CN111751827B - 一种基于光注入调频的微波光子雷达探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光注入调频的微波光子雷达探测方法及系统，该方法将幅度随时间线性变化的单频光信号作为光注入式激光器的注入光信号，使所述光注入式激光器工作在单周期振荡态，得到线性扫频光信号；将所得到的线性扫频光信号转换为电信号后，以其作为雷达探测信号向目标发射；以所述线性扫频光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频处理，得到携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。本发明通过光注入方式实现宽带扫频雷达探测信号产生，可对雷达工作波段、带宽等信号参数快速方便调节，且避免传统光子混频/倍频引入的非线性失真及信噪比损失；此外，本发明还具有实现结构简单，成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波光子雷达探测方法，尤其涉及一种基于光注入调频的微波光子雷达探测方法及基于光注入调频的微波光子雷达探测系统。
背景技术
作为一种对目标可全天时、全天候探测与识别的传感方式，雷达广泛应用于侦察、预警、情报等国防领域，以及矿产探测、自然灾害预测、工业自动化等民用领域。为了实现目标的高精度探测，多波段、宽带探测是雷达发展的重要方向之一。然而现有雷达系统受限于电子技术瓶颈，如电子器件的工作带宽，使得雷达系统多局限于固定频段工作，且工作带宽有限(参见[L.Cui,Y.He,H.Shen,H.Liu,"Measurements of ocean wave and currentfield using dual polarized X-band radar,"Chinese Journal of Oceanology andLimnology,vol.28,no.5,pp.1021-1028,Sep.2010.]),限制了雷达的多场景适应性。微波光子技术作为一项多学科融合的新兴技术，通过把微波信号加载到光波上，在光域实现对微波信号的传输、处理、控制等功能，具有高频、宽带、低损耗等优点，能完成电子系统难以完成的信号产生、处理及高速传输等功能(参见[J.Yao,"Microwave Photonics,"Journalof Lightwave Technology,vol.27,no.3,pp.314-335,2009.])。将微波光子技术应用于雷达系统中，可以大幅度提高雷达的工作带宽及灵活性，改善现有雷达系统的性能(参见[F.Zhang,Q.Guo,Z.Wang,P.Zhou,G.Zhang,J.Sun,S.Pan,"Photonics-based broadbandradar for high-resolution and realtime inverse synthetic aperture imaging,"Optics Express,vol.25,no.14,pp.16274-16281,2017.])。但现有微波光子雷达多基于基带信号的光子倍频或混频实现雷达探测信号的生成，需要精确的偏压控制及基带信号幅相调控，这增加了雷达发射链路的复杂度，且电光转换存在一定的损耗及非线性，导致基带信号的杂散及信噪比恶化。光注入调频信号产生技术的出现(参见[P.Zhou,F.Zhang,Q.Guo,S.Pan,"Linearly chirped microwave waveform generation with large time-bandwidth product by optically injected semiconductor laser,"Optics Express,vol.24,no.16,pp.18460-18467,2016.])，为解决以上问题提供了可能。本发明基于光注入式调频信号产生技术及微波光子混频技术实现雷达信号的产生与接收，不需要基带调制信号，首次实现了全光微波光子雷达探测。可解决现有雷达系统信号产生方式复杂，工作波段固定，带宽有限的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有雷达技术所存在的不足，提供一种基于光注入调频的微波光子雷达探测方法及系统，可在全波段范围通过全光信号产生方式及微波光子变频技术实现雷达探测信号的产生与接收，雷达工作波段以及信号参数可实现快速方便的调节，且实现结构简单。
本发明的一种基于光注入调频的微波光子雷达探测方法，将幅度随时间线性变化的单频光信号注入光注入式激光器，并使得所述光注入式激光器工作在单周期振荡态，得到包含所述单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号；将所得到的双频光信号转换为电信号后，以其作为雷达探测信号向目标发射；同时以所述双频光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频处理，得到携带目标信息的中频信号，并从中提取出目标信息。
