CN111781588B - 基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法、系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法、系统及装置，其中，该方法包括：向待测目标发射线性调频信号，并接收待测目标的回波信号，通过电光调制器将线性调频信号和回波信号加载在单频光波上；将电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过电光调制器对单频光波进行调制，并输出调制后的光信号；通过光电探测器将光信号进行转换得到光电流；对光电流进行傅里叶变换得到分数傅里叶频谱，根据分数傅里叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。该方法可将高频宽带雷达信号转化为低频窄带的分数域信号，并消除假目标分量对雷达探测结果的干扰。

Description

基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法、系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法、系统及装置。
背景技术
分数傅立叶变换是信号处理的重要手段之一。该方法通过时频平面旋转的方法可将宽带非平稳信号转换为分数域的窄带平稳信号，因此被广泛应用于雷达、通信、声纳信号处理领域。随着高精度高分辨雷达探测、高速率大容量无线通信等需求的发展，各个系统对于发射信号的带宽和中心频点的要求日益升高。传统基于电采样及数字信号处理的分数傅立叶变换由于存在着电子采样设备带宽受限、受电磁干扰严重，以及数字信号处理数据量巨大的问题，已难以满足日益增长的信号快速处理的需求。由于微波光子技术高频宽带、抗电磁干扰的特性，基于光子学的信号处理方法具有大带宽、高中心频点的优势。
在实际雷达探测场景中，目标通常是非合作的，其数目及位置是未知的。因此在多非合作目标场景下，由于调制器及光电探测器的非线性效应使得多个回波之间的相互作用，造成分数域频谱中假目标分量的出现，且假目标的幅度和位置与真实目标接近，难以区分。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法，该方法可将高频宽带雷达信号转化为低频窄带的分数域信号，并消除假目标分量对雷达探测结果的干扰。
本发明的另一个目的在于提出一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统。
本发明的再一个目的在于提出一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法，包括：
向待测目标发射线性调频信号，并接收所述待测目标的回波信号，通过电光调制器将所述线性调频信号和所述回波信号加载在单频光波上；
将所述电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过所述电光调制器对所述单频光波进行调制，并输出调制后的光信号；
通过光电探测器将所述光信号进行转换得到光电流；
对所述光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到所述待测目标的距离信息。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统，包括：雷达发射机、雷达接收机、单频光源、电光调制器、偏置点控制模块、光电探测器、数字信号处理模块；
所述雷达发射机用于向所述待测目标发射线性调频信号；
所述雷达接收机用于接收所述待测目标的回波信号；
所述单频光源用于生成单频光波并输入至所述电光调制器；
所述偏置点控制模块用于将所述电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点；
所述电光调制器的输入端输入所述单频光波、所述线性调频信号和所述回波信号，输出端与所述光电探测器的输入端连接，用于根据所述线性调频信号和所述回波信号对所述单频光波进行调制，并将调制得到的光信号发送至所述光电探测器；
所述光电探测器的输出端与所述数字信号处理模块的输入端连接，用于将所述光信号转换为光电流，并将所述光电流发送至所述数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块用于对所述光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。
为达到上述目的，本发明再一方面实施例提出了一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理装置，包括：
输入模块，用于向待测目标发射线性调频信号，并接收所述待测目标的回波信号，通过电光调制器将所述线性调频信号和所述回波信号加载在单频光波上；
调制模块，用于将所述电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过所述电光调制器对所述单频光波进行调制，并输出调制后的光信号；
转换模块，用于通过光电探测器将所述光信号进行转换得到光电流；
处理模块，用于对所述光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到所述待测目标的距离信息。
本发明的有益效果是：
可将高频宽带雷达信号转化为低频窄带的分数域信号，并消除假目标分量对雷达探测结果的干扰。此外使用了少量的射频电器件及光器件，系统结构简单紧凑，调制器偏置点固定，不受目标数目及特性的影响，可应用于多非合作目标的复杂探测场景。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法流程图；
