CN111398920B - 一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器及实现方法，将微波光子技术引入雷达目标多普勒频移模拟器，构建基于偏振复用‑双平行马增调制器的微波光子多普勒频移模拟系统，使多普勒频移分量对雷达信号进行I/Q调制，产生上频移或下频移的雷达多普勒频移回波信号，进而模拟雷达目标的径向速度；同时通过光偏振角度来调整雷达回波信号的功率，进而模拟雷达目标的相对RCS。本发明雷达信号通过光域处理手段实现多普勒频移，可以有效实现大瞬时带宽、低杂散失真的雷达信号多普勒频移，多普勒频移数值大小、方向、目标数量、回波功率、回波相位均可以调谐。

Description

一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器及实现方法

技术领域

本发明涉及光电领域，尤其是一种多普勒频移模拟器及实现方法。

背景技术

雷达目标模拟器是雷达系统测量的有效工具，可避免复杂、昂贵、耗时的现场测试，另外它也广泛应用于电子对抗系统。雷达目标模拟器通过天线接收雷达信号，并对其进行延时、多普勒频移和功率调节，以模拟虚拟目标的位置距离、径向速度和雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)。目前雷达目标模拟器普遍采用的模拟或数字存储转发方法，核心组成是基于电子技术的变频、调制、数字信号处理、延时和幅相控制。现代雷达目标模拟器的典型需求是在较高的频率下需要数GHz的瞬时带宽，以便提供更高的分辨率，这在电子领域很难实现。近二十多年来，人们已经证明了微波光子技术可以克服电子技术的带宽瓶颈。基于微波光子技术的雷达目标模拟器可利用光子技术大带宽、低频率依赖和抗电磁干扰的优势，避免采用采样率和有效位数受限的模数转换器和数模转换器，为超宽带雷达模拟提供一种更为简单有效的解决方案。但如何通过微波光子技术构建一个大带宽、多普勒频移范围广、杂散抑制能力高的雷达目标多普勒频移模拟器是一个难题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器及实现方法。本发明将微波光子技术引入雷达目标多普勒频移模拟器，构建基于偏振复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)-双平行马增调制器(Dual Parallel Mach-Zehnder Modulator,DPMZM)的微波光子多普勒频移模拟系统，使多普勒频移分量对雷达信号进行I/Q调制，产生上频移或下频移的雷达多普勒频移回波信号，进而模拟雷达目标的径向速度；同时通过光偏振角度来调整雷达回波信号的功率，进而模拟雷达目标的相对RCS。该发明具有带宽大、频谱纯度高的特点，可解决雷达目标多普勒频移模拟面临的带宽受限和杂散失真问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器，包括直接数字频率合成器(DirectDigital Synthesizer,DDS)、激光源、PDM-DPMZM、掺铒光纤放大器(Erbium-Doped FiberAmplifier,EDFA)、光滤波器、偏振控制器(Polarization Controller,PC)、起偏器和光电探测器(Photodetector,PD)，DDS的两个输出端口分别通过电缆连接PDM-DPMZM的射频端口，激光源的输出端口连接PDM-DPMZM的光输入端口，PDM-DPMZM的输出端口连接EDFA的输入端口，EDFA的输出端口连接光滤波器的输入端口，光滤波器的输出端口连接PC的输入端口，PC的输出端口连接起偏器的输入端口，起偏器的输出端口连接PD的光输入端口。

所述PDM-DPMZM包含一个光分路器、两个并行的DPMZM(X-DPMZM和Y-DPMZM)和一个偏振合束器(Polarization Beam Combiner,PBC)，其中X-DPMZM内部包含两个并联的子调制器XI和XQ，Y-DPMZM内部包含两个并联的子调制器YI和YQ；进入PDM-DPMZM的光信号被光分路器一分为二，分别进入X-DPMZM和Y-DPMZM，X-DPMZM和Y-DPMZM输出的光信号共同输入PBC实现偏振复用，偏振复用信号从PDM-DPMZM调制器输出；DDS的两个输出端口分别通过电缆连接XI和XQ的射频端口，待处理的雷达射频(Radio Frequency,RF)信号通过电缆连接到YI的射频端口，YQ射频端口空载。

