CN111580071A - 双波段线性调频雷达正交解调接收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波段线性调频雷达正交解调接收方法。将载波抑制双边带的偏振复用参考光信号分为两路并滤出其中一路的一个边带；分离其中一路的两个偏振态作为本振光信号；另外一路的两个偏振态投影到一个偏振轴上作为光载波，以回波信号对光载波进行载波抑制调制产生调制光信号后分为两路；每一路本振光/调制光信号又分为四路，并分别引入0、π/2、π和3π/2的相移，再分别与一路调制光/本振光信号耦合；将引入0和π、π/2和3π/2相移的耦合光信号分别进行平衡光电探测，得到双波段的正交解调信号。本发明还公开了一种双波段线性调频雷达正交解调接收装置。本发明具有结构简单，对调频斜率无限定，可实现瞬时探测等优点。

Description

双波段线性调频雷达正交解调接收方法及装置

技术领域

本发明涉及一种雷达正交解调接收方法，尤其涉及一种双波段线性调频雷达正交解调接收方法。

背景技术

现代雷达的功能需求从单一的目标测距扩展到多种功能，如目标的识别、跟踪、成像等。与单波段雷达相比，双波段雷达采用两个不同波段的信号以实现多种功能的目标探测。比如，可以利用一个波段用于目标的跟踪，另外一个波段用于目标的成像，也可以对两个波段的回波数据进行融合处理，以提高目标探测的分辨率、可靠性等。在双波段线性调频雷达接收机中，为了准确获得目标回波的幅度、相位信息，需要同时对两个波段的线性调频信号进行正交解调。然而，受制于电子技术的“带宽瓶颈”，一方面，采用电子技术的传统雷达正交解调接收机在对大带宽的信号解调时，会产生较大程度的幅度和相位失配，从而导致很高的镜像分量(参见[M.A.Richards,“Pulsed radar data acquisition,”inFundamentals of Radar Signal Processing(McGraw-Hill,2014)])；另一方面，传统双波段雷达采用分立的接收机实现对双波段信号的接收(参见[L.Yang,G.Chen,G.Li,“Classification of personnel targets with baggage using dual-band radar,”Remot.sens.,9(6),594(2017).)，这会严重影响两个波段信号的相干性，增加信号处理难度，恶化目标探测结果。

将具有大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性的微波光子技术应用于双波段雷达，有望极大的提高雷达探测性能(参见[P.Ghelfi,F.Laghezza,F.Scotti,D.Onori,andA.Bogoni,“Photonics for Radars Operating on Multiple Coherent Bands,”J.Light.Technol.34(2),500-507(2016)])。利用微波光子技术产生双波段线性调频雷达信号的方案已有报道(参见[Q.Guo,F.Zhang,P.Zhou,and S.Pan,“Dual-Band LFM SignalGeneration by Optical Frequency Quadrupling and Polarization Multiplexing,”IEEE Photon.Technol.Lett.29(16),1320–1323(2017)])。采用微波光子技术对双波段线性调频雷达信号的接收与处理也成为近年来研究的热点。然而，目前仅实现了对具有相反调频斜率线性调频信号的正交解调接收，其应用范围受到限制(参见[Z.Meng,J.Li,C.Yin,Y.Fan,F.Yin,Y.Zhou,Y.Dai,and K.Xu,“Dual-band dechirping LFMCW radar receiverwith high image rejection using microwave photonic I/Q mixer,”Opt.Express,25(18),22055(2017).])。当线性调频信号的调频斜率相同时，两个波段目标回波的去斜信号相同，难以分离。传统的方案是先用两个电滤波器将两个波段的回波分离，再用两个分立的接收通道对分离后的信号进行处理。但是，这种系统不仅结构复杂，成本高，还容易造成接收信号的不相干，增加信号处理难度。此外，当两个波段频率相近或有重叠时，采用电滤波器也难以有效分离两个波段的回波信号。研究系统结构简单紧凑、调频斜率无限定的双波段微波光子雷达正交解调接收方案，对提高雷达目标探测性能具有非常重要的意义。

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，提供一种双波段线性调频雷达正交解调接收方法，基于微波光子技术辅助，具有系统结构简单，对调频斜率无限定，可实现瞬时探测等优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种双波段线性调频雷达正交解调接收方法，将参考光信号分为两路并滤出其中一路的一个边带，所述参考光信号为具有表达形式为exp[2π(f₀+f_ci/2+k_it²/4)]和exp[2π(f₀-f_ci/2-k_it²/4)]的两个边带的载波抑制双边带光信号，f₀为参考光信号的中心频率，f_ci、k_i分别为所要接收信号的中心频率和调频斜率，其中i＝1、2，表示两个不同的正交偏振态；分离其中一路的两个偏振态作为本振光信号；另外一路的两个偏振态投影到一个偏振轴上作为光载波，以回波信号对所述光载波进行载波抑制调制产生调制光信号后分为两路；每一路本振光/调制光信号又分为四路，并分别引入0、π/2、π和3π/2的相移，再分别与一路调制光/本振光信号耦合；将引入0和π、π/2和3π/2相移的耦合光信号分别进行平衡光电探测，得到双波段的正交解调信号。