图2为根据本发明一个实施例的光子分数傅立叶变换器的结构图；
图3为根据本发明一个实施例的双目标探测实验的实物图；
图4为根据本发明一个实施例的双平行调制器的两个子调制器均偏置在抑制载波点的探测结果示意图；
图5为根据本发明一个实施例的双平行调制器的两个子调制器分别偏置在正交偏置点和抑制载波点的探测结果示意图；
图6为根据本发明一个实施例的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统结构示意图；
图7为根据本发明一个实施例的雷达无虚假目标探测的光子分数傅立叶变换器的工作原理图；
图8为根据本发明一个实施例的基于双平行马赫曾德尔调制器的光子分数傅立叶变换器结构示意图；
图9为根据本发明一个实施例的基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的I/Q光子分数傅立叶变换器结构示意图；
图10为根据本发明一个实施例的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法、系统及装置。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法。
图1为根据本发明一个实施例的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法流程图。
如图1所示，该基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法包括以下步骤：
步骤S1，向待测目标发射线性调频信号，并接收待测目标的回波信号，通过电光调制器将线性调频信号和回波信号加载在单频光波上。
具体地，可以通过雷达发射机向探测范围内的待测目标发射线性调频信号，线性调频信号碰到待测目标后产生回波信号，再被雷达接收机接收。
在本发明的一个实施例中，发射的线性调频信号为：
s0(t)＝expj(2πf0t+πkt2)
其中，f0为所用的线性调频信号的初始频率，k为所用的线性调频波的啁啾率；
接收到的回波信号为：
Figure GDA0004162385030000041
其中，ri为来自第i个目标回波的幅度，τi为来自第i个目标回波的延时，n为目标个数。
本发明实施例中的单频光波通过单频光源产生，将单频光波输入到电光调制器中，同时将线性调频信号和回波信号一同输入到电光调制器中。
步骤S2，将电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过电光调制器对单频光波进行调制，并输出调制后的光信号。
可以理解的是，通过控制电光调制器的偏置点进行光谱处理从而对分数域频谱进行操控，实现两个假目标分量来源的对消。
具体地，电光调制器为双平行调制器时，将双平行调制器的两个子调制器与母调制器分别偏置在：正交偏置点，抑制载波点及最大传输点。对应相位偏置为：
φ1＝π/4,φ2＝π/2,φ3＝0
步骤S3，通过光电探测器将光信号进行转换得到光电流。
将电光调制器进行偏置后，通过电光调制器的调制可以输出光信号，将光信号输入到光电探测器中，将光信号转换为光电流。
步骤S4，对光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。
具体地，将得到的光电流做傅立叶变换，即可得到无假目标的分数傅立叶频谱，根据分数傅立叶频谱中各脉冲信号的峰值位置按照下式得出目标的距离信息：
Li＝τic/2＝|fi′c/2k|
其中，Li为第i个目标距离线性调频信号发射点的距离，fi'为第i个目标在分数傅立叶频谱的峰值位置，c为光速，τi为来自第i个目标回波的延时，k为所用的线性调频波的啁啾率。
具体地，本发明实施例中使用的雷达发射机和雷达接收机可以集成在同一装置中，得到的目标位置信息可以看作距离线性调频信号发射点的距离，也可以为距离接收回波信号的距离。
使用基于双平行调制器的光子分数傅立叶变换器，进行双目标探测实验，如图2所示，在实验中所使用的雷达信号为X波段(8-12GHz)，由任意波形发生器产生。产生后信号分为两路，一路经电放大滤波后进入发射天线进行目标探测，一路输入双平行调制器其中的一个微波输入口。目标的回波经接收天线接收后经低噪声放大器放大后输入双平行调制器的另一个微波输入口。偏置点控制电路控制双平行调制器的三个偏置点。双平行调制器输出光信号经光电探测器探测后产生光电流，经数字示波器采样及数字信号处理后即可得到探测范围内的目标距离信息。双目标探测实验的实物图如图3所示，两个目标分别放置在距离天线90cm和175cm处。图4展示了双平行调制器的两个子调制器均偏置在抑制载波点的探测结果，未经过光谱处理，可以发现，在85cm处有假目标的出现。图5展示了双平行调制器的MZM1偏置在正交偏置点，MZM2偏置在抑制载波点的探测结果，在经过光谱处理后，可以发现假目标可以被消除，而真实目标得以保留。
根据本发明实施例提出的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法，通过向待测目标发射线性调频信号，并接收待测目标的回波信号，通过电光调制器将线性调频信号和回波信号加载在单频光波上；将电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过电光调制器对单频光波进行调制，并输出调制后的光信号；通过光电探测器将光信号进行转换得到光电流；对光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。由此，将高频宽带雷达信号转化为低频窄带的分数域信号，并消除假目标分量对雷达探测结果的干扰。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统。