优选地，通过调整注入参数和/或所述单频光信号与光注入式激光器自由工作时输出光信号之间的频率失谐，使得所述光注入式激光器工作在单周期振荡态。其中，注入参数是指注入的单频光信号幅度与光注入式激光器自由工作时输出光信号幅度的比值。
进一步地，通过调节单频光信号的幅度变化范围、周期及单频光信号与光注入式激光器自由工作时输出光信号之间的频率失谐，来改变所产生电信号的带宽、周期及工作频段。
进一步地，还包括反馈控制步骤：
实时反馈实时监测扫频光信号相对理想线性变化的频率偏移量，根据反馈结果实时调节单频光信号的参数，保证扫频光信号或所产生电信号的扫频线性度及稳定性。
优选地，所述光域的变频处理具体如下：将目标反射电信号调制于参考光信号，然后对所得到的调制光信号进行光电转换和低通滤波。
本发明的一种基于光注入调频的微波光子雷达探测系统，包括：
光注入模块，用于生成幅度、频率、及幅度变化周期可调节的单频光信号；
光注入式激光器，产生包含单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号；
光环行器，将光注入模块输出的单频光信号送入光注入式激光器，并将光注入激光器输出的包含单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号送出。
光电探测器，用于将所得到的双频光信号转换为电信号；
发射/接收单元，用于以光电探测器所输出的电信号作为雷达探测信号向目标发射，并接收目标反射电信号；
变频模块，用于以所述双频光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频处理，得到携带目标信息的中频信号；
雷达信号处理模块，用于从携带目标信息的中频信号中提取出目标信息。
优选地，所述光注入模块包括：
光源，用于产生参数可调节的单频光信号；
反馈单元，实时监测扫频光信号相对理想线性变化的频率偏移量，并反馈给控制模块；
控制模块，根据反馈输出信号及雷达工作参数设定，实时产生控制信号，其输出端一个与光幅度控制器连接，用于产生驱动光幅度控制器所需的控制信号，另一个与光源连接，用于调节单频信号。
光幅度控制器，用于控制光源所产生单频光信号的幅度，并可将所述单频光信号的幅度调制为随时间周期线性变化；
优选地，所述光幅度控制器为电光幅度调制器，或电光马赫曾德尔调制器，或电光偏振调制器，或电吸收调制器。
优选地，所述控制模块会根据所述光幅度控制器的传输响应、光注入式激光器的振荡参数响应以及反馈单元实时监测信号精细调节控制信号参数，从而保证雷达探测信号的高线性度及稳定性。
优选地，所述变频模块包括：
电光调制器，用于将目标反射电信号调制于参考光信号；
低频光电探测器，用于对所得到的调制光信号进行光电转换；
低通滤波器，用于对光电转换后的电信号进行低通滤波。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)本发明仅需普通的单频激光源和光注入式激光器，利用反馈信号与控制信号即可产生线性扫频信号；具有系统简单，可灵活操作，成本低廉的优点；
2)本发明通过调节激光器参数即可产生覆盖微波毫米波波段、大带宽、参数灵活可调的线性调频微波信号；不需要基带信号通过微波光子技术实现倍频或混频，避免了电光转换中的非线性及信噪比损失，大大提高了雷达系统的工作效率。
3)本发明一种基于光注入调频的微波光子雷达探测系统中的光注入模块、变频模块、雷达信号处理模块等都可以小型化集成封装，且可通过计算机程序远程灵活控制，使得该雷达探测系统可一体化集成。
附图说明
图1为本发明一种基于光注入调频的微波光子雷达的基本结构原理示意图；
图2为本发明一种基于光注入调频的微波光子雷达一个优选实施例的基本结构示意图；图中，1、2、3表示光环行器的端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
针对现有技术不足，本发明的思路是利用微波子技术的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性，将幅度可调制的单频光信号作为光注入式激光器的注入信号，并使得光注入式激光器工作在单周期状态，此时光注入式激光器输出光信号包含单频光信号及频率随时间线性变化的扫频光信号，经光电转换后即可得到宽带、中心频率及时宽等参数灵活可调的线性调频微波信号，可以将此信号作为雷达系统发射信号。并以所述光注入式激光器输出光信号为参考光信号，对雷达接收信号进行光域的变频处理，最终得到携带目标信号的中频信号。然后基于雷达信号处理算法提取出感兴趣的目标距离、散射特性等信息。
根据上述思路可得到本发明的一种基于光注入调频的微波光子雷达探测系统，如图1所示，该探测系统包括：
光注入模块，用于生成幅度、频率、及幅度变化周期可调节的单频光信号；
