CN112764043B - 基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法 - Google Patents

基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112764043B
CN112764043B CN202011532787.8A CN202011532787A CN112764043B CN 112764043 B CN112764043 B CN 112764043B CN 202011532787 A CN202011532787 A CN 202011532787A CN 112764043 B CN112764043 B CN 112764043B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
optical
optical carrier
phase
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011532787.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112764043A (zh
Inventor
李王哲
张祥鹏
董婧雯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerospace Information Research Institute of CAS
Original Assignee
Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospace Information Research Institute of CAS filed Critical Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority to CN202011532787.8A priority Critical patent/CN112764043B/zh
Publication of CN112764043A publication Critical patent/CN112764043A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112764043B publication Critical patent/CN112764043B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法，包括：微波光子信号产生单元，包括参考激光器和扫频激光器，参考激光器用于产生参考连续波光载波，扫频激光器用于产生宽带连续波光载波，宽带连续波光载波和参考连续波光载波经过合束后，进行第一光电转换产生目标雷达信号；延迟差分单元，包括光延迟器和第二电功分器，延迟差分单元用于将宽带连续波光载波和参考连续波光载波在光延迟器的延迟作用下，进行第二光电转换产生第一中频信号，第二电功分器用于将第一中频信号分为三路中频信号；锁相环控制单元，用于根据三路中频信号产生三路控制信号，并将三路控制信号输入微波光子信号产生单元，形成反馈环路闭环。

Description

基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法
技术领域
本发明涉及雷达探测及成像领域，特别涉及一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法。
背景技术
在雷达探测及成像领域，进一步提升雷达的分辨率和实现多功能协同融合是重要趋势，这就要求雷达系统具有大带宽、大时宽和可软件定义的能力。但是传统电子雷达系统在频率、带宽以及重构性上受限。微波光子技术具有大带宽、抗电磁干扰能力强、传输损耗低、易于软件定义等诸多优势，因此，利用微波光子技术产生宽带可重构雷达信号成为如今的研究热点之一。
