CN111665497B - 一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，包括：利用空间电磁反演技术实现对某个时刻电磁信号所覆盖空域内所有目标的定位，然后利用分布式雷达成像系统实现对所有目标的成像和识别；本发明所述的系统主要由空间电磁反演定位和分布式雷达成像两个子系统构成，其工作原理则是利用电信号源或光生微波模块产生超宽带光载微波信号，光纤和多路分光器件将所述超宽带光载微波信号送至不同的前端，每个所述前端根据接收到的目标位置和运动信息，调整天线指向并向目标发射所述超宽带微波信号，之后前端对该目标散射回的所述超宽带回波信号接收，利用数据处理器对接收回波数字信号进行处理，完成对目标的成像和识别。

Description

一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统。

背景技术

在发挥出远距离、全天候和全天时先天技术优势前提下，实现对特定空域内任意目标实时定位和成像识别对于应对由无人技术发展带来的空天安全威胁新样式具有重要意义。

现有空间目标定位多基于电子雷达系统，即通过接收由目标散射回的电磁信号实现对目标的定位。为实现对目标发现后的识别，一般需要两套雷达系统配合：一套实现对目标的定位，另一套根据定位信息向目标发射另一频段宽带雷达信号实现成像或识别。由于探测机制限制，这种基于电子技术的传统方法和微波系统难以实现大范围区域内多种目标的同时实时监测和成像识别。

基于传统电子技术实现上述系统和功能时存在两方面的问题：一是利用现有电子技术构建空间分布式射频收发系统复杂昂贵，多站建信号传输和功能耦合是挑战；二是现有电子瓶颈限制了成像用雷达信号带宽，这限制了对目标的成像分辨力，难以应对无人机等小目标识别需求。微波光子技术是微波技术和光子技术交叉领域，该技术由于采用光作为信号载体，具有高频、超宽带、低相噪及低损耗等先天优势，其在雷达单元技术和系统中的应用研究一直是热点，近年来更是有多家研究单位报道了微波光子雷达系统级研究成果和相关专利(201710796669.X；201910051728.X；201810955310.7等)。但目前已报道的微波光子雷达均是单站架构，多是针对特定目标而非多目标同时监测成像用途。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其工作原理为：首先，利用空间电磁反演技术实现对某个时刻电磁信号所覆盖空域内所有目标的定位；然后，利用分布式雷达成像系统实现对所有目标的成像和识别。

之所以采用微波光子，是因为微波光子技术用于实现多站间信号的传输与分布，进一步地讲，利用微波光子超宽带成像雷达实现对已定位目标的成像与识别；利用微波光子光生微波技术实现定位用电磁信号的产生；利用微波光子下变频技术或光采样技术实现对回波信号地接收和采样。

基于上述其工作原理，本发明提出的目标定位及成像系统由空间电磁反演定位和分布式雷达成像两个子系统构成，所述两子系统之间存在信号传输。

进一步地，所述空间电磁反演定位子系统由电信号源或光生微波信号源产生一频段微波信号，将所述微波信号加载到光载波上经分光器件分成两路，所述两路再分别经多路分光器件分别送给多个微波发射前端和多个接收前端。

进一步地，所述微波发射前端由光电转换器件、微波放大模块及微波天线等组成；所述接收前端由微波天线、微波放大模块、电光调制器、光电转换器、模数转换器等组成。

进一步地，所述微波发射前端和接收前端的工作过程为：发射前端的天线向特定空域发射该频段微波信号，所述特定空域内目标将所述微波信号散射至各接收位置处，接收前端的微波天线接收目标散射地微波信号并经所述微波放大模块放大，放大后的电信号经所述电光调制器调制到从信号源传来的光本振信号上，利用所述光电转换器完成光混频过程，所述模数转换器将所述光混频输出的电中频信号转换成数字信号。数据处理器利用空间电磁反演算法并结合收发前端在空间具体位置反演出特定时刻所覆盖区域中所有目标具体位置。利用该工作过程连续重复，即可得到所有目标当下的运动信息，并将其传送给分布式雷达成像系统。

进一步地，所述分布式雷达成像系统的工作过程为光生微波模块产生超宽带光载微波信号，利用光纤和多路分光器件将所述超宽带光载微波信号送至不同的分布式雷达成像系统前端，每个所述分布式雷达成像系统前端根据接收到的目标位置和运动信息，调整所述天线的指向并向目标发射超宽带微波信号，之后所述分布式雷达成像系统前端对该目标散射回的所述超宽带回波信号进行接收，再利用所述数据处理器对接收回波数字信号进行处理，完成对目标的成像和识别。