一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器的实现方法，包括如下步骤：

步骤1：激光源输出光载波信号表示为E_in(t)＝E_cexp(j2πf_ct)，其中E_c为光载波的光场幅度，f_c为光载波的频率，该光载波信号在PDM-DPMZM中分为四路，分别送入设置在最小点的XI、XQ、YI和YQ子调制器；

步骤2：DDS产生的两路相位正交的多普勒频率分量分别表示为I(t)＝Asin(2πf_dt)和Q(t)＝Acos(2πf_dt)，其中A为多普勒频率分量的幅度，f_d为多普勒频率，两个正交信号分别在子调制器XI和XQ中对光载波调制，通过设置XI和XQ的直流偏压，使XI和XQ均工作在最小点；则XI和XQ子调制器输出的光信号分别表示为：

其中m_A＝πA/(2V_π)为调制指数，V_π为调制器半波电压；

步骤3：通过设置X-DPMZM的直流偏压时期工作在90°正交点，对XI和XQ两个子调制器输出信号引入相位差90°，实现两个多普勒频移分量的I/Q光调制，则输出X-DPMZM的光信号表示为：

步骤4：雷达信号表示为

其中V_RF和f_RF分别是雷达信号的幅度和中心频率，/>

为雷达信号的相位，雷达信号输入YI的射频端口，YQ射频端口空载，通过设置YI和YQ的直流偏压，使YI和YQ均工作在最小点，则Y-DPMZM输出：

其中m_B＝πV_RF/(2V_π)为雷达信号的调制指数；

步骤4：X-DPMZM和Y-DPMZM输出的光信号偏振复用后输出PDM-DPMZM调制器，然后用光滤波器滤除RF调制的负一阶边带，剩下多普勒频率分量I/Q调制光信号和RF调制光的上边带；此时偏振复用信号包含的X分量不变，Y分量分别为：

步骤5：滤波后的偏振复用信号经过PC进入起偏器，通过PC调整光偏振角使偏振复用光与起偏器的角度差为α，或者通过PC调整光偏振方位角使两个偏振分量的相位差为θ，则起偏器输出的光信号表示为：

E_pol(t)＝E_X(t)cosα+E_{Y_OF}(t)sinαexp(jθ) (6)

步骤6：起偏器输出的光信号进入PD光电探测，PD输出的射频信号电流表示为：

即得到所需的经过多普勒频移+f_d的雷达信号，其中η为PD的响应度；

步骤7：通过设置X-DPMZM的直流偏压使X-DPMZM工作在-90°正交点，则PD输出经过多普勒频移为-f_d的雷达回波信号，从而改变了多普勒频移的方向；通过DDS更改f_d的频率，则更改多普勒频移的数值大小；DDS产生多个正交多普勒频移分量，则对雷达信号进行多个多普勒频移后相叠加，以实现多个雷达目标的径向速度模拟；

根据式(7)，通过PC改变偏振复用光的偏振角α，则调节PD输出的射频信号电流，进而改变雷达回波信号功率，实现雷达目标相对RCS的模拟；

根据式(7)，通过PC改变偏振复用光的方位角θ，则调节PD输出的射频信号相位，实现雷达回波信号相位的调谐。

本发明的有益效果由于采用了最新的微波光子学技术，雷达信号通过光域处理手段实现多普勒频移，可以有效实现大瞬时带宽、低杂散失真的雷达信号多普勒频移，多普勒频移数值大小、方向、目标数量、回波功率、回波相位均可以调谐。因此，该方法可以更好的满足目前雷达目标多普勒频移模拟的需求。

附图说明

图1为本发明基于微波光子学的宽带雷达目标多普勒频移模拟器装置图。

图2为本发明对15GHz载频雷达信号多普勒频移后的雷达回波频谱。

图3为本发明对20GHz载频雷达信号多普勒频移后的雷达回波频谱。

图4为本发明对15GHz载频雷达信号多普勒频移+25MHz后不同功率的雷达回波频谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器，包括直接数字频率合成器(DirectDigital Synthesizer,DDS)、激光源、PDM-DPMZM、掺铒光纤放大器(Erbium-Doped FiberAmplifier,EDFA)、光滤波器、偏振控制器(Polarization Controller,PC)、起偏器和光电探测器(Photodetector,PD)，DDS的两个输出端口分别通过电缆连接PDM-DPMZM的射频端口，激光源的输出端口连接PDM-DPMZM的光输入端口，PDM-DPMZM的输出端口连接EDFA的输入端口，EDFA的输出端口连接光滤波器的输入端口，光滤波器的输出端口连接PC的输入端口，PC的输出端口连接起偏器的输入端口，起偏器的输出端口连接PD的光输入端口。