现有的微波光子产生宽带可重构雷达信号的方法大致可以分成外调制倍频法、光子数模转换法、波长-时间映射法和傅里叶锁模光电振荡器法。虽然上述这几种方法都可以在一定程度上实现雷达信号带宽、中心频率或者脉冲宽度的重构，但是它们都有各自的局限性。外调制倍频法由于依赖外部信号源，波段相对固定，产生的信号的带宽和重构性受限；波长-时间映射方法受限于色散元件的色散系数，产生的信号的脉宽只有几十纳秒，难以满足雷达探测宽幅区域的需要；光子数模转换方法需要多个激光器，目前只能在芯片上实现；基于傅里叶频域锁模光电振荡器的方法由于产生信号的周期要与链路中环路时间延迟相匹配，其脉冲宽度重构性受限。
由此可知，利用现有的微波光子产生宽带可重构雷达信号产生方法存在带宽、时宽或软件定义能力受限等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为克服现有微波光子技术产生宽带可重构雷达信号方法的上述不足，本发明公开了一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法。
(二)技术方案
本发明一方面公开一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置，包括：
微波光子信号产生单元，包括参考激光器和扫频激光器，所述参考激光器用于产生参考连续波光载波O1，所述扫频激光器用于产生宽带连续波光载波O2，所述宽带连续波光载波O1和参考连续波光载波O2经过合束后，进行第一光电转换产生目标雷达信号E；
延迟差分单元，包括光延迟器和第二电功分器，所述延迟差分单元用于将宽带连续波光载波O1和参考连续波光载波O2在光延迟器的延迟作用下，进行第二光电转换产生第一中频信号IF，所述第二电功分器用于将第一中频信号IF分为三路中频信号IFn；
锁相环控制单元，用于根据所述三路中频信号IFn产生三路控制信号Cn，并将所述三路控制信号Cn输入所述微波光子信号产生单元，形成反馈环路闭环。
通过本公开的实施例，其中，所述微波光子信号产生单元还包括：
第一光调制器，连接所述扫频激光器的输出端，用于对所述宽带连续波光载波O2进行移频，产生第一调制宽带光载波Om1；
相位调制器，连接所述第一光调制器的输出端，用于对所述第一调制宽带光载波Om1进行相位调制，产生第二调制宽带光载波Op。
通过本公开的实施例，其中，所述微波光子信号产生单元还包括：
第一光耦合器，连接所述参考激光器的输出端，用于将所述参考连续波光载波O1分束，产生第一中间参考光载波OC11和第二中间参考光载波OC12；
第二光耦合器，连接所述相位调制器的输出端，用于将所述第二调制宽带光载波Op分束，产生第一中间宽带光载波OC21和第二中间宽带光载波OC22；
第四光耦合器，用于将所述第二中间参考光载波OC12与所述第二中间宽带光载波OC22合束并分束，产生第三中间光载波OC41和第四中间光载波OC42；
第一光电探测器，连接所述第四光耦合器的第一输出端，用于将所述第四中间光载波OC42进行第一光电转换，产生目标雷达信号E。
通过本公开的实施例，其中，所述相位调制器的输入端还连接所述锁相环控制单元的输出端，所述微波光子信号产生单元还包括：
函数发生器，用于产生预失真驱动电流C0；
电耦合器，其输入端连接所述函数发生器和所述锁相环控制单元，其输出端连接所述扫频激光器，用于将所述预失真驱动电流C0和所述三路控制信号Cn合束，向所述扫频激光器提供扫频驱动信号D；
压控振荡器，其输入端和输出端分别连接所述锁相环控制单元和所述第一光调制器，用于向所述第一光调制器提供第一调制驱动信号D1。
通过本公开的实施例，其中，所述延迟差分单元还包括：
第二光调制器，用于将所述第一中间参考光载波OC11进行移频，得到第一调制参考光载波Om2；
第四信号源，连接所述第二光调制器的输入端，用于为所述第二光调制器提供第二调制驱动信号D2；
第三光耦合器，用于将所述第一调制参考光载波Om2与所述第一中间宽带光载波OC21合束，产生第三光信号OC3并输入至所述光延迟器；
所述光延迟器将所述第三光信号OC3进行延迟得到第三延迟光信号OC3d；
第三光调制器，连接所述第四光耦合器的第二输出端，用于将第三中间光载波OC41进行移频，得到第三调制中间光载波Om3；
第五信号源，连接所述第三光调制器的输入端，用于为所述第三光调制器提供第三调制驱动信号D3；
