CN111751812B - 一种微波光子时分复用mimo雷达探测方法及系统 - Google Patents

一种微波光子时分复用mimo雷达探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波光子时分复用MIMO雷达探测方法及实现该探测方法的系统，该方法在发射端，将基带线性调频信号调制到光载波上，通过光子倍频技术生成包含两个扫频分量的调制光信号；将该调制光信号分为两路，一路经光电转换后送入包含M个输出端的射频开关，射频开关的每路输出各连接一个发射天线，通过控制射频开关的通断时序实现M路阵列天线的时分探测信号发射；同时在接收端，将另一路调制光信号分为N路，分别对目标反射信号进行光域的下变频接收；在一个工作周期内得到M×N路携带目标信息的中频数字信号，对此数字信号进行处理，得到探测目标信息。本发明在具有高距离分辨率的同时，能够提高雷达系统的方位向角分辨率。

Description

一种微波光子时分复用MIMO雷达探测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种雷达探测方法，尤其涉及一种采用微波光子辅助技术的时分MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)雷达探测方法及系统。
背景技术
雷达广泛应用于目标的探测与识别，多功能、高精度、快速响应是实现上述要求的重要基础。从而要求雷达系统具有宽的工作带宽、大的工作孔径以及快的信号处理速度。受限于电子器件的带宽限制，目前宽带信号直接产生的带宽只有几千兆赫兹，而电子域的混频及倍频会引入较大的幅度抖动及相位失真，且放大匹配链路复杂，限制了雷达向高频宽带发展(参见[Q.Li,D.Yang,X.Mu,Q.Huo,"Design of the L-band wideband LFM signalgenerator based on DDS and frequency multiplication,"international Conferenceon Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT),2012.])。此外，多输入多输出(MIMO)雷达作为一种有效提高雷达工作孔径的技术，广泛应用于雷达探测应用中(参见[A.Frischen,J.Hasch,C.Waldschmidt,"A Cooperative MIMO Radar Network UsingHighly Integrated FMCW Radar Sensors"IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,vol.65,no.4,pp.1355-1366,2017.])。同样受限于电子链路窄带响应及高损耗，限制了在宽带探测场景中的应用。得益于微波光子技术的快速发展以及其大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，为传统雷达克服电子瓶颈问题，改善提高技术性能，提供了新的技术支撑，成为下一代雷达的关键技术(参见[J.Yao,"Microwave Photonics,"Journal of Lightwave Technology,vol.27,no.3,pp.314-335,2009.]与[F.Zhang,Q.Guo,Z.Wang,P.Zhou,G.Zhang,J.Sun,S.Pan,"Photonics-based broadband radar forhigh-resolution and real-time inverse synthetic aperture imaging,"OpticsExpress,vol.25,no.14,pp.16274-16281,2017.])。一种基于微波光子技术的频分复用MIMO雷达已详细研究了微波光子技术及MIMO技术带来的雷达系统性能提升(参见[F.Zhang,B.Gao,and S.Pan,"Photonics-based MIMO radar with high-resolution andfast detection capability,"Optics Express,vol.26,no.13,pp.17529-17540,2018.])。但频分复用因为频率资源有限，系统通道数受限，从而限制了系统的等效孔径大小。
而本发明提出了一种新的解决思路，将微波光子技术与时分复用MIMO技术相结合，基于两种技术的优势，在保证雷达系统高距离分辨率的同时，大幅提高雷达系统的频带利用率及方位向分辨率。
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，提供一种微波光子时分复用MIMO雷达探测方法，同时具有微波光子技术和MIMO雷达技术的优势，能够大大提高雷达系统的频带利用率和方位向角分辨率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种微波光子时分复用MIMO雷达探测方法，其中，
