CN111965621A - 射频多啁啾线性调频步进信号生成方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，利用光开关将单频连续光载波转换为周期性光脉冲信号后输入循环移频环路；将线性调频电脉冲信号输入循环移频环路中的被设置为抑制载波单边带调制模式的电光调制器，并令以下条件得到满足：
Figure DDA0002666388740000011
Tpw和Tpp分别为周期性光脉冲信号的脉宽和周期，TOFSL为光信号在环路中循环一次所引入的延时，N为大于1的整数，表示在一个脉冲周期内光信号在环路中的循环次数；将环路输出信号和单频连续光载波的分束光信号合路后进行相干探测，得到啁啾率及带宽呈周期性递增的射频多啁啾线性调频步进信号。本发明还公开了一种射频多啁啾线性调频步进信号生成装置。本发明啁啾步进参数及带宽可控，信号带宽范围大。

Description

射频多啁啾线性调频步进信号生成方法及装置
技术领域
本发明涉及一种射频信号生成方法，尤其涉及一种射频多啁啾线性调频步进信号生成方法。
背景技术
早期雷达系统中，发射信号使用单一载频信号，单频信号导致雷达的距离分辨率和速度分辨率两项重要指标相互制约，脉冲压缩技术极好地解决了这一矛盾。在脉冲压缩雷达系统中，常用的信号有线性调频信号、非线性调频信号以及相位编码信号。其中，线性调频信号因易产生易处理的优越性能成为脉冲压缩雷达中发展最成熟的一种信号。
线性调频信号具有大时宽带宽积(Time-Bandwidth Product,TBWP)，即信号的脉冲宽度和调频带宽的乘积，可以增加探测距离，提高距离分辨率，其相位谱具有平方律特性，在脉冲压缩过程中可以获得较大的压缩比，所用的匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，即可以用一个匹配滤波器处理具有不同多普勒频移的回波信号，大大简化了雷达信号处理系统。
现代雷达系统中通常采用线性调频微波信号作为探测信号，通过比较回波信号与参考信号的瞬时频率，获得目标距离速度相关信息。调频连续波激光雷达采用了与之相似的技术，利用线性调频光信号作为探测信号利用发射信号频率随时间的线性变化并测量接收信号频率的方法得到目标的距离信息和多普勒信息，为了克服单啁啾信号的距离—多普勒耦合，采用多个啁啾率，即调频斜率的线性调频脉冲信号作为发射信号，通过对发射信号以及接收信号的频率进行相关处理，不仅能够得到目标的距离，还可以得出目标的径向速度。徐忠扬等人在"Simultaneous Real-Time Ranging and Velocimetry via a Dual-Sideband Chirped Lidar"(Zhongyang Xu,Liangzun Tang,Hongxiang Zhang,andShilong Pan."Simultaneous Real-Time Ranging and Velocimetry via a Dual-Sideband Chirped Lidar."IEEE Photonics Technology Letters,29.24(2017):2254-2257)中提出用正负双啁啾的光学信号，通过计算拍频得到的两个单频信号的和与差获取目标距离和速度信息。同理，在调频连续波雷达中，采用射频多啁啾线性调频信号作为发射信号，并与接收信号拍频，即可得到多个单频信号，从而得到目标的距离和速度信息。
调频连续波雷达的距离分辨率取决于发射信号的带宽，为了获得更高的距离分辨率，所发射的信号需要具有更大的调制带宽。苏园园等人在“光学线性调频步进信号合成与高分辨测距演示”(苏园园,吴谨,赵志龙,等.光学线性调频步进信号合成与高分辨测距演示[J].强激光与粒子束,2014,26(10):101016.)一文中，利用分立激光器合成大带宽线性调频步进信号(FSCS)激光信号源以实现高分辨测距，该方案产生的线性调频步进信号带宽合成后虽然可以达到大带宽，但是啁啾率单一，不能进行测距，具有一定的应用局限性，该文方案中，合成线性调频步进信号需要多台线性调频激光光源，设备成本大，同时使用多台独立激光器不易获得相干光源，对激光器要求较高。