进一步地，基于上述对本发明系统的工作过程的描述，本发明还可以进一步地得出以下技术方案：对上述系统的一些关键器件进行模块化或集成化得到；所述模块化是利用微组装技术将分立器件进行微组装处理，比如，发射前端、接收前端和光载微波传输链路等，使本发明系统的体积更小；所述集成化是利用异质集成技术对除发射、接收天线与数据处理和控制模块以外的器件进行单片集成或多片异质集成，集成后芯片通过匹配接口与发射天线、接收天线和数据处理和控制模块连接。

进一步地，所述分布式雷达成像系统前端的结构可以为收发分立架构，也可以为收发一体架构。所述收发分立架构的发射前端由光电转换器、微波放大模块、微波发射天线组成；所述收发分立架构的接收前端由微波接收天线、微波放大器、电光调制器、光电探测器及模数转换器组成；所述收发一体架构是利用微波收发开关器件或光开关器件将所述分立架构的收、发链路切换使用。

进一步地，架构的可用光滤波器实现可信号的滤波，可由分立光纤光栅滤波器实现，也可由多进多出可编程光滤波器实现，也可由分立光纤光栅滤波器和多进多出可编程光滤波器两种组合。

进一步地，所述超宽带回波信号接收是利用光下变频处理，再模数转换方式进行接收。

进一步地，所述空间电磁反演定位子系统的收发前端的数量和平面分布可以是圆形或根据所需要覆盖空域尺寸所需的任意形状；所述分布式雷达成像系统的前端数量和平面分布需配合空间电磁反演定位子系统所需的任意形状。

进一步地，所述空间电磁反演定位子系统的回波信号接收系统可采用直接采样模式，即接收天线接收到的信号经放大后直接送入模数转换系统。

进一步地，为保证系统有效地工作，可在光路各节点尤其是所述光滤波器后可添加光放大器进行光信号放大。

进一步地，用于本发明系统的光部件连接的光纤均为保偏光纤，所述光部件均为保偏光部件。

与现有技术相比本发明的技术效果在于：能够克服现有系统无法实现对特定空域内所有目标的同时监控；本发明则利用微波光子技术作为体制支撑，采用空间电磁反演技术实现目标定位及成像识别，该方法可实现对特定空域内所有目标实时监测；基于所述原理，本发明所述的系统由空间电磁反演定位和分布式雷达成像两个子系统构成，其方法为光生微波模块产生超宽带光载微波信号，利用光纤和多路分光器件将超宽带光载微波信号送至不同的前端，每个前端根据接收到的目标位置和运动信息，调整天线指向并向目标发射超宽带微波信号，之后前端对该目标散射回的超宽带回波信号接收，利用数据处理器对接收回波数字信号进行处理，完成对目标的成像和识别。

其次，本发明在可实现特定空域内多个目标的实时定位和成像识别的同时也有助于实现高度敏感地区空情的有效管控；相比于现有电子技术，本发明在信号传输、光生微波信号及信号处理上有显著优势；同时，本发明提出的方案不仅可以实现分立器件系统，还可以对其模块化化和集成化形态进行了阐述，有利于减少尺寸、重量和功耗。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为本发明一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统实施例结构示意图；

图2为本发明一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统具体实施例结构示意图；

图3为本发明一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统的发射前端实施例结构示意图；

图4为本发明一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统的接收前端实施例结构示意图；

图5为本发明基于微波光子的分布式雷达成像系统实施例结构示意图；

图6为分布式雷达成像系统的前端收发分立架构实施例结构示意图；

图7为分布式雷达成像系统的前端收发一体架构实施例结构示意图；

图8为空间电磁反演定位子系统的收发前端和分布式雷达成像子系统的前端实施例结构示意图；

图9为空间电磁反演定位子系统的收发前端和分布式雷达成像子系统的前端另一种实施例结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

本发明所述一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其工作原理为：首先，利用空间电磁反演技术实现对某个时刻电磁信号所覆盖空域内所有目标的定位；然后，利用分布式雷达成像系统实现对所有目标的成像和识别。