在发射端，将基带线性调频信号调制到光载波上，基于微波光子倍频技术得到包含两个扫频分量的调制光信号；将该调制光信号分为两路，其中一路经光电转换后送入射频开关；射频开关的M个输出端各连接一个发射天线单元，通过控制射频开关的开关时序实现M路发射天线单元的探测信号依次发射到空间中；
在接收端，由N个接收阵列天线接收目标反射信号，将目标反射信号分别送入对应的光接收单元，同时将另一路调制光信号分为N路分别送入N个光接收单元，完成目标反射信号光域的下变频，得到N路中频信号；中频信号经过模数转换及数字域数据重组后，得到M×N路包含目标信息的信号；对此信号做雷达信号处理，得到探测目标信息；
优选地，所述光域的下变频处理具体为：一个探测周期内，将每个接收天线时间序列上依次接收的M个目标反射信号依次调制于一路参考光信号上，经过光电转换及低通滤波后，得到N路中频信号，每路中频信号在时域依次为M个携带目标信息的中频信号。
优选地，通过时钟信号同步控制基带调频信号的起始时间与射频开关的通道开启时间；并保证基带调频信号的周期等于射频开关一个工作工作状态的持续时间。
优选地，所述M个发射天线单元及N个接收天线单元的天线排布方式，可以为一维稀疏阵、一维均匀阵、二维稀疏阵、二维均匀阵。
优选地，通过以第一个光接收单元为参考，精确调节N-1个可调光延时线，实现N路接收信号的相对延时精准匹配补偿。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种微波光子时分复用MIMO雷达探测系统，包括发射端和接收端，
所述发射端包括：
激光源，用于生成被调制的光载波；
基带调频信号源，用于产生光子变频所需的基带调频信号；
光子倍频模块，用于将基带调频信号调制到光载波上，实现基带调频信号的光子倍频；
高频光电探测器，用于将光子倍频模块输出的调制光信号转换为电信号；
功率放大器，用于对高频光电探测器输出的电信号进行功率放大；
发射阵列天线，所述发射阵列天线包含M个发射天线单元，发射天线单元用于将1×M射频开关选通端的信号依次发射出去；1×M射频开关，所述1×M射频开关的M个输出端口分别连接对应的发射天线单元，用于对发射天线单元依次选通，控制发射阵列天线依次工作；
同步&控制模块，用于产生基带调频信号、1×M射频开关、信号采集及处理单元的同步时序及控制信号；
所述接收端包括：
接收阵列天线，所述接收阵列天线包含N个接收天线单元，每个接收天线单元用于同时接收目标依次反射的M个回波信号；
1×N路光耦合器，用于将另一路调制光信号分成N路参考光信号；
N个光接收单元，每个光接收单元用于基于所述N路参考光信号，对对应的N个接收天线单元所接收的回波信号分别进行光域下变频处理，得到中频信号；
信号采集及处理单元，用于对N路中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号进行处理，提取出目标信息；
优选地，所述光接收单元包括：
光延时线，用于对参考光信号进行延时补偿；
低噪声放大器，用于对接收阵列天线接收的回波信号进行低噪声放大；
电光调制器，用于将低噪声放大后的回波信号调制到参考光信号上，得到接收光信号；
低频光电探测器，用于对接收光信号进行光电转换，得到下变频中频信号；
低通滤波器，用于滤除下变频中频信号中的高频杂散频率分量；
进一步地，一个探测周期内，电光调制器将每个接收天线时域依次接收的M个目标反射信号依次调制于一路参考光信号上，经过光电转换及低通滤波后，得到中频信号。
优选地，通过时钟信号同步控制基带调频信号的起始时间与射频开关的通道开启时间；并保证基带调频信号的周期等于射频开关一个工作状态的持续时间。
进一步地，所述发射阵列天线及接收阵列天线的天线排布方式，可以为一维稀疏阵、一维均匀阵、二维稀疏阵、二维均匀阵。
优选地，其中N-1个光接收单元以第一个光接收单元为参考，精确调节对应的可调光延时线，实现N路接收信号的相对延时精准匹配补偿。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)本发明在信号发射部分基于光子倍频技术实现宽带信号产生，在接收部分基于光子下变频技术实现宽带信号接收，从而可实现高距离分辨率雷达探测；并通过射频开关实现信号的时分复用，降低了微波光子MIMO雷达系统的复杂度。
2)本发明采用时分复用的MIMO雷达结构，可以提高系统频带利用率；并基于阵列排布及雷达信号处理，可获得远多于实际收发阵元数目的数据通道，从而实现高雷达方位向角分辨率。
3)本发明通过光纤实现信号传输，可满足大规模阵列对信号低传输损耗的要求，并且可实现宽带信号的低色散、低幅度抖动传输；通过参考光信号的相对延时精细调节，可保证各通道间的延时精确匹配控制，简化系统校正过程。
附图说明
图1为本发明MIMO雷达系统一个具体实施例的结构示意图；
图2为本发明MIMO雷达系统中光接收单元的具体结构示意图；
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的思路是基于微波光子倍频技术产生高频段、可调谐的线性调频信号，并且通过微波光子下变频方法实现宽带信号接收，同时利用时分复用的方式实现发射信号的正交并应用于微波光子MIMO雷达系统，实现雷达距离分辨率提升的同时，提高方位角分辨率。