优选地，所述偏振轴与两个正交偏振态方向的夹角为π/4。

优选地，所述载波抑制调制由工作在最小偏置点的强度调制器实现。

优选地，所述相移由双偏振90°光混波器引入。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种双波段线性调频雷达正交解调接收装置，包括：

信号分配模块，用于将参考光信号分为两路并滤出其中一路的一个边带，所述参考光信号为具有表达形式为exp[2π(f₀+f_ci/2+k_it²/4)]和exp[2π(f₀-f_ci/2-k_it²/4)]的两个边带的载波抑制双边带光信号，f₀为参考光信号的中心频率，f_ci、k_i分别为所要接收信号的中心频率和调频斜率，其中i＝1、2，表示两个不同的正交偏振态；载波抑制调制模块，用于将其中一路参考光信号的两个偏振态投影到一个偏振轴上作为光载波，以回波信号对所述光载波进行载波抑制调制，产生调制光信号；光混波模块，用于分离另外一路参考光信号的两个偏振态作为本振光信号，同时将调制光信号分为两路；将每一路本振光/调制光信号又分为四路，并分别引入0、π/2、π和3π/2的相移，再分别与一路调制光/本振光信号耦合；

平衡探测模块，用于将引入0和π、π/2和3π/2相移的耦合光信号分别进行平衡光电探测，得到双波段的正交解调信号。

优选地，载波抑制调制模块的所述偏振轴与两个正交偏振态方向的夹角为π/4。

优选地，所述载波抑制调制由工作在最小偏置点的强度调制器实现。

优选地，所述光混波模块通过双偏振90°光混波器引入所述相移。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1)本发明避免了对信号调频斜率的限定，大幅增加了应用范围；

2)本发明仅使用一个简单的电光调制器完成对双波段目标回波信号的电光转换，系统

结构简单、紧凑，避免了双波段信号在传输过程中造成的不相干；

3)本发明采用微波光子去斜处理技术，不仅可以实现双波段回波信号的正交解调接收，还可以减少数据处理量；

4)本发明不仅可以用于微波光子双波段线性调频雷达的回波信号接收，也可用于传统采用纯电子技术的双波段线性调频雷达，具有良好的适用性。

附图说明

图1为本发明双波段线性调频雷达正交解调接收装置的结构原理示意图；

图2为实施例一的微波光子雷达系统结构示意图；

图3为实施例一的正交解调接收装置结构示意图；

图4为实施例一中偏振复用光信号的光谱图；

图5为实施例一中光带通滤波器的输出光谱图；

图6为实施例一中强度调制器的输出光谱图；

图7为实施例二的雷达系统结构示意图。

具体实施方式

为了突破现有双波段线性调频雷达对于信号调频斜率的限制，本发明的解决思路是：将参考光信号分为两路并滤出其中一路的一个边带，所述参考光信号为具有表达形式为exp[2π(f₀+f_ci/2+k_it²/4)]和exp[2π(f₀-f_ci/2-k_it²/4)]的两个边带的载波抑制双边带光信号，f₀为参考光信号的中心频率，f_ci、k_i分别为所要接收信号的中心频率和调频斜率，其中i＝1、2，表示两个不同的正交偏振态；分离其中一路的两个偏振态作为本振光信号；另外一路的两个偏振态投影到一个偏振轴上作为光载波，以回波信号对所述光载波进行载波抑制调制产生调制光信号后分为两路；每一路本振光/调制光信号又分为四路，并分别引入0、π/2、π和3π/2的相移，再分别与一路调制光/本振光信号耦合；将引入0和π、π/2和3π/2相移的耦合光信号分别进行平衡光电探测，得到双波段的正交解调信号。

本发明双波段线性调频雷达正交解调接收装置的基本结构，如图1所示，包括：

信号分配模块，用于将参考光信号分为两路并滤出其中一路的一个边带，所述参考光信号为具有表达形式为exp[2π(f₀+f_ci/2+k_it²/4)]和exp[2π(f₀-f_ci/2-k_it²/4)]的两个边带的载波抑制双边带光信号，f₀为参考光信号的中心频率，f_ci、k_i分别为所要接收信号的中心频率和调频斜率，其中i＝1、2，表示两个不同的正交偏振态；载波抑制调制模块，用于将其中一路参考光信号的两个偏振态投影到一个偏振轴上作为光载波，以回波信号对所述光载波进行载波抑制调制，产生调制光信号；光混波模块，用于分离另外一路参考光信号的两个偏振态作为本振光信号，同时将调制光信号分为两路；将每一路本振光/调制光信号又分为四路，并分别引入0、π/2、π和3π/2的相移，再分别与一路调制光/本振光信号耦合；