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，提供一种射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，可产生多种射频频段内不同啁啾率的线性调频步进信号，啁啾步进参数及带宽可控，信号带宽范围大，结构简单，实现成本低。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，利用光开关将单频连续光载波转换为周期性光脉冲信号后输入循环移频环路；将线性调频电脉冲信号输入循环移频环路中的被设置为抑制载波单边带调制模式的电光调制器，并令以下条件得到满足：
Figure BDA0002666388720000021
其中Tpw和Tpp分别为所述周期性光脉冲信号的脉宽和周期，TOFSL为光信号在所述循环移频环路中循环一次所引入的延时，N为大于1的整数，表示在一个脉冲周期内光信号在所述循环移频环路中的循环次数；将循环移频环路的输出信号和所述单频连续光载波的分束光信号合路后进行相干探测，得到啁啾率及带宽呈周期性递增的射频多啁啾线性调频步进信号。
进一步地，所述射频多啁啾线性调频步进信号生成方法还包括：调节所述线性调频电脉冲信号的啁啾率以控制所述射频多啁啾线性调频步进信号的啁啾步进参数及带宽。
优选地，所述循环移频环路包括两个光耦合器及电光调制器、光滤波器；所述光滤波器对于频率在f0+fc+kt～f0+(N-1)×(fc+kt),t∈(0,Tpw)的光信号，工作在带通模式，对于频率为f0+N×(fc+kt),t∈(0,Tpw)及以上频率的光信号，工作在带阻模式，其中，f0为所述单频连续光载波的频率，fc和k分别为所述线性调频电脉冲信号的初始频率和啁啾率。
更进一步地，所述循环移频环路还包括光放大器。
优选地，所述光开关为声光调制器。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种射频多啁啾线性调频步进信号生成装置，包括：
光源，用于生成单频连续光载波；
光开关，用于将单频连续光载波转换为周期性光脉冲信号；
循环移频环路，用于对所述周期性光脉冲信号进行循环移频操作，该环路中的电光调制器被设置为抑制载波单边带调制模式在其电输入端输入线性调频电脉冲信号，该循环移频环路满足以下条件：
Figure BDA0002666388720000031
其中Tpw和Tpp分别为所述周期性光脉冲信号的脉宽和周期，TOFSL为光信号在所述循环移频环路中循环一次所引入的延时，N为大于1的整数，表示在一个脉冲周期内光信号在所述循环移频环路中的循环次数；
光耦合器，用于将循环移频环路的输出信号和所述单频连续光载波的分束光信号合路；
光电探测器，用于对合路信号进行相干探测，输出啁啾率及带宽呈周期性递增的射频多啁啾线性调频步进信号。
优选地，所述循环移频环路包括两个光耦合器及电光调制器、光滤波器；所述光滤波器对于频率在f0+fc+kt～f0+(N-1)×(fc+kt),t∈(0,Tpw)的光信号，工作在带通模式，对于频率为f0+N×(fc+kt),t∈(0,Tpw)及以上频率的光信号，工作在带阻模式，其中，f0为所述单频连续光载波的频率，fc和k分别为所述线性调频电脉冲信号的初始频率和啁啾率。
进一步地，所述循环移频环路还包括光放大器。
优选地，所述光开关为声光调制器。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
一、本发明突破了传统方法对产生的信号的带宽限制，可以提高所产生的射频线性调频信号的带宽，带宽仅受限于光电探测器和光滤波器的带宽。
二、本发明突破了传统方法对产生的线性调频信号啁啾率的限制，可以产生多啁啾线性调频宽带信号。
三、本发明所产生的射频多啁啾线性调频步进信号，其啁啾步进参数及带宽可控，通过改变光开关打开的持续时间，光开关的开闭周期和光在循环移频模块绕一圈的时间改变产生的多啁啾信号的数量，同时改变加载的线性调频电信号就可以根据需求改变多啁啾信号的啁啾步进率及带宽。
