层的阻挡作用，只能向集结层扩散，即形成单行载流子。单行载流子光探测器的响应时间主要由电子在吸收层中的扩散时间和收集层中的漂移时间决定，因而单行载流子光探测器能够产生高的带宽和饱和输出电流，是一种高效的光电转换器。
在一个实施例中，模数转换模块可以为光辅助模数转换器。其中，模数转换器是一种将模拟信号转换为数字信号的器件，传统的模数转换器主要为电模数转换器，电模数转换器通常在采样时钟的抖动，采样保持电路的渡越时间，比较器的准确度以及晶体管阈值和无源组件的阈值不匹配上存在诸多问题，并且，射频信号的频率越大，其局限性就越明显。针对这些缺陷，基于光子时域展宽辅助结构的光辅助模数转换器可以很好的突破以上瓶颈，它可以将高速的射频信号进行降速预处理，并且以低于奈奎斯特采样率的速率捕获射频信号，以实现对超高速、大宽带信号的处理。相比于传统的电模数转换器几百飞秒量级的采样时钟抖动，光子辅助的模数转换器的采样时钟抖动可降低一个数量级以上，达到100fs以下，从而可以有效的提高模数转换器的转换精度。
在一个实施例中，如图1所述，还提供了一种太赫兹雷达，该太赫兹雷达包括上述实施例所述的信号转换装置100，信号收发装置200以及信号处理装置300。其中，信号收发装置200还包括射频发射模块210，射频接收模块220，射频开关230以及天线240。在本实施例中，信号收发装置200的射频发射模块210与信号转换装置100的第一光电转换模块116电连接，并用于将光信号转换单元110转换后的微波信号通过天线240发射到空间中；信号收发装置200的射频接收模块220可以与信号转换装置100的第二光电转换模块121电连接，用于接收从空间中某一方向上的物体反射回来的微波信号，并将该微波信号传输给微波信号转换单元120，使微波信号转换单元120可以将微波信号转换为光信号继而再转换为数字信号。进一步的，信号处理装置300可以分别与信号转换装置100的光基准信号源111和模数转换模块125电连接，一方面，信号处理装置300可以控制光基准信号源111产生光基准信号，另一方面，信号处理装置300还可以将产生的光基准信号与接收到的数字信号进行比对和分析，并根据数字信号的比对和分析结果获取目标物体的相关信息。本实施例中的太赫兹雷达的的波长很短，远小于微波与毫米波的波长，因而可以探测很小的目标以及很精确的定位。
上述太赫兹雷达，其频率可以高达300GHz以上，带宽可达10GHz以上，调制速率更可以高达40GHz以上，相对于目前固态电子学的雷达，其频率只能做到300GHz左右，带宽仅为2GHz左右，调制速率仅在10GHz左右。由此可见，本实施例所提供的基于微波光子学的太赫兹雷达可以有效的提升雷达的功能和性能，是未来太赫兹雷达的重要实现方式。
在一个实施例中，目标物体的状态信息可以包括目标物体距离发射点的距离、目标物体的距离变化率、方位及高度等信息。我们知道，雷达是一种利用电磁波探测目标的电子设备，它可以用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。具体的，雷达可以通过自身和目标之间相对运动产生的频率多普勒效应测量目标物体距离发射点的距离变化率，从而测量出物体的行动速度；雷达也可以利用天线的尖锐方位波束，并通过仰角和距离计算出目标物体的高度；雷达还可以通过测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差精确的计算出雷达与目标物体的距离。
在一个实施例中，如图1所示，信号处理装置300还可以与计算机设备400电连接。具体的，计算机设备400可以辅助信号处理装置300对数字信号进行进一步处理，也可以将信号处理装置300获取到的目标物体距离发射点的距离、目标物体的距离变化率、方位及高度等信息上传至互联网上。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹雷达的信号转换装置，其特征在于，所述太赫兹雷达的信号转换装置包括光信号转换单元和微波信号转换单元，
所述光信号转换单元包括依次串联的光基准信号源、微波信号发生模块、第一光学调制模块、第一光滤波模块、第一光真延时模块和第一光电转换模块；
所述微波信号转换单元包括依次串联的第二光电转换模块、第二光学调制模块、第二光真延时模块、第二光滤波模块和模数转换模块；
所述光基准信号源用于产生光基准信号；
所述微波信号发生模块用于将所述光基准信号变换为预设频段的光信号；
所述第一光学调制模块用于对所述预设频段的光信号进行调制；
所述第一光滤波模块用于对调制后的光信号进行降噪处理；
所述第一光真延时模块用于对降噪处理后的光信号进行延时处理；
所述第一光电转换模块用于将延时处理后的光信号转换为微波信号，以使信号收发装置发送所述微波信号；
所述第二光电转换模块用于将所述信号收发装置接收到的反射后的微波信号转换为光信号；
所述第二光学调制模块用于将转换后的光信号进行解调；
所述第二光真延时模块用于对解调后的光信号进行延时处理；
所述第二滤波模块用于对延时处理后的光信号进行降噪处理；
所述模数转换模块用于将降噪处理后的光信号转换为数字信号，以使信号处理装置对所述数字信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的太赫兹雷达的信号转换装置，其特征在于，所述光基准信号源还分别与所述第二光学调制模块和所述模数转换模块电连接，用于提供光基准信号。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹雷达的信号转换装置，其特征在于，所述光基准信号源为光学振荡器；所述光学振荡器产生的所述光基准信号的频率为100GHz-500GHz。
4.根据权利要求1或2所述的太赫兹雷达的信号转换装置，其特征在于，所述第一光学调制模块和所述第二光学调制模块分别包括相位调制器、光强调制器，频率调制器和光脉冲调制器中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的太赫兹雷达的信号转换装置，其特征在于，所述第一光真延时模块和所述第二光真延时模块分别包括光纤延时器、光纤光栅延时器和光波导延时器中的任一种。
6.根据权利要求1或2所述的太赫兹雷达的信号转换装置，其特征在于，所述第一光电转换模块包括单行载流子高速光探测器。
7.根据权利要求1或2所述的太赫兹雷达的信号转换装置，其特征在于，所述模数转换模块为光辅助模数转换器；所述光辅助模数转换器的采样时钟抖动小于100fs。
8.一种太赫兹雷达，其特征在于，所述太赫兹雷达包括信号收发装置，信号处理装置，以及如权利要求1-7任一项所述的信号转换装置；
其中，所述信号收发装置分别与所述信号转换装置的所述第一光电转换模块和所述第二光电转换模块电连接，用于发射和接收微波信号；
所述信号处理装置分别与所述信号转换装置的所述光基准信号源和所述模数转换模块电连接，用于处理所述数字信号，并根据所述数字信号的处理结果获取目标物体的状态信息。
9.根据权利要求8所述的太赫兹雷达，其特征在于，所述目标物体的状态信息包括所述目标物体距离发射点的距离、所述目标物体的距离变化率、方位及高度中的一项或多项信息。
10.根据权利要求9所述的太赫兹雷达，其特征在于，所述信号处理装置还与计算机设备电连接，所述计算机设备用于辅助所述信号处理装置对所述数字信号进行处理和/或将所述目标物体的状态信息上传至互联网上。
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