平衡探测模块，用于将引入0和π、π/2和3π/2相移的耦合光信号分别进行平衡光电探测，得到双波段的正交解调信号。

所述信号分配模块可由一个一分二光耦合器级联一个光带通滤波器实现，一分二耦合器用于将偏振复用光信号分为两路，光带通滤波器用于滤出任意一路中的一个边带；

所述载波抑制调制模块可以由强度调制器或级联相位调制器和光滤波器实现，本发明优选采用工作在最小偏置点的强度调制器实现载波抑制调制。

所述光混波模块优选通过双偏振90°光混波器引入所述相移。

本发明不仅可以用于微波光子双波段线性调频雷达的回波信号接收，也可用于传统采用纯电子技术的双波段线性调频雷达，具有极佳的适用性。

为便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明。在实施例中，发射与接收信号的表达形式为cos[2π(f_ci+k_it²/2)]，其中，f_ci和k_i分别为中频线性调频信号的中心频率和调频斜率，i＝1或2，表示两个不同的信号，其频率间隔Δf(t)＝f_c2-f_c1+(k₂-k₁)t。

实施例一：

本实施例正交解调接收装置中的参考光信号来自双波段微波光子线性调频雷达发射机，如图2所示，其包括：一个激光器、一个偏振复用双平行强度调制器、一个一分二耦合器、一个光电探测器、一个功率放大器(功放)、一个发射天线。图3为本实施例中正交解调接收装置的结构示意图，包括：一个一分二耦合器、一个光带通滤波器、三个偏振控制器、一个强度调制器、一个接收天线、一个低噪声放大器(低噪放)、一个双偏振90°光混波器和四个平衡光电探测器。

在发射机中，利用两个不同波段的中频线性调频信号通过偏振复用双平行强度调制器对激光器产生的单频光信号进行调制。所述两个中频线性调频信号的表达形式为cos[2π(f_ci/4+k_it²/8)]。所述偏振复用双平行强度调制器工作在载波抑制双边带(±2阶)模式，其产生的偏振复用光信号如图4所示，图中实线和虚线表示两个正交偏振态。所述偏振复用光信号可表示为：

其中，E_o和f₀分别是光信号的幅度和中心频率。

偏振复用强度调制器的输出光信号经过一分二耦合器分为两路，一路经过光电探测器拍频产生形式为cos[2π(f_ci+k_it²/2)]的四倍频线性调频信号，该四倍频的线性调频信号经过功放放大之后用发射天线辐射至探测空间。另外一路作为参考光信号经由一分二耦合器进一步分为上下两路。使用光带通滤波器滤出上路信号中的一个边带(下边带)，得到的光谱如图5所示。控制偏振控制器1，使上路光信号的两个正交偏振方向与强度调制器的最佳调制轴夹角为θ，则两个正交偏振态的光信号在最佳调制轴上的投影(本振光信号)分别为：

接收天线收集双波段目标回波信号并发送至低噪放放大，经放大后的信号馈入工作在最小偏置点的强度调制器。为了实现正确的正交解调，强度调制器输出的两个波段的调制信号功率应相同，即E₁’(t)＝E₂’(t)，因此，θ＝π/4。强度调制器的输出光谱如图6所示，图中实线和虚线表示以载有两个不同波段的光信号为载波的调制结果。假设目标回波与本振光信号之间的延时为τ，则强度调制器的输出信号为：

控制偏振控制器2，使强度调制器输出光信号的偏振方向与双偏振90°混波器中偏振分束器1的偏振轴夹角为π/4，因此偏振分束器1在这里起到功分器的作用。

控制偏振控制器3，使下路信号的两个正交偏振方向与偏振分束器2的偏振轴对准，以分离两个正交偏振态作为本振光信号(LO₁和LO₂)，其可以表示为：

偏振分束器1输出的两路信号分别和偏振分束器2输出的两路信号同时输入至90°光混波器，其传输函数可以表示为：

将E_{i_0}(t)和E_{i_π}(t)、E_{i_π/2}(t)和E_{i_3π/2}(t)分别发送至一个平衡光电探测器。为了消除两个波段信号交调带来干扰，应使平衡探测器的带宽小于Δf(t)/2。平衡光电探测器的输出可以表示为