之所以采用微波光子，是因为微波光子技术用于实现多站间信号的传输与分布，进一步地讲，利用微波光子超宽带成像雷达实现对已定位目标的成像与识别；利用微波光子光生微波技术实现定位用电磁信号的产生；利用微波光子下变频技术或光采样技术实现对回波信号地接收和采样。

基于上述其工作原理，本发明提出的目标定位及成像系统由空间电磁反演定位和分布式雷达成像两个子系统构成，所述两子系统之间存在信号传输。

参照图1所示，其为本发明一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统实施例结构示意图，包括：光生微波信号源、光滤波器、1×2分光器、1×N分光器1(N为正整数)、发射前端N个、接收前端N个；所描述的器件或功能模块之间连接均用光纤。所述光生微波信号源产生的特定频段信号送至光放大器，所述光放大器将滤波后的信号送至所述1×2分光器，所述1×2分光器把信号分成两部分，并经所述光纤分别送至所述1×N分光器，其中，送至接收前端的信号会在进入所述1×N分光器前被所述光放大器放大，进入发射前端的光信号经过所述光电转换为微波信号发射至特定空域，接收前端将所述1×N分光器送来的光信号作为光本振信号实现目标散射回波信号的有效接收。

具体而言，所述空间电磁反演定位子系统由电信号源或光生微波信号源产生一频段微波信号，将所述微波信号加载到光载波上经分光器件分成两路，所述两路再分别经多路分光器件分别送给多个微波发射前端和多个接收前端。

具体而言，所述微波发射前端由光电转换器件、微波放大模块及微波天线等组成；所述接收前端由微波天线、微波放大模块、电光调制器、光电转换器、模数转换器等组成。

参照图3所示，所述系统的发射前端包括：光电转换器、微波放大器及微波发射天线；所述光电转换器将分光器送来的光信号转换为微波信号，经所述微波放大器放大后送至所述微波天线发射。

参照图4所示，所述系统的接收前端包括：微波接收天线、微波放大器、电光调制器、光电转换器、模数转换器以及数据处理器；所述微波接收天线将接收到的微波信号送至所述微波放大器，所述微波放大器放大的回波信号被所述电光调制器调制到光本振信号上调制，调制后的所述光本振信号送入所述光电转换器进行拍频；所述模数转换器把拍频得到的信号转化成数字信号送至所述数据处理器，所述数据处理器完成电磁反演计算，并得到目标的位置信息和运动信息。

具体而言，所述微波发射前端和接收前端的工作过程为：发射前端的天线向特定空域发射该频段微波信号，所述特定空域内目标将所述微波信号散射至各接收位置处，接收前端的微波天线接收目标散射地微波信号并经所述微波放大模块放大，放大后的电信号经所述电光调制器调制到从信号源传来的光本振信号上，利用所述光电转换器完成光混频过程，所述模数转换器将所述光混频输出的电中频信号转换成数字信号。数据处理器利用空间电磁反演算法并结合收发前端在空间具体位置反演出特定时刻所覆盖区域中所有目标具体位置。利用该工作过程连续重复，即可得到所有目标当下的运动信息，并将其传送给分布式雷达成像系统。

参照图5所示，所述分布式雷达成像系统包括：光生微波信号源、光滤波器、1×2N分光器和前端N个；所述光生微波信号源产生光载超宽带微波信号，送至光放大器放大，放大后的光信号经所述1×2N分光器分成2N路，每两路一组分别送入前端作为发射光信号和光本振信号。

具体而言，所述分布式雷达成像系统的工作过程为：光生微波模块产生超宽带光载微波信号，利用光纤和多路分光器件将所述超宽带光载微波信号送至不同的分布式雷达成像系统前端，每个所述分布式雷达成像系统前端根据接收到的目标位置和运动信息，调整所述天线的指向并向目标发射超宽带微波信号，之后所述分布式雷达成像系统前端对该目标散射回的所述超宽带回波信号进行接收，再利用所述数据处理器对接收回波数字信号进行处理，完成对目标的成像和识别。

具体而言，基于上述对本发明系统的工作过程的描述，本发明还可以进一步地得出以下技术方案：对上述系统的一些关键器件进行模块化或集成化得到；所述模块化是利用微组装技术将分立器件进行微组装处理，比如，发射前端、接收前端和光载微波传输链路等，使本发明系统的体积更小；所述集成化是利用异质集成技术对除发射、接收天线与数据处理和控制模块以外的器件进行单片集成或多片异质集成，集成后芯片通过匹配接口与发射天线、接收天线和数据处理和控制模块连接。