第五光耦合器，用于将所述第三延迟光信号OC3d与所述第三调制中间光载波Om3合束，得到第五光信号OC5；
第二光电探测器，用于将所述第五光信号OC5进行第二光电转换，得到第一电信号E1；
第一电功分器，用于将所述第一电信号E1分为第一本振信号E11和第一射频信号E12；
第一带通滤波器和第二带通滤波器，用于分别对所述第一本振信号E11和第一射频信号E12进行滤波，分别得到第二本振信号Ef1和第二射频信号Ef2；
第一电放大器和第二电放大器，用于分别对所述第二本振信号Ef1和第二射频信号Ef2进行功率放大，分别得到第一放大信号Ea1和第二放大信号Ea2；
电混频器，将所述第一放大信号Ea1和第二放大信号Ea2进行混频，得到混频信号Emix；
第三带通滤波器，将所述混频信号Emix进行滤波，得到所述第一中频信号IF。
通过本公开的实施例，其中，所述锁相环控制单元包括三个锁相环控制子单元，每个所述锁相环控制子单元包括：信号源、数字鉴相器、低通滤波器和增益控制器，其中，
所述信号源，用于为所述数字鉴相器提供三路参考信号Rn；
所述数字鉴相器，其输入端连接所述信号源，用于鉴别出所述三路参考信号Rn和所述三路中频信号IFn的三路相位误差Pn；
所述低通滤波器，连接所述数字鉴相器的输出端，用于滤除所述三路相位误差Pn中的高频信号；
所述增益控制器，连接所述低通滤波器的输出端，用于将经过滤波后的三路相位误差Pn进行增益控制，得到三路控制信号Cn。
通过本公开的实施例，其中，所述第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器均为声光调制器，所述光延迟器具体为光纤延迟器。
通过本公开的实施例，其中，所述三路参考信号Rn和所述三路中频信号IFn的频率相同。
本发明另一方面公开一种基于该雷达信号产生装置的雷达信号产生方法，包括以下步骤：
参考激光器产生的参考连续波光载波O1经由第一光耦合器的分束得到第一中间参考光载波OC11和第二中间参考光载波OC12；
扫频激光器产生宽带连续波光载波O2，依次经过第一光调制器、相位调制器的两次调制后，经由第二光耦合器分束得到第一中间宽带光载波OC21和第二中间宽带光载波OC22；
第一中间宽带光载波OC21和第二中间宽带光载波OC22经过第四光耦合器的合束后再次分束，得到第三中间光载波OC41和第四中间光载波OC42；
第四中间光载波OC42经过第一光电探测器进行第一光电转换，输出目标雷达信号E。
通过本公开的实施例，其中，所述第四中间光载波OC42经过第一光电探测器进行光电转换之前，还包括以下步骤：
对第一中间参考光载波OC11、第一中间宽带光载波OC21和第三中间光载波OC41进行延迟或移频，并通过第二光电转换产生第一中频信号IF后，经第二电功分器分为三路中频信号IFn；
根据三路中频信号IFn产生三路控制信号Cn，并将其输入至微波光子信号产生单元，从而对所述目标雷达信号E进行相位和频率的反馈控制。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)通过扫频激光器和参考激光器直接光电转换产生雷达信号，可通过改变扫频激光器的驱动电流直接控制雷达信号的带宽、周期及信号格式，提升了雷达信号的重构性，同时发挥扫频激光器大调谐带宽的优势，有助于实现高分辨探测和成像。
(2)利用三个不同环路带宽的锁相环控制单元，提升了环路带宽，为产生信号的相参性、线性度以及装置的工作稳定性提供了保证。
(3)装置链路结构简单、易于操作，降低了硬件复杂程度，同时易于小型化和集成。
附图说明
图1是本发明第一实施例的基于扫频激光器的雷达信号产生装置的结构示意图。
图2是本发明第二实施例的基于扫频激光器的雷达信号产生装置的信号转换示意图。
图3是本发明第二实施例的基于扫频激光器的雷达信号产生装置的结构示意图。
【附图标记说明】
O1-参考连续波光载波；O2-宽带连续波光载波；E-目标雷达信号；
OC11-第一中间参考光载波；OC12-第二中间参考光载波；
OC21-第一中间宽带光载波；OC22-第二中间宽带光载波；
OC41-第三中间光载波；OC42-第四中间光载波；
IF-第一中频信号；IFn-三路中频信号(n＝1，2，3)；