所述PDM-DPMZM包含一个光分路器、两个并行的DPMZM(X-DPMZM和Y-DPMZM)和一个偏振合束器(Polarization Beam Combiner,PBC)，其中X-DPMZM内部包含两个并联的子调制器XI和XQ，Y-DPMZM内部包含两个并联的子调制器YI和YQ；进入PDM-DPMZM的光信号被光分路器一分为二，分别进入X-DPMZM和Y-DPMZM，X-DPMZM和Y-DPMZM输出的光信号共同输入PBC实现偏振复用，偏振复用信号从PDM-DPMZM调制器输出；DDS的两个输出端口分别通过电缆连接XI和XQ的射频端口，待处理的雷达射频(Radio Frequency,RF)信号通过电缆连接到YI的射频端口，YQ射频端口空载。

所述一种基于微波光子学的宽带雷达目标多普勒频移模拟器的实现方法，包括如下步骤：

步骤1：激光源输出光载波信号表示为E_in(t)＝E_cexp(j2πf_ct)，其中E_c为光载波的光场幅度，f_c为光载波的频率，该光载波信号在PDM-DPMZM中分为四路，分别送入设置在最小点的XI、XQ、YI和YQ子调制器；

步骤2：DDS产生的两路相位正交的多普勒频率分量分别表示为I(t)＝Asin(2πf_dt)和Q(t)＝Acos(2πf_dt)，其中A为多普勒频率分量的幅度，f_d为多普勒频率，两个正交信号分别在子调制器XI和XQ中对光载波调制，通过设置XI和XQ的直流偏压，使XI和XQ均工作在最小点；则XI和XQ子调制器输出的光信号分别表示为：

其中m_A＝πA/(2V_π)为调制指数，V_π为调制器半波电压；

步骤3：通过设置X-DPMZM的直流偏压时期工作在90°正交点，对XI和XQ两个子调制器输出信号引入相位差90°，实现两个多普勒频移分量的I/Q光调制，则输出X-DPMZM的光信号表示为：

步骤4：雷达信号表示为

其中V_RF和f_RF分别是雷达信号的幅度和中心频率，/>

为雷达信号的相位，雷达信号输入YI的射频端口，YQ射频端口空载，通过设置YI和YQ的直流偏压，使YI和YQ均工作在最小点，则Y-DPMZM输出：

其中m_B＝πV_RF/(2V_π)为雷达信号的调制指数；

步骤4：X-DPMZM和Y-DPMZM输出的光信号偏振复用后输出PDM-DPMZM调制器，然后用光滤波器滤除RF调制的负一阶边带，剩下多普勒频率分量I/Q调制光信号和RF调制光的上边带；此时偏振复用信号包含的X分量不变，Y分量分别为：

步骤5：滤波后的偏振复用信号经过PC进入起偏器，通过PC调整光偏振角使偏振复用光与起偏器的角度差为α，或者通过PC调整光偏振方位角使两个偏振分量的相位差为θ，则起偏器输出的光信号表示为：

E_pol(t)＝E_X(t)cosα+E_{Y_OF}(t)sinαexp(jθ) (6)

步骤6：起偏器输出的光信号进入PD光电探测，PD输出的射频信号电流表示为：

即得到所需的经过多普勒频移+f_d的雷达信号，其中η为PD的响应度；

步骤7：通过设置X-DPMZM的直流偏压使X-DPMZM工作在-90°正交点，则PD输出经过多普勒频移为-f_d的雷达回波信号，从而改变了多普勒频移的方向；通过DDS更改f_d的频率，则更改多普勒频移的数值大小；DDS产生多个正交多普勒频移分量，则对雷达信号进行多个多普勒频移后相叠加，以实现多个雷达目标的径向速度模拟；