具体而言，所述分布式雷达成像系统前端的结构可以为收发分立架构，也可以为收发一体架构。所述收发分立架构的发射前端由光电转换器、微波放大模块、微波发射天线组成；所述收发分立架构的接收前端由微波接收天线、微波放大器、电光调制器、光电探测器及模数转换器组成；所述收发一体架构是利用微波收发开关器件或光开关器件将所述分立架构的收、发链路切换使用。

参照图6所示，所述收发分立式架构的分布式雷达成像系统前端中发射链路和接收链路架构与图2和图3所示前端基本一致，其不同之处在于放大后的回波信号是调制到经光延时器延时后的光本振信号上的。

参照图7所示，所述收发一体式架构的分布式雷达成像系统前端则是利用微波收发开关把收发两条链路功能按时间分切换，实现收发共享一个微波天线。

具体而言，架构的可用光滤波器实现可信号的滤波，可由分立光纤光栅滤波器实现，也可由多进多出可编程光滤波器实现，也可由分立光纤光栅滤波器和多进多出可编程光滤波器两种组合。

参照图8所示，为空间电磁反演定位子系统的收发前端和分布式雷达成像子系统的前端实施例结构示意图，电磁反演定位子系统收发前端在特定空域周围分布，分布式雷达成像子系统前端在空域中间分布。

参照图9所示，为空间电磁反演定位子系统的收发前端和分布式雷达成像子系统的前端另一种实施例结构示意图，电磁反演定位子系统发射前端在特定空域周围分布，其接收前端在中间位置，分布式雷达成像子系统前端在空域中间分布。

具体而言，所述超宽带回波信号接收是利用光下变频处理，再模数转换方式进行接收。

具体而言，所述空间电磁反演定位子系统的收发前端的数量和平面分布可以是圆形或根据所需要覆盖空域尺寸所需的任意形状；所述分布式雷达成像系统的前端数量和平面分布需配合空间电磁反演定位子系统所需的任意形状。

具体而言，所述空间电磁反演定位子系统的回波信号接收系统可采用直接采样模式，即接收天线接收到的信号经放大后直接送入模数转换系统。

具体而言，为保证系统有效地工作，可在光路各节点尤其是所述光滤波器后可添加光放大器进行光信号放大。

具体而言，用于本发明系统的光部件连接的光纤均为保偏光纤，所述光部件均为保偏光部件。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，包括：

空间电磁反演定位系统；

电信号源或光生微波信号源产生微波信号，所述微波信号加载到光载波上经分光器分成两路，所述两路分别经多路分光器送入多个微波发射前端和接收前端；

分布式雷达成像系统；

光生微波模块产生超宽带光载微波信号，光纤和多路分光器将所述超宽带光载微波信号送至不同的前端，每个所述前端根据接收的目标位置和运动信息来调整天线指向和向目标发射所述超宽带微波信号，所述前端对目标散射回的所述超宽带回波信号进行接收，数据处理器对接收回波数字信号进行处理，完成对目标的成像和识别。

2.根据权利要求1所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，所述微波发射前端包括光电转换器件、微波放大模块以及微波天线。

3.根据权利要求1所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，所述微波接收前端包括微波天线、微波放大模块、电光调制器、光电转换器以及模数转换器。

4.根据权利要求1所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，所述分布式雷达成像系统的前端结构为收发分立或收发一体任意一种。

5.根据权利要求1所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，超宽带回波信号接收是采用光下变频处理再模数转换方式进行接收。

6.根据权利要求1所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，所述电信号源或光生微波信号源为直接数字频率合成器、光生微波源或光电混合微波源的任意一种。

7.根据权利要求3所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，收发分立结构的发射前端包括光电转换器、微波放大模块以及微波发射天线，收发分立结构的接收前端包括微波接收天线、微波放大器、电光调制器、光电探测器以及模数转换器。

8.根据权利要求1所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，所述分布式雷达成像系统的前端数量和平面布局需配合所述空间电磁反演定位系统需要的任意形状。

9.根据权利要求1所述的基于微波光子和电磁反演技术的目标定位及成像系统，其特征在于，所述空间电磁反演定位系统的前端数量和平面布局为圆形或根据需要覆盖空域尺寸所需形状的任意一种。