Cn-三路控制信号(n＝1，2，3)；C0-预失真驱动电流；
D-扫频驱动信号；D1-第一调制驱动信号；
D2-第二调制驱动信号；D3-第三调制驱动信号；
Om1-第一调制宽带光载波；Op-第二调制宽带光载波；
Om2-第一调制参考光载波；Om3-第三调制中间光载波；
OC3-第三光信号；OC3d-第三延迟光信号；OC5-第五光信号；
E1-第一电信号；E11-第一本振信号；E12-第一射频信号；
Ef1-第二本振信号；Ef2-第二射频信号；
Ea1-第一放大信号；Ea2-第二放大信号；
Emix-混频信号；
Rn-三路参考信号(n＝1，2，3)；Pn-三路相位误差(n＝1，2，3)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明面向高分辨、多功能协同雷达的需求，提出了一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法。
图1是本发明第一实施例的基于扫频激光器的雷达信号产生装置的结构示意图。
本发明一方面提供一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置，如图1所示，在第一实施例中，该装置包括：
微波光子信号产生单元，包括参考激光器和扫频激光器，参考激光器用于产生参考连续波光载波O1，扫频激光器用于产生宽带连续波光载波O2，宽带连续波光载波O1和参考连续波光载波O2经过合束后，进行第一光电转换产生目标雷达信号E；
延迟差分单元，包括光延迟器和第二电功分器，延迟差分单元用于将宽带连续波光载波O1和参考连续波光载波O2在光延迟器的延迟作用下，进行第二光电转换产生第一中频信号IF，第二电功分器用于将第一中频信号IF分为三路中频信号IFn；
锁相环控制单元，用于根据三路中频信号IFn产生三路控制信号Cn，并将三路控制信号Cn输入微波光子信号产生单元，形成反馈环路闭环。
具体地，如图1所示，微波光子信号产生单元还包括第一光调制器和相位调制器。
其中，第一光调制器连接扫频激光器的输出端，用于对宽带连续波光载波O2进行移频，产生第一调制宽带光载波Om1。
相位调制器连接第一光调制器的输出端，用于对第一调制宽带光载波Om1进行相位调制，产生第二调制宽带光载波Op。
继续参阅图1，微波光子信号产生单元还包括第一光耦合器、第二光耦合器、第四光耦合器和第一光电探测器。
其中，第二光耦合器连接相位调制器的输出端，用于将第二调制宽带光载波Op分束，产生第一中间宽带光载波OC21和第二中间宽带光载波OC22。也就是说，OC21和OC22中均含有Op的光信号信息。
第一光耦合器连接参考激光器的输出端，用于将参考连续波光载波O1分束，产生第一中间参考光载波OC11和第二中间参考光载波OC12。也就是说，OC11和OC12中均含有O1的光信号信息。
进一步地，第二中间参考光载波OC12和第二中间宽带光载波OC22通过第四光耦合器的合束然后分束，产生第三中间光载波OC41和第四中间光载波OC42。
第一光电探测器连接第四光耦合器的第一输出端，用于将第四中间光载波OC42进行第一光电转换，产生目标雷达信号E。
本发明第一实施例中，如图1所示，微波光子信号产生单元还包括函数发生器、电耦合器和压控振荡器。
其中，函数发生器，用于产生预失真驱动电流C0；
电耦合器，其输入端连接函数发生器和锁相环控制单元，其输出端连接扫频激光器，用于将预失真驱动电流C0和三路控制信号Cn合束，向扫频激光器提供扫频驱动信号D；
压控振荡器，其输入端和输出端分别连接锁相环控制单元和第一光调制器，用于向第一光调制器提供第一调制驱动信号D1。
并且，相位调制器的输入端还连接锁相环控制单元的输出端。
至此，目标雷达信号E已由微波光子信号产生单元在上述连接方式下基本得出。
本发明第一实施例中，如图1所示，延迟差分单元还包括：第二光调制器、第四信号源、第三光耦合器、第三光调制器、第五信号源、第五光耦合器、第二光电探测器、第一电功分器、第一带通滤波器和第二带通滤波器、第一电放大器和第二电放大器、电混频器和第三带通滤波器。
其中，第二光调制器，用于将第一中间参考光载波OC11进行移频，得到第一调制参考光载波Om2；