根据式(7)，通过PC改变偏振复用光的偏振角α，则调节PD输出的射频信号电流，进而改变雷达回波信号功率，实现雷达目标相对RCS的模拟；

根据式(7)，通过PC改变偏振复用光的方位角θ，则调节PD输出的射频信号相位，实现雷达回波信号相位的调谐。

本实施例中装置包括：激光源、PDM-DPMZM、EDFA、光滤波器、PC、起偏器、PD、任意函数发生器、矢量信号源、直流源、频谱仪。

器件主要参数配置如下：

·激光源：输出波长193.457THz、功率17dBm；

·PDM-DPMZM：型号为Fujitsu FTM7977HQA，插入损耗为10dB，半波电压3.5V，消光比>22dB；

·EDFA：前置放大器，噪声系数4.5dB，固定输出功率为19dBm；

·光滤波器：带通光滤波器，中心波长为193.465THz，通带带宽为22GHz。

·PD：型号为BPDV2150R，带宽为50GHz，响应度0.6A/W。

·矢量信号源：输出频率最高20GHz，功率最高22dBm，调制带宽最大50MHz。

·任意函数发生器：双输出通道，最高频率25MHz。

本实施例操作步骤：

步骤1：如图1所示连接各器件和仪器，具体包括：激光源的输出端口连接PDM-DPMZM的输入端口，PDM-DPMZM的输出端口连接EDFA的输入端口，EDFA的输出端口连接光滤波器的输入端口，光滤波器的输出端口连接PC的输入端口，PC的输出端口连接起偏器的输入端口，起偏器的输出端口连接PD的光输入端口。任意函数发生器的两个通道输出端口分别连接PDM-DPMZM内XI和XQ的射频端口，矢量信号源的射频输出端口连接YI的射频端口，直流源产生6路直流电压分别连接PDM-DPMZM的6个直流偏压端口，PD的射频输出端口连接频谱仪的射频输入端口。

步骤2：设置任意函数发生器产生双通道的正弦信号，两信号功率均为5dBm、频率均为25MHz，相位差90度。设置矢量信号源产生宽带射频信号，中心频率为15GHz，信号带宽为20MHz，频谱类型为高斯型，功率为10dBm。

步骤3：调节直流源电压，使XI、XQ、YI、YQ工作在最小点，X-DPMZM工作在+90°正交点(正移频状态)。

步骤4：调节PC，使偏振复用信号以45度进入起偏器，此时PD输出的多普勒频移信号(中心频率为15GHz+5MHz)频谱功率达到最大值。以5MHz为步进，依次增加任意函数发生器产生的双通道正弦信号频率为10MHz、15MHz、20MHz和25MHz，通过频谱仪测试输出PD的信号频谱，如图2所示。

步骤5：将X-DPMZM的正交点设置为-90°(负移频)，重复步骤4，测得负移频5～25MHz后的信号频谱如图2所示。图2显示移频范围从-25MHz到+25MHz，多普勒频移后的频谱质量较好，对附近杂散失真的抑制比在20dB以上。

步骤6：通过矢量信号源将宽带射频信号中心频率更改为20GHz，重复步骤4、5，测得移频范围从-25MHz到+25MHz后的多普勒频移频谱如图3所示，杂散失真抑制比仍旧在20dB以上。

步骤7：通过矢量信号源将宽带射频信号中心频率更改为15GHz，通过任意函数发生器将双通道正弦信号频率更改为25GHz，调节直流源电压使X-DPMZM工作在+90°正交点(正移频状态)，PD后产生15.025GHz的多普勒频移信号。在此基础上调节PC，更改光信号偏振角从而调节多普勒频移信号功率，如图4所示，多普勒频移信号功率以2dB为步进，从-16dBm改变到-6dBm。表明所述装置不仅能够实现多普勒频移，还能实现功率调谐。

综上，实施例可实现宽带雷达目标宽工作频段、大频移范围、低杂散失真的多普勒频移模拟，并可通过改变光偏振角实现雷达回波信号功率的调谐以模拟雷达目标RCS。

以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，雷达信号频率和功率、激光波长和功率等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器，其特征在于：

