CN112099048B

CN112099048B - 基于时分-差频复用的微波光子mimo雷达探测方法及系统

Info

Publication number: CN112099048B
Application number: CN202011265090.9A
Authority: CN
Inventors: 郭清水; 陈佳佳
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2040-11-12
Also published as: CN112099048A

Abstract

本发明公开了一种基于时分‑差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，首先将调制光信号分为两路，一路调制光信号经光电转换后送入包含M个输出端口的射频开关，控制开关时序使发射天线阵列依次发射；将另一路调制光信号解波分复用分为N路，以其中第一路为参考，其余路光信号依次增加整数倍时延；以延时后的N路光信号分别对目标反射信号进行光域的接收得到N路接收光信号并合为一路，经光电转换后得到携带目标信息的中频信号，对此信号进行处理，得到探测目标信息。本发明还公开了一种基于时分‑差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，通过时分复用信号发射及差频复用信号接收技术，能够在降低雷达系统复杂度及成本的同时提高雷达系统角分辨率。

Description

基于时分-差频复用的微波光子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时分-差频复用辅助技术的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）雷达探测方法及系统。

背景技术

多输入多输出作为一种有效提高雷达工作孔径，可实现多维目标信息获取的技术，广泛应用于雷达探测中（参见[A. Frischen, J. Hasch, C. Waldschmidt, "ACooperative MIMO Radar Network Using Highly Integrated FMCW Radar Sensors"IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 65, no. 4, pp.1355-1366, 2017.]）。然而电子链路窄带响应及高损耗极大地限制了其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.]）。例如，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 and fast 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。此外一种基于微波光子时分复用MIMO雷达采用发射信号时域分级实现发射信号的正交（[F. Berland, T. Fromenteze, D. Boudescoque, P. Bin, H.Elwan, C. Berthelemot, C. Decroze, "Microwave Photonic MIMO Radar for Short-Range 3D Imaging," IEEE Access, vol. 8, pp. 107326-107334, 2020.]）。虽然该方法提高了雷达系统的频带利用率，但雷达信号产生与接收由独立功能模块实现，且光链路只实现了接收信号的传输，仍需高速光电探测器及高速模数转换器实现信号的光电转换及采集，导致系统实时处理能力受限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的探测思路，将微波光子时分复用与差频复用技术相结合，在MIMO雷达发射端采用时分复用技术提高雷达系统频带利用率，在MIMO雷达接收端采用差频复用技术实现接收通道的融合一体化光电转换、低通滤波及数字采集。基于两种技术的优势，在保证雷达系统频带利用率及性能的同时，大幅降低雷达系统的系统复杂度及制造成本。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于时分-差频复用的微波光子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，在降低系统复杂度及成本的同时提高雷达系统角分辨率及目标多维度信息探测能力。该方法具体为：

将调制光信号分为两路，并分别送入雷达发射端与雷达接收端；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得；

在雷达发射端，一路调制光信号经光电转换后得到雷达探测信号，将雷达探测信号送入包含M个输出端的射频开关，控制射频开关通断时序使发射天线阵列的天线单元依次发射雷达探测信号；

在雷达接收端，另一路调制光信号解波分复用分为N路，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号；接收天线阵列接收目标反射信号得到目标回波信号，目标回波信号分别对延时后的N路参考光信号调制得到N路接收光信号；将N路接收光信号合为一路并经光电转换后得到携带目标信息的中频电信号，对中频电信号进行处理，得到探测目标信息。

优选地，所述包含N个频率分量的光信号可以通过光频梳产生器、多波长激光器、波长不同的多个激光器产生；且N个频率分量之间频率间隔需大于6倍的基带信号源高频分量。

优选地，所述以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号具体为：设定雷达有效探测距离为L，对应时延为τ _d = 2L/c，则第二路至第N路光信号相比第一路光信号延时依次增加整数倍τ _d，对应的光纤长度依次增加整数倍ΔL =2L/n _re，其中c为大气中的光速，n _re为光纤的折射率。

优选地，所述中频电信号在一个周期内包括N个中频分量，分别对应N个接收通道，中频分量的频率间隔为Δf = k2L/c，其中k为线性调频雷达发射信号的调频斜率。

优选地，所述发射天线阵列及接收天线阵列的天线排布方式，可以为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵、分布式阵列。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，包括：

调制光信号源，用于生成调制光信号；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得；

第一光电探测器，用于将一路调制光信号转换为电信号，得到雷达探测信号；

1×M射频开关，用于将各个输出端口分别连接发射天线阵列，依次选通，控制发射天线阵列的天线单元依次工作；

发射天线阵列（包含M个天线单元），分别与1×M射频开关的输出端口对应连接，用于依次发射1×M射频开关选通端的雷达探测信号；

接收天线阵列（包含N个天线单元），用于同时接收目标依次反射的回波信号；

光延时模块，用于将另一路调制光信号分成N路光信号，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延，得到N路延时的参考光信号；