第四信号源，连接第二光调制器的输入端，用于为第二光调制器提供第二调制驱动信号D2；
第三光耦合器，用于将第一调制参考光载波Om2与第一中间宽带光载波OC21合束，产生第三光信号OC3并输入至光延迟器。光延迟器将第三光信号OC3进行延迟得到第三延迟光信号OC3d；
第三光调制器，连接第四光耦合器的第二输出端，用于将第三中间光载波OC41进行移频，得到第三调制中间光载波Om3；
第五信号源，连接第三光调制器的输入端，用于为第三光调制器提供第三调制驱动信号D3；
第五光耦合器，用于将第三延迟光信号OC3d与第三调制中间光载波Om3合束，得到第五光信号OC5；
第二光电探测器，用于将第五光信号OC5进行第二光电转换，得到第一电信号E1；
第一电功分器，用于将第一电信号E1分为第一本振信号E11和第一射频信号E12；
第一带通滤波器和第二带通滤波器，用于分别对第一本振信号E11和第一射频信号E12进行滤波，分别得到第二本振信号Ef1和第二射频信号Ef2；
第一电放大器和第二电放大器，用于分别对第二本振信号Ef1和第二射频信号Ef2进行功率放大，分别得到第一放大信号Ea1和第二放大信号Ea2；
电混频器，将第一放大信号Ea1和第二放大信号Ea2进行混频，得到混频信号Emix；
第三带通滤波器，将混频信号Emix进行滤波，得到第一中频信号IF。
第二电功分器用于将第一中频信号IF分为三路中频信号IFn。
至此，延迟差分单元已经全部介绍完毕。
本发明第一实施例中，如图1所示，锁相环控制单元包括三个锁相环控制子单元，每个锁相环控制子单元包括：信号源、数字鉴相器、低通滤波器和增益控制器。
其中，信号源，用于为数字鉴相器提供三路参考信号Rn；
数字鉴相器，其输入端连接信号源，用于鉴别出三路参考信号Rn和三路中频信号IFn的三路相位误差Pn；
低通滤波器，连接数字鉴相器的输出端，用于滤除三路相位误差Pn中的高频信号；
增益控制器，连接低通滤波器的输出端，用于将经过滤波后的三路相位误差Pn进行增益控制，得到三路控制信号Cn。
需要说明的是，低通滤波器，不仅用于滤除Pn中的高频信号，同时还保证锁相环控制单元具有足够的相位裕度，具体细节可由后续的信号推导公式得出。
为了便于区分，本实施例中，将第一个锁相环控制子单元中的信号源、数字鉴相器、低通滤波器和增益控制器分别命名为第一信号源、第一数字鉴相器、第一低通滤波器和第一增益控制器。
可以理解的是，在第二个锁相环控制子单元中，该信号源、数字鉴相器、低通滤波器和增益控制器分别命名为第二信号源、第二数字鉴相器、第二低通滤波器和第二增益控制器。在第三个锁相环控制子单元中，该信号源、数字鉴相器、低通滤波器和增益控制器分别命名为第三信号源、第三数字鉴相器、第三低通滤波器和第三增益控制器。
以下仅说明第一个锁相环控制子单元的构成，至于第二个锁相环控制子单元以及第三个锁相环控制子单元的构成，与第一个锁相环控制子单元的构成情况完全相同，仅仅是为了便于区分，为简要起见，在此不再赘述。
也就是说，第一个锁相环控制子单元包括：第一信号源、第一数字鉴相器、第一低通滤波器和第一增益控制器。
其中，第一信号源，用于为第一数字鉴相器提供三路参考信号Rn；
第一数字鉴相器，其输入端连接第一信号源，用于鉴别出三路参考信号Rn和三路中频信号IFn的三路相位误差Pn；
第一低通滤波器，连接第一数字鉴相器的输出端，用于滤除三路相位误差Pn中的高频信号；
第一增益控制器，连接第一低通滤波器的输出端，用于将经过滤波后的三路相位误差Pn进行增益控制，得到三路控制信号Cn。
如图1所示，由于锁相环控制单元包括三个锁相环控制子单元，其中，第一个锁相环控制子单元的输出，也即三路控制信号Cn(n＝1)，用于输入至微波光子信号产生单元中的电耦合器之中。第二个锁相环控制子单元的输出，也即三路控制信号Cn(n＝2)，用于输入至微波光子信号产生单元中的压控振荡器之中。第三个锁相环控制子单元的输出，也即三路控制信号Cn(n＝3)，用于输入至微波光子信号产生单元中的相位调制器之中。
可以看出，锁相环控制单元根据三路中频信号IFn产生控制信号Cn，输入至微波光子信号产生单元，实现对微波光子信号产生单元中所产生目标雷达信号E的相位和频率的反馈控制，形成反馈环路闭环。