图6为根据本发明一个实施例的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统结构示意图。
如图6所示，该基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统包括：雷达发射机、雷达接收机、单频光源、电光调制器、偏置点控制模块、光电探测器、数字信号处理模块。
雷达发射机用于向待测目标发射线性调频信号；
雷达接收机用于接收待测目标的回波信号；
单频光源用于生成单频光波并输入至电光调制器；
偏置点控制模块用于将电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点；
电光调制器的输入端输入单频光波、线性调频信号和回波信号，输出端与光电探测器的输入端连接，用于根据线性调频信号和回波信号对单频光波进行调制，并将调制得到的光信号发送至光电探测器；
光电探测器的输出端与数字信号处理模块的输入端连接，用于将光信号转换为光电流，并将光电流发送至数字信号处理模块；
数字信号处理模块用于对光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。
可以理解的是，除信号处理模块外，其余器件可以集成在一个装置中，系统结构简单紧凑。信号处理模块可以通过计算机实现。
如图7所示，为雷达无虚假目标探测的光子分数傅立叶变换器的工作原理，其中，两种光子分数傅立叶变换器实现结构分别如图8和图9所示，其中图8为单通道结构，其中一个双平行调制器；图9展示了基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的I/Q光子分数傅立叶变换器结构，为图8的扩展结构，可实现I/Q接收，包括一个50：50电功分器，一个90°电桥，一个双偏振双平行调制器，一个偏振分束器，2个光电探测器。图8中的单通道结构发射信号与接收信号分别接入双平行调制器的两个射频输入接口，双平行调制器输出直接与光电探测器的输入相连。图9中的I/Q结构发射信号和接收信号分别经90°电桥和功分器后分为两路，分别输入双偏振双平行调制器的两个子双平行调制器中，双偏振双平行调制器的输出与偏振分束器的输入相连，偏振分束器的两个输出口各与一个光电探测器相连。
在本发明的实施例中，电光调制器的调制速率大于雷达信号的最大频率；电功分器的最大频率应大于雷达信号的最大频率；90°电桥的最大频率应大于雷达信号的最大频率；光电探测器的响应速率大于雷达信号带宽。
需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统，可将高频宽带雷达信号转化为低频窄带的分数域信号，并消除假目标分量对雷达探测结果的干扰。此外使用了少量的射频电器件及光器件，系统结构简单紧凑，调制器偏置点固定，不受目标数目及特性的影响，可应用于多非合作目标的复杂探测场景。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理装置。
图10为根据本发明一个实施例的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理装置结构示意图。
如图10所示，该基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理装置包括：输入模块100、调制模块200、转换模块300和处理模块400。
输入模块100，用于向待测目标发射线性调频信号，并接收待测目标的回波信号，通过电光调制器将线性调频信号和回波信号加载在单频光波上。
调制模块200，用于将电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过电光调制器对单频光波进行调制，并输出调制后的光信号。
转换模块300，用于通过光电探测器将光信号进行转换得到光电流。
处理模块400，用于对光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，线性调频信号为：
s0(t)＝expj(2πf0t+πkt2)
其中，f0为所用的线性调频信号的初始频率，k为所用的线性调频波的啁啾率；
回波信号为：
Figure GDA0004162385030000071
其中，ri为来自第i个目标回波的幅度，τi为来自第i个目标回波的延时，n为目标个数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，将电光调制器分别偏置在不同的偏置点进一步包括：
将双平行电光调制器的两个子调制器与母调制器分别偏置在正交偏置点、抑制载波点及最大传输点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息Li为：
Li＝τic/2＝|fi′c/2k|
其中，Li为第i个目标距离线性调频信号发射点的距离，fi'为第i个目标在分数傅立叶频谱的峰值位置，c为光速，τi为来自第i个目标回波的延时，k为所用的线性调频波的啁啾率。
需要说明的是，前述对方法、系统实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理装置，通过向待测目标发射线性调频信号，并接收待测目标的回波信号，通过电光调制器将线性调频信号和回波信号加载在单频光波上；将电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过电光调制器对单频光波进行调制，并输出调制后的光信号；通过光电探测器将光信号进行转换得到光电流；对光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。由此，将高频宽带雷达信号转化为低频窄带的分数域信号，并消除假目标分量对雷达探测结果的干扰。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统，其特征在于，包括：雷达发射机、雷达接收机、单频光源、电光调制器、偏置点控制模块、光电探测器、数字信号处理模块；