多通道光接收模块，用于基于所述N路延时的参考光信号，对接收天线阵列所接收的回波信号分别进行光域接收，得到N路接收光信号；

光波分复用器，用于将N路接收光信号合为一路；

第二光电探测器，用于将光波分复用器输出的接收光信号转换为中频电信号；

信号采集与处理单元，用于对所述中频电信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出探测目标信息；

优选地，所述光延时模块包括：

光解波分复用器，用于将另一路调制光信号解波分复用分成N路光信号；

光延时线组，用于以其中一路光信号为参考，对其余N-1路光信号按顺序依次增加整数倍时延且每相邻两路光信号时延间隔相等。

优选地，所述多通道光接收模块由N个光接收单元组成，每个光接收单元包括：

低噪声放大器，用于对接收天线阵列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；

进一步地，所述发射天线阵列及接收天线阵列的天线排布方式，可以为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵、分布式阵列。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1）本发明在信号接收部分基于差频复用技术实现多通道信号接收，单个光电探测器及模数转换器即可实现多通道接收光信号的同时光电转换及数据采集，降低了多通道信号接收结构的复杂度及成本。

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及延时，光纤的低损耗、低色散、宽频平坦响应、抗电磁干扰特性可满足大规模阵列对信号低损耗、无失真传输的要求。

附图说明

图1为本发明微波光子MIMO雷达探测系统的结构示意图；

图2为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例的结构示意图；

图3为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例发射天线阵列与接收天线阵列的天线分布示意图；其中，a为发射天线阵列，b为接收天线阵列；

图4为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例光延时模块的结构示意图；

图5为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例多通道光接收模块中光接收单元的结构示意图；

图6为本发明微波光子MIMO雷达探测方法中频电信号的频谱分布示意图；

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明思路是基于微波光子倍频/混频技术实现高频、可调谐的线性调频信号的产生，并通过差频复用微波光子下变频技术实现多通道宽带信号接收，同时基于发射信号的时分复用正交性，在降低微波光子MIMO雷达系统复杂度与成本的同时，提高雷达系统角分辨率与目标多维度信息感知能力。

本发明提供了一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，如图1所示，包括调制光信号源、雷达发射端和接收端。具体地，雷达发射端包括第一光电探测器、1×M射频开关、发射天线阵列，雷达接收端包括接收天线阵列、光延时模块、多通道光接收模块、光波分复用器、第二光电探测器和信号采集与处理单元。

首先，将调制光信号源产生的调制光信号分为两路，并分别送入雷达发射端与雷达接收端；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得。

在雷达发射端，一路调制光信号经第一光电探测器光电转换后得到雷达探测信号，将此信号送入包含M个输出端的1×M射频开关，控制射频开关通断时序使发射天线阵列的天线单元依次发射雷达探测信号。

在雷达接收端，另一路调制光信号在光延时模块中解波分复用分为N路，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延；接收天线阵列接收目标反射信号得到目标回波信号，在多通道光接收模块中，目标回波信号分别对延时后的N路参考光信号调制得到N路接收光信号；将N路接收光信号经光波分复用器合为一路并经第二光电探测器光电转换后得到携带目标信息的中频电信号，信号采集与处理单元对此信号进行处理，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2所示，本实施例的雷达探测系统包括：1个激光源、1个电光调制器、1个基带信号源、2个光电探测器（第一光电探测器与第二光电探测器）、1个电功率放大器（EA）、1个1×M路射频开关、1个发射天线阵列（包含M个天线单元）、1个接收天线阵列（包含N个天线单元）、1个光延时模块、N个光接收单元、1个1×N路光波分复用器、1个光放大器、1个低通滤波器（LPF）1个信号采集与处理单元。

需要说明的是，所述调制光信号源与光接收单元可采用各种现有技术，优选地，如图2所示，所述调制光信号源由基带信号源通过电光调制器外调制多波长激光阵列实现。优选地，如图5所示，所述光接收单元包括低噪声放大器（LNA）与电光调制器。上述电光调制器可以为马赫-曾德尔调制器、强度调制器、相位调制器、偏振复用调制器；本实施例选用马赫-曾德尔调制器。

优选地，所述发射天线阵列和接收天线阵列的排布方式为集总式一维均匀阵，如图3所示，其中接收天线阵列的天线单元间距为d，发射天线阵列的天线单元间距为Nd， N为接收天线阵列天线单元个数，为避免阵列栅瓣影响，优选地，d等于λ/2，λ为雷达中心工作波长。

优选地，所述光延时模块由光解波分复用器与包含N路光纤的光延时线组组成，如图4所示，相对于第一路光纤长度L1，其它路光纤长度依次增加整数倍ΔL，至第N路光纤长度为L1+(N-1)ΔL。当设定雷达有效探测距离为L时，对应时延优选为τ _d = 2L/c，ΔL = 2L/n _re，则第二路至第N路光信号相比第一路光信号延时依次增加整数倍τ _d，其中c为大气中的光速，n _re为光纤的折射率。

基带信号源产生的基带线性调频信号在马赫-曾德尔调制器处对多波长激光阵列产生的包含频率f ₁，…，f _N的光信号进行调制，在输出端得到包含正负扫频边带的调制光信号，设基带调频信号的瞬时频率f _LFM(t)为：

f _LFM(t) = f ₀ + kt(0 ≤ t ≤ T) (1)