所述宽带雷达目标多普勒频移模拟器，包括直接数字频率合成器、激光源、PDM-DPMZM、掺铒光纤放大器、光滤波器、偏振控制器、起偏器和光电探测器，DDS的两个输出端口分别通过电缆连接PDM-DPMZM的射频端口，激光源的输出端口连接PDM-DPMZM的光输入端口，PDM-DPMZM的输出端口连接EDFA的输入端口，EDFA的输出端口连接光滤波器的输入端口，光滤波器的输出端口连接PC的输入端口，PC的输出端口连接起偏器的输入端口，起偏器的输出端口连接PD的光输入端口；所述PDM-DPMZM包含一个光分路器、两个并行的DPMZM和一个偏振合束器(Polarization Beam Combiner,PBC)，其中两个并行的DPMZM分别为X-DPMZM和Y-DPMZM，X-DPMZM内部包含两个并联的子调制器XI和XQ，Y-DPMZM内部包含两个并联的子调制器YI和YQ；进入PDM-DPMZM的光信号被光分路器一分为二，分别进入X-DPMZM和Y-DPMZM，X-DPMZM和Y-DPMZM输出的光信号共同输入PBC实现偏振复用，偏振复用信号从PDM-DPMZM调制器输出；DDS的两个输出端口分别通过电缆连接XI和XQ的射频端口，待处理的雷达射频(Radio Frequency,RF)信号通过电缆连接到YI的射频端口，YQ射频端口空载。

2.一种利用权利要求1所述一种宽带雷达目标多普勒频移模拟器的实现方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：激光源输出光载波信号表示为E_in(t)＝E_cexp(j2πf_ct)，其中E_c为光载波的光场幅度，f_c为光载波的频率，该光载波信号在PDM-DPMZM中分为四路，分别送入设置在最小点的XI、XQ、YI和YQ子调制器；

步骤2：DDS产生的两路相位正交的多普勒频率分量分别表示为I(t)＝Asin(2πf_dt)和Q(t)＝Acos(2πf_dt)，其中A为多普勒频率分量的幅度，f_d为多普勒频率，两个正交信号分别在子调制器XI和XQ中对光载波调制，通过设置XI和XQ的直流偏压，使XI和XQ均工作在最小点；则XI和XQ子调制器输出的光信号分别表示为：

其中m_A＝πA/(2V_π)为调制指数，V_π为调制器半波电压；

步骤3：通过设置X-DPMZM的直流偏压时期工作在90°正交点，对XI和XQ两个子调制器输出信号引入相位差90°，实现两个多普勒频移分量的I/Q光调制，则输出X-DPMZM的光信号表示为：

步骤4：雷达信号表示为

其中V_RF和f_RF分别是雷达信号的幅度和中心频率，/>

为雷达信号的相位，雷达信号输入YI的射频端口，YQ射频端口空载，通过设置YI和YQ的直流偏压，使YI和YQ均工作在最小点，则Y-DPMZM输出：/>

其中m_B＝πV_RF/(2V_π)为雷达信号的调制指数；

步骤4：X-DPMZM和Y-DPMZM输出的光信号偏振复用后输出PDM-DPMZM调制器，然后用光滤波器滤除RF调制的负一阶边带，剩下多普勒频率分量I/Q调制光信号和RF调制光的上边带；此时偏振复用信号包含的X分量不变，Y分量分别为：

步骤5：滤波后的偏振复用信号经过PC进入起偏器，通过PC调整光偏振角使偏振复用光与起偏器的角度差为α，且通过PC调整光偏振方位角使两个偏振分量的相位差为θ，则起偏器输出的光信号表示为：

E_pol(t)＝E_X(t)cosα+E_{Y_OF}(t)sinαexp(jθ) (6)

步骤6：起偏器输出的光信号进入PD光电探测，PD输出的射频信号电流表示为：

即得到所需的经过多普勒频移+f_d的雷达信号，其中η为PD的响应度；

步骤7：通过设置X-DPMZM的直流偏压使X-DPMZM工作在-90°正交点，则PD输出经过多普勒频移为-f_d的雷达回波信号，从而改变了多普勒频移的方向；通过DDS更改f_d的频率，则更改多普勒频移的数值大小；DDS产生多个正交多普勒频移分量，则对雷达信号进行多个多普勒频移后相叠加，以实现多个雷达目标的径向速度模拟；

根据式(7)，通过PC改变偏振复用光的偏振角α，则调节PD输出的射频信号电流，进而改变雷达回波信号功率，实现雷达目标相对RCS的模拟；

根据式(7)，通过PC改变偏振复用光的方位角θ，则调节PD输出的射频信号相位，实现雷达回波信号相位的调谐。

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