附图说明
图1为本发明射频多啁啾线性调频步进信号产生装置一个具体实施例的结构示意图；
图2为光开关的一种优选结构示意图；
图3为图2所示光开关输出的光脉冲信号波形图；
图4为循环移频环路中双平行马赫曾德尔调制器的工作模式示意图；
图5为TOFSL＝Tpw，Tpp＝NTOFSL时，产生的射频多啁啾线性调频步进信号与时钟信号波形之间的对应关系示意图，其中上方为射频多啁啾线性调频步进信号波形，下方为时钟信号波形，Tpp为光开关打开的持续时间，Tpw为光开关的周期，TOFSL为光在环路中转一圈的时间。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于微波光子技术，基于循环移频环路来实现更大带宽，且啁啾步进率及带宽可控的射频多啁啾线性调频步进信号生成方案。具体而言，利用光开关将单频连续光载波转换为周期性光脉冲信号后输入循环移频环路；将线性调频电脉冲信号输入循环移频环路中的被设置为抑制载波单边带调制模式的电光调制器，并令以下条件得到满足：
Figure BDA0002666388720000051
其中Tpw和Tpp分别为所述周期性光脉冲信号的脉宽和周期，TOFSL为光信号在所述循环移频环路中循环一次所引入的延时，N为大于1的整数，表示在一个脉冲周期内光信号在所述循环移频环路中的循环次数；将循环移频环路的输出信号和所述单频连续光载波的分束光信号合路后进行相干探测，得到啁啾率及带宽呈周期性递增的射频多啁啾线性调频步进信号。
还可进一步通过调节所述线性调频电脉冲信号的啁啾率以控制所述射频多啁啾线性调频步进信号的啁啾步进参数及带宽。
本发明所提出的射频多啁啾线性调频步进信号生成装置，包括：
光源，用于生成单频连续光载波；
光开关，用于将单频连续光载波转换为周期性光脉冲信号；
循环移频环路，用于对所述周期性光脉冲信号进行循环移频操作，该环路中的电光调制器被设置为抑制载波单边带调制模式在其电输入端输入线性调频电脉冲信号，该循环移频环路满足以下条件：
Figure BDA0002666388720000052
其中Tpw和Tpp分别为所述周期性光脉冲信号的脉宽和周期，TOFSL为光信号在所述循环移频环路中循环一次所引入的延时，N为大于1的整数，表示在一个脉冲周期内光信号在所述循环移频环路中的循环次数；
光耦合器，用于将循环移频环路的输出信号和所述单频连续光载波的分束光信号合路；
光电探测器，用于对合路信号进行相干探测，输出啁啾率及带宽呈周期性递增的射频多啁啾线性调频步进信号。
所述光开关可采用现有的各种技术，例如由马赫增德尔调制器(MZM)所构成的光开关，通过直流偏置控制即可实现光开关功能；或者由声光调制器(AOM)所构成的光开关，该器件基于声光效应，可将周期性电脉冲信号转换为周期性的光脉冲信号，电脉冲信号以调幅形式作用于该调制器，进而将电信号调制于光载波，生成周期性的光脉冲信号，即可构建光开关。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本实施例中的射频多啁啾线性调频步进信号生成装置包括窄线宽激光器、光开关、双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)、光放大器、光滤波器、光电探测器以及四个光耦合器，其中，双平行马赫曾德尔调制器、光放大器、光滤波器与两个光耦合器组成循环移频环路，可对输入的光信号进行循环移频操作；窄线宽激光器产生频率为f0的连续光载波并将其分为两路，其中一路光载波经光开关转换为周期性光脉冲信号输入循环移频环路，线性调频电脉冲信号(本实施例中采用任意波形产生器生成)经双平行马赫曾德尔调制器调制于所述周期性光脉冲信号并实现抑制载波单边带调制，在环路中逐次循环，进行同样操作，实现信号啁啾率和带宽的递增，从而得到多啁啾的线性调频宽带光信号；将环路的输出信号和原先耦合出的原始光载波合路并进行相干探测，可以得到射频多啁啾线性调频步进信号，该信号的啁啾率及带宽呈周期性递增。