本发明一种微波光子时分复用MIMO雷达探测系统，如图1所示，包括发射端和接收端。
在发射端，将基带线性调频信号通过光子倍频模块调制到激光源输出的光载波上，生成包含两个扫频分量的调制光信号；将该调制光信号分为两路，其中一路经光电探测器转换为倍频线性调频信号后送入射频开关；射频开关包含M个输出端，每个输出端口各连接一路发射天线，通过控制射频开关的开关时序实现发射阵列天线依次发射M个探测信号到包含目标的空间中；
在接收端，将另一路调制光信号分为N路并分别送入N个光接收单元，接收阵列天线依次接收的目标反射信号分别在N个光接收单元完成光域下变频，得到N路中频信号；中频信号经过模数转换及数字域数据重组后，得到M×N路包含目标信息的信号；对此信号做雷达信号处理，得到探测目标信息；
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
如图1所示，本实施例的雷达探测系统包括：1个激光源、1个光子倍频模块、1个基带调频信号源、1个同步&控制模块、1个高频光电探测器、1个电功率放大器(EA)、1个1×M路射频开关、1个发射阵列天线(包含M个天线单元)、1个接收阵列天线(包含N个天线单元)、N个光接收单元、1个1×N路光耦合器、1个掺铒光纤放大器(EDFA)、1个信号采集及处理单元。
需要说明的是，所述光子倍频模块和光接收单元可采用各种现有技术，优选地，所述光子倍频模块由偏执点控制器反馈控制的马赫-曾德尔调制器实现。优选地，如图2所示，所述光接收单元包括低噪声放大器(LNA)、光延时线、马赫-曾德尔调制器(MZM)、光电探测器(PD)、低通滤波器(LPF)。低噪声放大器用于对接收的信号进行低噪声放大，马赫-曾德尔调制器用于将参考光信号中的两个扫频分量分别作为载波对接收信号进行调制，光电探测器、低通滤波器依次用于对马赫-曾德尔调制器的输出光信号进行光电转换及低通滤波，光延时线用于补偿各接收通道间的延时差。
所述发射阵列天线和接收阵列天线的排布方式可以为一维稀疏阵、一维均匀阵、二维稀疏阵、二维均匀阵等，优选为一维均匀阵，其中接收阵列天线的天线单元间距为λ/2，发射阵列天线的天线单元间距为Nλ/2,N为接收天线阵列天线单元个数，λ为雷达中心工作波长。
激光源产生频率为fL的单频光信号进入光倍频模块，基带线性调频信号在马赫曾德尔调制器处对该光载波进行调制，在输出端得到包含正负2阶扫频信号的调制光信号，设基带调频信号的瞬时频率为：
fLFM(t)＝f0+kt(0≤t≤T) (1)
其中f0为起始频率，T为基带调频信号的周期，k为其调频斜率。此时调制光信号的正负2阶扫频边带的瞬时频率可以表示为：
将该调制光信号分为两路后，一路送入高频光电探测器，光电转换后即可得到4倍频的线性调频信号，其瞬时频率可以表示为：
fTR1(t)＝4f0+4kt(0≤t≤T) (3)
将倍频后的线性调频信号经电功率放大器放大后送入1×M路射频开关，同步&控制模块发出同步控制信号控制射频开关依次选通工作，从一个端口开始选通工作到关闭(相邻端口开始选通工作)持续时间为线性调频信号的周期T。射频开关每个输出端口分别连接发射阵列天线的一个天线单元，则M个天线单元依次向空间中辐射一个时宽T的线性调频信号，发射阵列天线中的天线单元依次辐射的信号可以表示为：
STr,m(t)＝ATr,mexp{2π·[4f0(t-(m-1)T)+2k(t-(m-1)T)2]}(0≤t≤MT,m＝1,2...M) (4)
STr,m表示第m个天线单元辐射的信号；A表示幅度。
另一路调制光信号经掺铒光纤放大器放大后送入1×N路光耦合器作为参考光信号，光耦合器输出端分别连接N个光接收单元，以第一路光接收单元为例，假设天线远场处一个点目标和天线阵列相位中心的连线与天线阵列法线的夹角为θ，辐射到空间中的信号遇到探测目标后发生反射，反射信号经接收阵列天线接收并放大后，作为驱动信号在光接收单元中马赫-曾德尔调制器处调制参考光信号。相对发射信号，接收信号有一个时延τ，则第一路接收信号可以表示为：
SRe,1,m表示第1个接收天线单元接收的第m个回波信号。
参考光信号中包含两个扫频分量，当接收信号将参考光信号中的两个扫频分量分别作为载波进行调制时，则参考光信号正2阶扫频信号的负1阶边带与参考光信号负2阶边带靠近，同理参考光信号负2阶扫频信号的正1阶边带与参考光信号正2阶边带靠近，相距频率差都为4kτ，将马赫-曾德尔调制器的输出光信号送入低频光电探测器完成光电转换及低通滤波后，即可得到下变频后的中频电信号，可以表示为：
S1,m(t)＝A1,mexp[2π(4kτt)]·exp[2(m-1)πNsinθ](0≤t≤T,m＝1,2...M) (6)
同理，其它路中频电信号可以表示为：
Sn,m(t)＝An,mexp[2π(4kτnt)]·exp[2(m-1)π(N+n-1)sinθ](0≤t≤T,m＝1,2...M,n＝1,2...N) (7)
Sn,m表示第n个接收天线单元接收的第m个回波信号下变频后的中频电信号。
需要说明的是，每个光接收单元的马赫-曾德尔调制器前端会连接一个高精度光延时线，用来补偿各接收通道间的延时差，从而保证τn等于τ。