光注入式激光器，其可工作在单周期振荡态；产生包含单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号；
光环行器，将光注入模块输出的单频光信号送入光注入式激光器，并将光注入激光器输出的包含单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号送出。
光电探测器，用于将所得到的双频光信号转换为电信号；
发射/接收单元，用于以光电探测器所输出的电信号作为雷达探测信号向目标发射，并接收目标反射电信号；
变频模块，用于以所述双频光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频处理，得到携带目标信息的中频信号；
雷达信号处理模块，用于从携带目标信息的中频信号中提取出目标信息。
为了便于公众理解，下面以本发明基于光注入调频的微波光子雷达探测系统一个优选实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明。
图2显示了本发明全光微波光子雷达探测系统一个优选实施例的结构，其包括：光注入模块、光注入式激光器、光环行器、光电探测器、发射/接收单元、变频模块和雷达信号处理模块。
如图2所示，本实施例中的光注入模块包括：产生单频光信号的激光器1、光幅度控制器、控制模块、反馈单元。所述光幅度控制器的光信号输入端与激光器1连接，用于调制激光器1所产生单频光信号的幅度；该光幅度控制器为可实现通过电控制对输入光信号的幅度进行控制的电光器件，例如可以采用现有的电光幅度调制器、电光马赫曾德尔调制器、电光偏振调制器、电吸收调制器等。反馈单元，实时监测扫频光信号与理想线性变化的频率偏移量，并反馈给控制模块。控制模块的输出端与光幅度控制器的控制信号输入端连接，用于产生驱动光幅度控制器所需的控制信号，基于雷达工作参数及反馈单元反馈信号实时驱动光幅度控制器。
本实施例中的激光器2为可工作于单周期振荡态的光注入式激光器。
本实施例中的反馈单元采用光域马赫-曾德尔干涉仪(MZI)监测实时频率偏移量及信号稳定性。并采用光电探测器2转换成电信号反馈给控制模块。
该系统生成线性扫频光信号的过程具体为：激光器1产生频率为fI的单频光信号输入光幅度控制器；控制模块产生控制信号SC(t)驱动光幅度控制器；利用光幅度控制器对所述单频光信号的幅度进行控制使得所述单频光信号的幅度随时间线性变化；激光器2在自由工作时其输出频率为fS，激光器1与激光器2的频率失谐为fD(fD＝fI-fS)；激光器2的输出与光环行器的端口2相接，将单频光信号注入到激光器2中；注入强度通常用注入参数σ表征，σ的定义为注入光信号幅度与激光器2自由工作时输出光信号幅度的比值；光环行器的端口3将激光器2的输出光信号送至光电探测器1的输入端；通过设置合适的注入参数σ和/或激光器1与激光器2间的频率失谐fD，使得所述单频光注入下的激光器2工作在单周期振荡态。单周期振荡频率fO在很大范围内与注入参数σ成线性关系；设置控制信号SC(t)，使得所述注入单频光信号的幅度随时间线性变化时，激光器2输出即包含固定单频分量fI和线性扫频分量fO，设线性扫频分量fO的中心频率为fOC，则线性扫频光信号分量的瞬时频率可以表示为：
fO＝fOC-μt(-T/2＜t＜T/2)
其中T为线性扫频光信号的周期，μ为调频斜率，等于B/T,B为线性扫频光信号的扫频范围。
当所使用光幅度控制器的幅度传递函数为理想的线性函数时，控制信号SC(t)采用锯齿波信号可产生周期性线性调频光信号；当光幅度控制器的幅度传递函数不是理想的线性函数时，需根据光幅度控制器的幅度传递函数对控制信号SC(t)进行相应修正以产生线性扫频光信号。
进一步地，改变控制信号SC(t)的幅度能够改变所述注入参数σ的变化范围，进而能够改变所产生线性扫频光信号的扫频范围；改变控制信号SC(t)的周期时间能够改变所产生线性扫频光信号的周期；改变未加控制信号SC(t)时的初始注入参数σ及激光器1与激光器2的频率失谐fD可改变所产生线性扫频光信号中心频率fOC与单频注入光信号fI的频率差。
为了进一步提高扫频光信号的扫频线性度及工作稳定度，通过反馈单元对扫频光信号实际频率与理想频率之间频率差实时监测，并反馈到控制模块，实时对调制光幅度控制器的控制信号做修正。
通过光环行器端口3将包含双频率分量的光信号一路送入高频光电探测器(光电探测器1)，完成光电转换后即可得到线性调频连续波微波信号，其瞬时频率可以表示为：
fLFM(t)＝fI-fOC+μt(-T/2≤t≤T/2)
同上通过调节控制信号及注入光信号的参数即可实现线性调频微波信号的中心频率、带宽、周期等参数的调节。该信号即可作为雷达探测信号，送入发射/接收单元中的功率放大器(EA)，线性调频微波信号经功率放大器放大后，通过发射天线(TA)辐射到包含待探测目标的环境中。同时发射/接收单元中的接收天线(RA)接收目标回波信号，并送入低噪声放大器(LNA)对微弱信号进行放大。