还需要说明的是，上述所有信号源(包括第一信号源、第二信号源、第三信号源、第四信号源和第五信号源)的信号与函数发生器保持同步。
优选地，第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器均为声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)。AOM具有很高的消光比，可以大幅度抑制光载波，从而降低产生信号的杂散功率，提升带内杂散抑制比。
在一些实施例中，第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器均为双偏振正交相移键控光电调制器。这种情况下，调整偏置点使之工作于载波抑制的单边带调制模式下，但是该雷达信号产生装置存在载波和边带的抑制不完全的情况，对应产生的信号E的带内杂散抑制比会恶化严重，并且操作复杂。
优选地，光延迟器具体为光纤延迟器。可以理解的是，由于光纤的损耗很低，易于实现长的延迟差，该方案可以提升装置的鉴相灵敏度，提升锁相性能。
在一些实施例中，光延迟器可以通过电缆构建电延迟器代替。这种情况下，由于电混频器的带宽有限并且都固定，该雷达信号产生装置会导致信号E的带宽大小及重构性受限。
至此，本发明实施例的基于扫频激光器的雷达信号产生装置的结构以说明完毕，以下对本发明第二实施例的具体信号表达式的推导过程作进一步详细说明。
本发明第二实施例中，为简要起见，与第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。
本发明第二实施例中，第一实施例中的第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器均为声光调制器。电就是说，第一实施例中的第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器分别修改为本实施例的第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器。
本发明第二实施例中，光延迟器具体为光纤延迟器。也就是说，第一实施例中的光延迟器修改为本实施例的光纤延迟器。
可以理解的是，本发明第二实施例作为本发明第一实施例的一个优选具体实施例，保证了目标雷达信号E的调频线性度和相参性。
图2是本发明第二实施例的基于扫频激光器的雷达信号产生装置的信号转换示意图。
图3是本发明第二实施例的基于扫频激光器的雷达信号产生装置的结构示意图。
结合图2和图3，本发明第二实施例中，基于扫频激光器的雷达信号产生装置包括：1个扫频激光器、1个参考激光器、3个声光调制器、1个相位调制器、1个光延迟器、2个光电探测器、3个带通滤波器、2个电功分器、5个光耦合器、2个电放大器、1个电混频器、3个数字鉴相器、3个低通滤波器、3个增益控制器、5个信号源、1个函数发生器、1个压控振荡器，1个电耦合器。
需要说明的是，由于幅值对最终的计算结果影响很小，以下推导过程中均忽略振幅因素。
在微波光子信号产生单元中，通过函数发生器产生预失真驱动电流C0，使扫频激光器输出初始频率为fs，调频率为k的宽带连续波光载波O2，经第一声光调制器的移频和相位调制器的调制后，经过第二光耦合器分成两路，即第一中间宽带光载波OC21和第二中间宽带光载波OC22。
参考激光器产生频率为fm的参考连续波光载波O1，经第一光耦合器分成两路，即第一中间参考光载波OC11和第二中间参考光载波OC12。
其中，第二中间参考光载波OC12和第二中间宽带光载波OC22经第四光耦合器合束后分束，产生第三中间光载波OC41和第四中间光载波OC42，OC42的数学表达式为：
其中，OC42(t)表示第四中间光载波OC42的信号表达式；OC12(t)表示第二中间参考光载波OC12的信号表达式；OC22(t)表示第二中间宽带光载波OC22的信号表达式；fm和分别表示参考连续波光载波O1的频率和相位变化；fs和k分别表示宽带连续波光载波O2的初始频率和调频率；/>表示宽带连续波光载波O2的初始相位变化；f1和/>分别表示压控振荡器输出信号的频率和相位；/>表示在相位调制器中对宽带连续波光载波O2产生的相位变化。