本实施例中采用的光开关，如图2所示，由声光调制器构成，任意波形产生器产生的周期性电脉冲信号通过声光调制器调制于所输入光信号，即可将周期性电脉冲信号转换为如图3所示的周期性的光脉冲信号，实现光开关功能，其中Tpw和Tpp分别为所述周期性光脉冲信号的脉宽和周期；并可通过改变任意波形产生器所产生信号的周期和脉宽来控制光开关的工作状态。
该装置的工作流程及原理具体如下：
激光源输出的连续光载波为：Ein＝2E0exp(j2πf0t)
经光耦合器分束后，每路输出的光信号为：Ein＝E0exp(j2πf0t)
任意波形发生器产生电脉冲信号：
Figure BDA0002666388720000061
光开关的输出信号：
Figure BDA0002666388720000071
控制电脉冲信号的脉宽和周期，即可实现光开关功能。
光开关打开后，频率为f0的光信号进入环路中，控制DPMZM的直流偏压以及加载的两个射频信号的相位即可对光进行抑制载波单边带(CS-SSB)调制。DPMZM集成了两个子MZM，通过控制两个MZM之间的偏压，可以看成是更高一级的MZM。如图4所示，输入的线性调频电脉冲信号被分为两路，将其中一路的相位偏转90°，两路频率相同，相位相差90°的线性调频电脉冲信号分别加载在DPMZM的两射频端口，设其上路加载的是余弦宽带信号，下路加载的是正弦宽带信号，线性调频电脉冲信号的频率数学表达式为fc+kt,t∈(0,Tpw)则上路输出为：
Figure BDA0002666388720000072
调节上路直流偏压，使得
Figure BDA0002666388720000073
根据小信号近似，又得到：
Figure BDA0002666388720000074
同理，得到下路的输出信号：
Figure BDA0002666388720000075
再调节第三个直流偏置，使上下两路分别相移
Figure BDA0002666388720000076
和
Figure BDA0002666388720000077
整个DPMZM的输出为：
Figure BDA0002666388720000078
这样就实现了抑制载波单边带(CS-SSB)调制。DPMZM工作过程如图4所示，图中显示出了A～E各点的信号频谱，整个过程等效于进行移频处理，移频量与所加载射频信号的啁啾率及带宽相关。
设光在环路中环绕一圈的时间为TOFSL，为了不让光的前部与光的尾部发生干涉，需要控制光开关的打开时间，即光脉冲信号的脉冲也为TOFSL。则在经过NTOFSL时间之后，环路输出为：
Figure BDA0002666388720000081
即为多啁啾的线性调频宽带光信号。为了保证产生信号的功率一定，环路中还包含一个光放大器(掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA))，用于对每转一圈的光损耗进行补偿。环路中同时放置光滤波器，串接于光放大器和光分束器之间(或者设置于环路的输出端)，其对于频率在f0+fc+kt～f0+(N-1)×(fc+kt)，t∈(0,Tpw)的光信号，工作在带通模式，对于频率为f0+N×(fc+kt),t∈(0,Tpw)及以上频率的光信号，工作在带阻模式，从而控制产生信号的最大带宽，能通过的最大带宽为f0+(N-1)×(fc+kt),t∈(0,Tpw)，一个脉冲周期内，光信号在环路中的环绕次数为N，经历时间为NTOFSL，经过时间NTOFSL之后，环路中不再有光信号，此时光开关被打开，环路循环进入下一个周期，原始光脉冲信号再次进入环路开始循环，所以光开关的周期为NTOFSL，一个周期即可产生多啁啾的线性调频宽带光信号。将环路的输出信号和光源耦合出的另一路原始光载波合束，Etot(t)＝E0exp(j2πf0t)+EOFSL(t)，再送入光电探测器拍频：
Figure BDA0002666388720000082
光电探测器只输出交流分量。由此看出，该方法产生一个周期内，啁啾率依次为
fc,2fc,……(N-1)fc的射频多啁啾宽带信号，如图5所示。通过调节加载到调制器上的线性调频电脉冲信号的啁啾率可以控制产生的多啁啾线性调频信号的啁啾步进参数及带宽。