将N个通道的中频信号采样，并在数字域数据重组后，得到M×N路包含目标信息的信号；对此信号通过MIMO雷达相关算法即可提取出目标的距离、方位角度、相对散射强度等信息。
另外，同步&控制模块产生基带调频信号、1×M射频开关、信号采集及处理单元的同步时序及控制信号；同步控制基带调频信号的起始时间与射频开关的通道开启时间，以保证基带调频信号的周期等于射频开关一个工作状态的持续时间。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微波光子时分复用MIMO雷达探测方法，其特征在于：
在发射端，将基带线性调频信号调制到光载波上，基于微波光子倍频技术得到包含两个扫频分量的调制光信号；将该调制光信号分为两路，其中一路经光电转换后送入射频开关；射频开关包含M个输出端，且每个输出端口各连接一路发射天线单元，通过控制射频开关的开关时序实现M路发射天线单元的探测信号依次发射到空间中；
在接收端，由N个接收天线单元接收目标反射信号，将目标反射信号分别送入对应的光接收单元，同时将另一路调制光信号分为N路分别送入N个光接收单元作为参考光信号，完成目标反射信号光域的下变频，得到N路中频信号；中频信号经过模数转换及数字域数据重组后，得到M×N路包含目标信息的信号；对此信号做雷达信号处理，得到探测目标信息。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光域的下变频具体为：一个探测周期内，将每个接收天线时间序列上依次接收的M个目标反射信号依次调制于一路参考光信号上，经过光电转换及低通滤波后，得到N路中频信号，每路中频信号在时域依次为M个携带目标信息的中频信号。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，通过时钟信号同步控制基带调频信号的起始时间与射频开关的通道开启时间，保证基带调频信号的周期等于射频开关一个工作状态的持续时间。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述M路发射天线单元及N个接收天线单元的天线排布方式为一维稀疏阵、一维均匀阵、二维稀疏阵或二维均匀阵。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，通过以第一个光接收单元为参考，精确调节N-1个可调光延时线，实现N路接收信号的相对延时精准匹配补偿。
6.一种微波光子时分复用MIMO雷达探测系统，包括发射端和接收端，其特征在于：
所述发射端包括：
激光源，用于生成被调制的光载波；
基带调频信号源，用于产生光子变频所需的基带调频信号；
光子倍频模块，用于将基带调频信号调制到光载波上，实现基带调频信号的光子倍频；
高频光电探测器，用于将光子倍频模块输出的调制光信号转换为电信号；
功率放大器，用于对高频光电探测器输出的电信号进行功率放大；
发射阵列天线，所述发射阵列天线包含M个发射天线单元，发射天线单元用于将1×M射频开关选通端的信号依次发射出去；
1×M射频开关，所述1×M射频开关的M个输出端口分别连接对应的发射天线单元，用于对发射天线单元依次选通，控制发射阵列天线依次工作；
同步&控制模块，用于产生基带调频信号、1×M射频开关、信号采集及处理单元的时序同步及控制信号；
所述接收端包括：
接收阵列天线，所述接收阵列天线包含N个接收天线单元，每个接收天线单元用于同时接收目标依次反射的M个回波信号；
1×N路光耦合器，用于将另一路调制光信号分成N路参考光信号；
N个光接收单元，每个光接收单元用于基于所述参考光信号，对对应的接收天线单元所接收的回波信号分别进行光域下变频处理，得到中频信号；
信号采集及处理单元，用于对N路中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号进行处理，提取出目标信息。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光接收单元包括：
光延时线，用于对参考光信号进行延时补偿；
低噪声放大器，用于对接收阵列天线接收的回波信号进行低噪声放大；
电光调制器，用于将低噪声放大后的回波信号调制到参考光信号上，得到接收光信号；
低频光电探测器，用于对接收光信号进行光电转换，得到下变频中频信号；
低通滤波器，用于滤除下变频中频信号中的高频杂散频率分量。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，其中N-1个光接收单元以第一个光接收单元为参考，精确调节对应的可调光延时线，实现N路接收信号的相对延时精准匹配补偿。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述同步&控制模块中，通过时钟信号同步控制基带调频信号的起始时间与射频开关的通道开启时间，保证基带调频信号的周期等于射频开关一个工作状态的持续时间。
10.权利要求6所述的系统，其特征在于，所述发射阵列天线及接收阵列天线的天线排布方式为一维稀疏阵、一维均匀阵、二维稀疏阵或二维均匀阵。
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