所述雷达发射机用于向待测目标发射线性调频信号；
所述雷达接收机用于接收所述待测目标的回波信号；
所述单频光源用于生成单频光波并输入至所述电光调制器；
所述偏置点控制模块用于将所述电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，其中，将双平行电光调制器的两个子调制器与母调制器分别偏置在正交偏置点、抑制载波点及最大传输点；
所述电光调制器的输入端输入所述单频光波、所述线性调频信号和所述回波信号，输出端与所述光电探测器的输入端连接，用于根据所述线性调频信号和所述回波信号对所述单频光波进行调制，并将调制得到的光信号发送至所述光电探测器；
所述光电探测器的输出端与所述数字信号处理模块的输入端连接，用于将所述光信号转换为光电流，并将所述光电流发送至所述数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块用于对所述光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息。
2.根据权利要求1所述的基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统，其特征在于，所述电光调制器包括：单通道双平行调制器或双偏振双平行马赫曾德尔调制器。
3.一种基于如权利要求1或2所述的光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
向待测目标发射线性调频信号，并接收所述待测目标的回波信号，通过电光调制器将所述线性调频信号和所述回波信号加载在单频光波上；
将所述电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过所述电光调制器对所述单频光波进行调制，并输出调制后的光信号；
通过光电探测器将所述光信号进行转换得到光电流；
对所述光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到所述待测目标的距离信息。
4.根据权利要求3所述的处理方法，其特征在于，所述线性调频信号为：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_2
为所用的线性调频信号的初始频率，/>
Figure QLYQS_3
为所用的线性调频波的啁啾率；
所述回波信号为：
Figure QLYQS_4
其中，
Figure QLYQS_5
为来自第i个目标回波的幅度，/>
Figure QLYQS_6
为来自第i个目标回波的延时，n为目标个数。
5.根据权利要求3所述的处理方法，其特征在于，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息L i为：
Figure QLYQS_7
其中，
Figure QLYQS_8
为第i个目标距离所述线性调频信号发射点的距离，/>
Figure QLYQS_9
为第i个目标在分数傅立叶频谱的峰值位置，/>
Figure QLYQS_10
为光速，/>
Figure QLYQS_11
为来自第i个目标回波的延时，/>
Figure QLYQS_12
为所用的线性调频波的啁啾率。
6.一种基于如权利要求1或2所述的光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理系统的处理装置，其特征在于，包括：
输入模块，用于向待测目标发射线性调频信号，并接收所述待测目标的回波信号，通过电光调制器将所述线性调频信号和所述回波信号加载在单频光波上；
调制模块，用于将所述电光调制器的子调制器与母调制器分别偏置在不同的偏置点，通过所述电光调制器对所述单频光波进行调制，并输出调制后的光信号；
转换模块，用于通过光电探测器将所述光信号进行转换得到光电流；
处理模块，用于对所述光电流进行傅立叶变换得到分数傅立叶频谱，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到所述待测目标的距离信息。
7.根据权利要求6所述的处理装置，其特征在于，所述线性调频信号为：
Figure QLYQS_13
其中，
Figure QLYQS_14
为所用的线性调频信号的初始频率，/>
Figure QLYQS_15
为所用的线性调频波的啁啾率；
所述回波信号为：
Figure QLYQS_16
其中，
Figure QLYQS_17
为来自第i个目标回波的幅度，/>
Figure QLYQS_18
为来自第i个目标回波的延时，n为目标个数。
8.根据权利要求6所述的处理装置，其特征在于，将所述电光调制器分别偏置在不同的偏置点进一步包括：
将双平行电光调制器的两个子调制器与母调制器分别偏置在正交偏置点、抑制载波点及最大传输点。
9.根据权利要求6所述的处理装置，其特征在于，根据所述分数傅立叶频谱中各个脉冲信号的峰值位置得到待测目标的距离信息L i为：
Figure QLYQS_19
其中，
Figure QLYQS_20
为第i个目标距离所述线性调频信号发射点的距离，/>
Figure QLYQS_21
为第i个目标在分数傅立叶频谱的峰值位置，/>
Figure QLYQS_22
为光速，/>
Figure QLYQS_23
为来自第i个目标回波的延时，/>
Figure QLYQS_24
为所用的线性调频波的啁啾率。
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