其中f ₀为基带调频信号的起始频率，T 为其周期，k为其调频斜率。此时单周期调制光信号S _OTr(t)可以表示为：

(2)

其中，A _{+ OTr1},…, A _{+ OTrN}表示正一阶边带光信号幅度，A _{- OTr1},…, A _{- OTrN}表示负一阶边带光信号幅度。将该调制光信号分为两路后，一路送入第一光电探测器，光电转换后即可得到倍频的线性调频信号，其瞬时频率f _TR1(t)可以表示为：

f _TR1(t) = 2f ₀ + 2kt (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射频开关作为雷达探测信号，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天线阵列的一个天线单元，则M个天线单元依次向空间中辐射一个时宽为T的线性调频信号，发射天线阵列中的天线单元依次辐射的信号S _Trm(t)可以表示为：

S _Trm(t) = A _Trm exp[j2π(2f ₀ t + kt ²)] (0 ≤ t ≤ T) (4)

另一路调制光信号经光放大器放大后送入光解波分复用器作为参考光信号，光解波分复用器输出端分别连接N个长度依次整数倍ΔL增加的光纤延时线，通过延时的第n路参考光信号S _ORen(t)可以表示为：

(5)

其中，A _{+ ORen}表示第n路参考光信号的正一阶边带光信号幅度，A _{- ORen}表示第n路参考光信号的负一阶边带光信号幅度，τ _d为对应长度ΔL的光纤时延，本实施例中相邻通道延时增加量相等，延时后的参考光信号分别与N个光接收单元连接，假设天线阵列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，反射信号经接收天线阵列接收并放大后，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n个光接收单元接收的第一个周期接收信号S _Ren(t)可以表示为：

(6)

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，则参考光信号正一阶扫频信号的负一阶边带与参考光信号负一阶边带靠近，同理参考光信号负一阶扫频信号的正一阶边带与参考光信号正一阶边带靠近，相距频率差都为2kτ，将马赫-曾德尔调制器的输出光信号送入光波分复用器合为一路后，送入低频光电探测器完成光电转换及低通滤波，即可得到下变频后的中频电信号，第一个周期S _1N(t)可以表示为：

(7)

其中，下标1表示第一个周期，该中频电信号包含N个中频分量，如图6所示，f _In表示第n个中频分量频率，每个中频分量频率间隔为Δf = 2kτ _d，N个中频分量即代表N个接收通道。同理，其它周期中频电信号可以表示为：

(8)

其中，下标m表示第m个周期，将M个周期的中频电信号采样，并在数字域数据重组及数字域频率补偿校准后，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。

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

1.一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，

在雷达接收端，另一路调制光信号解波分复用分为N路，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号；接收天线阵列接收目标反射信号得到目标回波信号，目标回波信号分别对延时后的N路参考光信号调制得到N路接收光信号；将N路接收光信号合为一路并经光电转换后得到携带目标信息的中频电信号，对中频电信号进行处理，得到探测目标信息；

其中，所述以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号具体为：设定雷达有效探测距离为L，对应时延为τ _d = 2L/c，则第二路至第N路光信号相比第一路光信号延时依次增加整数倍τ _d，对应的光纤长度依次增加整数倍ΔL = 2L/n _re，其中c为大气中的光速，n _re为光纤的折射率。

2.如权利要求1所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，所述包含N个频率分量的光信号通过光频梳产生器、多波长激光器或波长不同的多个激光器产生；且N个频率分量之间频率间隔需大于6倍的基带信号源高频分量。

3.如权利要求1所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，所述中频电信号在一个周期内包括N个中频分量，分别对应N个接收通道，中频分量的频率间隔为Δf= k2L/c，其中k为线性调频雷达发射信号的调频斜率。

4.如权利要求1所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，所述发射天线阵列及接收天线阵列的天线排布方式为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵或分布式阵列。

5.一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，其特征在于，包括：

调制光信号源，用于生成两路调制光信号；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得；

1×M射频开关，用于依次选通，控制发射天线阵列的天线单元依次工作；

发射天线阵列，所述发射天线阵列包含M个天线单元，分别与1×M射频开关的输出端口对应连接，用于依次发射1×M射频开关选通端的雷达探测信号；

接收天线阵列，包含N个天线单元，用于同时接收目标依次反射的回波信号；

光延时模块，用于将另一路调制光信号分成N路光信号，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延，输出N路延时的参考光信号；

光波分复用器，用于将N路接收光信号合为一路；

第二光电探测器，用于将光波分复用器输出的合为一路的接收光信号转换为中频电信号；

信号采集与处理单元，用于对所述中频电信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出探测目标信息。

6.如权利要求5所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，其特征在于，所述光延时模块包括：

光延时线组，用于将其中一路光信号作为参考，对其余N-1路光信号按顺序依次增加整数倍时延且每相邻两路光信号时延间隔相等。

7.如权利要求5所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，其特征在于，所述多通道光接收模块由N个光接收单元组成，每个光接收单元包括：

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。

8.如权利要求5所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，其特征在于，所述发射天线阵列及接收天线阵列的天线排布方式为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵或分布式阵列。