第四中间光载波OC42进入第一光电探测器，忽略直流项，第一光电探测器输出的目标雷达信号E的数学表达式E(t)为：
由上式可以看出，输出的目标雷达信号E为初始频率为fs-fm+f1，调频率为k的线性调频信号，其整体的相位变化为
进一步地，第一中间参考光载波OC11、第一中间宽带光载波OC21以及第三中间光载波OC41经过光链路后输入第二光电探测器的第五光信号OC5的数学表达式为：
OC5(t)＝OC11(t-τ)·exp(j2πf2t)+OC12(t)·exp(j2πf3t)+OC21(t-τ)+O22(t)·exp(j2πf3t)
其中，OC5(t)表示第二光电探测器的输入光信号表达式；τ表示光延迟器的延迟时间；f2和f3分别表示第二声光调制器和第三声光调制器的驱动信号的频率。
第二光电探测器的输出光信号，也即第一电信号E1的数学表达式E1(t)为：
其中，D.C.和H.F.分别代表光电转换后输出的直流成分和高频成分，可通过带通滤波器滤除。
第一电信号E1经过第一电功分器产生第一本振信号E11和第一射频信号E12，第一本振信号E11和第一射频信号E12分别经过第一带通滤波器和第二带通滤波器的滤波后，得到第二本振信号Ef1和第二射频信号Ef2。第二本振信号Ef1和第二射频信号Ef2各自经过放大后输入电混频器进行混频，得到混频信号Emix。混频信号Emix经过第三带通滤波器的滤波后得到第一中频信号IF。第一中频信号IF的数学表达式IF(t)为：
第一中频信号IF经过第二电功分器分为三路中频信号IFn(n＝1，2，3)。三路中频信号IFn(n＝1，2，3)分别进入锁相环控制单元中的各个锁相环控制子单元中。需要说明的是，在各个锁相环控制子单元中，第一信号源提供的三路参考信号Rn(n＝1，2，3)，与延迟差分单元最终产生的三路中频信号IFn(n＝1，2，3)的频率相同。
在各个锁相环控制子单元中，数字鉴相器输出的三路相位误差Pn为
其中，P(t)表示三路相位误差Pn的信号表达式；表示误差信号三路相位误差Pn的常数相位，通过设置三路参考信号Rn的初始相位使/>(m＝0，±1，±2…)。
当光延迟器的延迟时间τ很小时，上述三路相位误差Pn的信号表达式可近似为：
由上式可以看出，各个锁相环控制子单元的三路相位误差Pn信号正比于所产生的目标雷达信号的相位变化
通过不同的反馈机制，可以有效减小误差信号，进而提升输出目标雷达信号的线性度和相参性。
本发明另一方面提供一种基于该雷达信号产生装置的雷达信号产生方法，包括以下步骤：
参考激光器产生的参考连续波光载波O1经由第一光耦合器的分束得到第一中间参考光载波OC11和第二中间参考光载波OC12；
扫频激光器产生宽带连续波光载波O2，依次经过第一光调制器、相位调制器的两次调制后，经由第二光耦合器分束得到第一中间宽带光载波OC21和第二中间宽带光载波OC22；
第一中间宽带光载波OC21和第二中间宽带光载波OC22经过第四光耦合器的合束后再次分束，得到第三中间光载波OC41和第四中间光载波OC42；
第四中间光载波OC42经过第一光电探测器进行第一光电转换，输出目标雷达信号E。
进一步地，第四中间光载波OC42经过第一光电探测器进行光电转换之前，还包括以下步骤：
对第一中间参考光载波OC11、第一中间宽带光载波OC21和第三中间光载波OC41进行延迟或移频，并通过第二光电转换产生第一中频信号IF后，经第二电功分器分为三路中频信号IFn；
根据三路中频信号IFn产生三路控制信号Cn，并将其输入至微波光子信号产生单元，从而对目标雷达信号E进行相位和频率的反馈控制。
需要说明的是，方法部分的实施例方式与装置部分的实施例方式对应类似，并且所达到的技术效果也对应类似。
具体来说，在微波光子信号产生单元中，参考激光器输出的信号O1，经第一光耦合器分束成两路OC11和OC12；函数发生器产生预失真电流信号C0，与第一锁相环控制单元产生的控制信号C1经电耦合器合束后产生驱动信号D，控制扫频激光器输出信号的频率，得到信号O2；第二锁相环控制单元产生的控制信号C2调节压控振荡器的输出信号D1的频率，O2经第一光调制器被信号D1移频，得到光信号Om1，输入至相位调制器，第三锁相环控制单元产生的控制信号C3通过相位调制器对Oml进行相位调制，得到光信号Op，光信号Op经第二光耦合器被分成两路OC21和OC22。OC12和OC22经第四光耦合器合束后再分束成两路OC41和OC42，OC42经第一光电探测器完成第一光电转换，得到目标雷达信号E。