式中*表示共轭。由式(6)可以看出，得到了两个频率为k_iτ，相位相差为π/2的去斜信号，且调频斜率k_i可以任意设置，即实现了对调频斜率无限定的双波段信号的正交解调接收。

实施例二：

与实施例一不同的是，在本实施例中对采用纯电子技术的雷达发射机产生的线性调频信号进行正交解调。因此，正交解调接收装置中的参考光信号无法直接由雷达发射机获得。此时，首先将雷达发射机产生的两个波段的线性调频信号进行二分频以产生中频线性调频信号，并通过偏振复用强度调制器对激光器产生的单频光信号进行调制，从而产生偏振复用的参考光信号发送至正交解调接收装置，如图7所示。所述两个中频线性调频信号表达形式为cos[2π(f_ci/2+k_it²/4)]。

本实施例中正交解调接收装置的结构与实施例一中的结构相同。所述偏振复用强度调制器工作在载波抑制双边带(±1阶)模式，其输出的偏振复用光信号与图4所示相同。所述偏振复用光信号可表示为：

其中，E_o和f₀分别是光信号的幅度和中心频率。

所述偏振复用光信号发送至正交解调接收装置，其工作原理与实施例一所述原理相同，在此不再赘述。

本发明方法得到的去斜信号频率远低于目标回波信号频率，从而减小对采样率的需求，有效降低数据处理量。另外，本发明仅使用一个强度调制器实现了对双波段目标回波信号的电光转换，加之双偏振90°混波器的使用，避免了双波段信号在传输过程中造成的不相干，而平衡光电探测器的使用，可以有效抑制直流成分以及杂散信号的干扰。

Claims (8)

1.一种双波段线性调频雷达正交解调接收方法，其特征在于，将参考光信号分为两路并滤出其中一路的一个边带，所述参考光信号为具有表达形式为exp[2π(f₀+f_ci/2+k_it²/4)]和exp[2π(f₀-f_ci/2-k_it²/4)]的两个边带的载波抑制双边带光信号，f₀为参考光信号的中心频率，f_ci、k_i分别为所要接收信号的中心频率和调频斜率，其中i＝1、2，表示两个不同的正交偏振态；分离其中一路的两个偏振态作为本振光信号；另外一路的两个偏振态投影到一个偏振轴上作为光载波，以回波信号对所述光载波进行载波抑制调制产生调制光信号后分为两路；每一路本振光/调制光信号又分为四路，并分别引入0、π/2、π和3π/2的相移，再分别与一路调制光/本振光信号耦合；将引入0和π、π/2和3π/2相移的耦合光信号分别进行平衡光电探测，得到双波段的正交解调信号。

2.如权利要求1所述双波段线性调频雷达正交解调接收方法，其特征在于，所述偏振轴与两个正交偏振态方向的夹角为π/4。

3.如权利要求1所述双波段线性调频雷达正交解调接收方法，其特征在于，所述载波抑制调制由工作在最小偏置点的强度调制器实现。

4.如权利要求1所述双波段线性调频雷达正交解调接收方法，其特征在于，所述相移由双偏振90°光混波器引入。

5.一种双波段线性调频雷达正交解调接收装置，其特征在于，包括：

信号分配模块，用于将参考光信号分为两路并滤出其中一路的一个边带，所述参考光信号为具有表达形式为exp[2π(f₀+f_ci/2+k_it²/4)]和exp[2π(f₀-f_ci/2-k_it²/4)]的两个边带的载波抑制双边带光信号，f₀为参考光信号的中心频率，f_ci、k_i分别为所要接收信号的中心频率和调频斜率，其中i＝1、2，表示两个不同的正交偏振态；载波抑制调制模块，用于将其中一路参考光信号的两个偏振态投影到一个偏振轴上作为光载波，以回波信号对所述光载波进行载波抑制调制，产生调制光信号；光混波模块，用于分离另外一路参考光信号的两个偏振态作为本振光信号，同时将调制光信号分为两路；将每一路本振光/调制光信号又分为四路，并分别引入0、π/2、π和3π/2的相移，再分别与一路调制光/本振光信号耦合；

平衡探测模块，用于将引入0和π、π/2和3π/2相移的耦合光信号分别进行平衡光电探测，得到双波段的正交解调信号。

6.如权利要求5所述双波段线性调频雷达正交解调接收装置，其特征在于，载波抑制调制模块的所述偏振轴与两个正交偏振态方向的夹角为π/4。

7.如权利要求5所述双波段线性调频雷达正交解调接收装置，其特征在于，所述载波抑制调制由工作在最小偏置点的强度调制器实现。

8.如权利要求5所述双波段线性调频雷达正交解调接收装置，其特征在于，所述光混波模块通过双偏振90°光混波器引入所述相移。

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