本方案借助单个窄线宽激光器即可产生线性调频步进信号，装置结构简单，不需要多个激光器，克服光源相干性这一制约，且产生的信号具有多个啁啾率，可以同时测距测速，相比于两个反啁啾的线性调频信号，速度和距离的计算更加简单，且多个啁啾计算可以提高测距测速准确度，同时使用低频宽带电信号产生源即可获得高频大带宽信号，带宽合成后可以获得更大带宽信号，控制光开关的脉冲可以产生大时宽信号，提高距离和速度分辨率。

Claims (9)

1.一种射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，其特征在于，利用光开关将单频连续光载波转换为周期性光脉冲信号后输入循环移频环路；将线性调频电脉冲信号输入循环移频环路中的被设置为抑制载波单边带调制模式的电光调制器，并令以下条件得到满足：
Figure FDA0002666388710000011
其中Tpw和Tpp分别为所述周期性光脉冲信号的脉宽和周期，TOFSL为光信号在所述循环移频环路中循环一次所引入的延时，N为大于1的整数，表示在一个脉冲周期内光信号在所述循环移频环路中的循环次数；将循环移频环路的输出信号和所述单频连续光载波的分束光信号合路后进行相干探测，得到啁啾率及带宽呈周期性递增的射频多啁啾线性调频步进信号。
2.如权利要求1所述射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，其特征在于，还包括：调节所述线性调频电脉冲信号的啁啾率以控制所述射频多啁啾线性调频步进信号的啁啾步进参数及带宽。
3.如权利要求1所述射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，其特征在于，所述循环移频环路包括两个光耦合器及电光调制器、光滤波器；所述光滤波器对于频率在f0+fc+kt～f0+(N-1)×(fc+kt),t∈(0,Tpw)的光信号，工作在带通模式，对于频率为f0+N×(fc+kt),t∈(0,Tpw)及以上频率的光信号，工作在带阻模式，其中，f0为所述单频连续光载波的频率，fc和k分别为所述线性调频电脉冲信号的初始频率和啁啾率。
4.如权利要求3所述射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，其特征在于，所述循环移频环路还包括光放大器。
5.如权利要求1所述射频多啁啾线性调频步进信号生成方法，其特征在于，所述光开关为声光调制器。
6.一种射频多啁啾线性调频步进信号生成装置，其特征在于，包括：
光源，用于生成单频连续光载波；
光开关，用于将单频连续光载波转换为周期性光脉冲信号；
循环移频环路，用于对所述周期性光脉冲信号进行循环移频操作，该环路中的电光调制器被设置为抑制载波单边带调制模式在其电输入端输入线性调频电脉冲信号，该循环移频环路满足以下条件：
Figure FDA0002666388710000021
其中Tpw和Tpp分别为所述周期性光脉冲信号的脉宽和周期，TOFSL为光信号在所述循环移频环路中循环一次所引入的延时，N为大于1的整数，表示在一个脉冲周期内光信号在所述循环移频环路中的循环次数；
光耦合器，用于将循环移频环路的输出信号和所述单频连续光载波的分束光信号合路；
光电探测器，用于对合路信号进行相干探测，输出啁啾率及带宽呈周期性递增的射频多啁啾线性调频步进信号。
7.如权利要求6所述射频多啁啾线性调频步进信号生成装置，其特征在于，所述循环移频环路包括两个光耦合器及电光调制器、光滤波器；所述光滤波器对于频率在f0+fc+kt～f0+(N-1)×(fc+kt),t∈(0,Tpw)的光信号，工作在带通模式，对于频率为f0+N×(fc+kt),t∈(0,Tpw)及以上频率的光信号，工作在带阻模式，其中，f0为所述单频连续光载波的频率，fc和k分别为所述线性调频电脉冲信号的初始频率和啁啾率。
8.如权利要求7所述射频多啁啾线性调频步进信号生成装置，其特征在于，所述循环移频环路还包括光放大器。
9.如权利要求6所述射频多啁啾线性调频步进信号生成装置，其特征在于，所述光开关为声光调制器。
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