如图2所示，本实施例中的变频模块包括：马赫-曾德尔调制器、低频光电探测器(光电探测器3)、低通滤波器。经低噪声放大器放大后的目标回波信号通过马赫-曾德尔调制器对送入变频模块的双频光信号进行调制。对于单个点目标，相对发射信号，接收信号有一个延时τ，其瞬时频率可表示为fI-fOC+μ(t-τ)。参考光信号中主要包含两个频率分量，即一个单频分量fI和一个线性扫频分量fOC-μt，当目标回波信号将参考信号中两个频率分量分别作为载波进行调制时，则以单频信号调制的一个一阶边带与信号中的扫频信号分量在频域相距很近，同理以扫频信号调制的一个一阶边带与单频信号分量在频域相距很近，相距频率差都为μτ。需要说明的是，目标回波信号对参考光信号进行调制的调制器除了本实施例中采用的马赫-曾德尔调制器以外，也可以为电光强度调制器、偏振复用调制器、相位调制器等。
进一步地，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，即可得到中频电信号μτ，该过程即变频处理。将该中频信号采样后，即可送入数字信号处理器中通过现有的雷达算法提取出探测目标的距离、散射特性等信息。
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 (8)
1.一种基于光注入调频的微波光子雷达探测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、在雷达发射端，将幅度随时间线性变化的单频光信号注入光注入式激光器，并使得所述光注入式激光器工作在单周期振荡态，得到包含所述单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号；将所得到的双频光信号转换为电信号后，以其作为雷达探测信号向目标发射；其中，还包括反馈控制步骤：
反馈实时监测扫频光信号相对理想线性变化的频率偏移量，根据反馈结果实时调节单频光信号的参数；
步骤二、在雷达接收端，同时以所述双频光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频处理，得到携带目标信息的中频信号；
步骤三、从所述中频信号中提取出目标信息。
2.如权利要求1所述基于光注入调频的微波光子雷达探测方法，其特征在于，通过调节所述单频光信号与光注入式激光器自由工作时输出光信号之间的频率失谐和/或注入参数，使得所述光注入式激光器工作在单周期振荡态。
3.如权利要求1所述基于光注入调频的微波光子雷达探测方法，其特征在于，通过调节单频光信号的幅度变化范围及周期以及单频光信号与光注入式激光器自由工作时输出光信号之间的频率失谐，来改变所产生电信号的带宽、周期及工作频段。
4.如权利要求1所述基于光注入调频的微波光子雷达探测方法，其特征在于，所述光域的变频处理具体如下：将目标反射电信号调制于参考光信号，然后对所得到的调制光信号进行光电转换和低通滤波。
5.一种基于光注入调频的微波光子雷达探测系统，其特征在于，包括：
光注入模块，用于生成幅度、频率及幅度变化周期可调节的单频光信号；
光注入式激光器，产生包含单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号；
光环行器，将光注入模块输出的单频光信号送入光注入式激光器，并将光注入激光器输出的包含单频光信号及线性扫频光信号的双频光信号送出；
光电探测器，用于将所得到的双频光信号转换为电信号；
发射/接收单元，用于以光电探测器所输出的电信号作为雷达探测信号向目标发射，并接收目标反射电信号；
变频模块，用于以所述双频光信号作为参考光信号，对目标反射电信号进行光域的变频处理，得到携带目标信息的中频信号；
雷达信号处理模块，用于从携带目标信息的中频信号中提取出目标信息；
所述光注入模块包括：
光源，用于产生参数可调节的单频光信号；
光幅度控制器，用于控制光源所产生单频光信号的幅度，并将所述单频光信号的幅度调制为随时间周期线性变化；
反馈单元，实时监测扫频光信号相对理想线性变化的频率偏移量，并反馈给控制模块；
控制模块，根据反馈输出信号及雷达工作参数，实时产生控制信号，其输出端一个与光幅度控制器连接，用于产生驱动光幅度控制器所需的控制信号，另一个与光源连接，用于调节单频信号。
6.如权利要求5所述基于光注入调频的微波光子雷达探测系统，其特征在于，所述控制模块还会根据所述光幅度控制器的传输响应、光注入式激光器的振荡参数响应精细调节控制信号参数。
7.如权利要求5所述基于光注入调频的微波光子雷达探测系统，其特征在于，所述光幅度控制器为电光幅度调制器，或电光马赫曾德尔调制器，或电光偏振调制器，或电吸收调制器。
8.如权利要求5所述基于光注入调频的微波光子雷达探测系统，其特征在于，所述变频模块包括：
电光调制器，用于将目标反射电信号调制于参考光信号；
低频光电探测器，用于对所得到的调制光信号进行光电转换；
低通滤波器，用于对光电转换后的电信号进行低通滤波。
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