在延迟差分单元中，OC11经第二光调制器被第四信号源产生的驱动信号D2移频，得到光信号Om2，Om2和OC21经第三光耦合器合束得到光信号OC3，然后输入光纤延迟器得到光信号O3d；OC41经第三光调制器被第五信号源产生的驱动信号D3移频得到光信号Om3，Om3和O3d经第五光耦合器合束，经第二光电探测器进行第二光电转换后得到信号E1，被第一电功分器分成两路E11和E22，E11经由第一带通滤波器滤出高频和直流成分后得到信号Eft，E12经由第二带通滤波器滤出高频和直流成分后得到信号Ef2，Ef1经第一电放大器进行功率放大后得到信号Ea1，Ef2经第二电放大器进行功率放大后得到信号Ea2，Ea1与Ea2经电混频器混频后得到中频信号IF，中频信号IF由第二电功分器分成三路IFn(n＝1，2，3)，分别输入至锁相环控制单元中的各个子单元。
在锁相环控制单元中，输入信号IFn与信号源产生的参考信号Rn经数字鉴相器鉴相，得到误差相位信号Pn，经低通滤波器滤除高频后输入增益控制器进行幅值调整后得到信号Cn。
经过上述过程，形成三个闭合环路，此外，信号源n(n＝1，2，3，4，5)以及函数发生器之间保持同步。通过联合控制得到目标雷达信号E，并保证目标雷达信号的调频线性度和相参性。其中，低频范围主要由反馈信号C1与预失真驱动电流C0控制，中频范围主要决定于反馈信号C2控制压控振荡器产生的驱动信号D1，高频范围由反馈信号C3驱动相位调制器进行控制。
综上所述，本发明实施例提供一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法，利用扫频激光器的光载波与参考激光器的光载波直接进行光电转换产生宽带雷达信号，通过预失真补偿技术及光锁相环技术保证信号的线性度及相参性。由于扫频光源一般都具有几十甚至上百吉赫兹的调谐带宽，同时信号的参数可以通过一个低频驱动源灵活改变，产生的信号具有大带宽和灵活的重构性能。本发明还具有结构简单，操作方便的优势，可满足多种应用需求。
需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
在本公开中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。
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。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于扫频激光器的雷达信号产生装置，其特征在于，包括：
微波光子信号产生单元，包括参考激光器和扫频激光器，所述参考激光器用于产生参考连续波光载波(O1)，所述扫频激光器用于产生宽带连续波光载波(O2)，所述宽带连续波光载波(O2)和参考连续波光载波(O1)经过合束后，进行第一光电转换产生目标雷达信号(E)；
延迟差分单元，包括光延迟器和第二电功分器，所述延迟差分单元用于将宽带连续波光载波(O2)和参考连续波光载波(O1)在光延迟器的延迟作用下，进行第二光电转换产生第一中频信号(IF)，所述第二电功分器用于将第一中频信号(IF)分为三路中频信号(IFn)；
锁相环控制单元，用于根据所述三路中频信号(IFn)产生三路控制信号(Cn)，并将所述三路控制信号(Cn)输入所述微波光子信号产生单元，形成反馈环路闭环；
所述微波光子信号产生单元还包括：
第一光调制器，连接所述扫频激光器的输出端，用于对所述宽带连续波光载波(O2)进行移频，产生第一调制宽带光载波(Om1)；
相位调制器，连接所述第一光调制器的输出端，用于对所述第一调制宽带光载波(Om1)进行相位调制，产生第二调制宽带光载波(Op)；
所述微波光子信号产生单元还包括：
第一光耦合器，连接所述参考激光器的输出端，用于将所述参考连续波光载波(O1)分束，产生第一中间参考光载波(OC11)和第二中间参考光载波(OC12)；
第二光耦合器，连接所述相位调制器的输出端，用于将所述第二调制宽带光载波(Op)分束，产生第一中间宽带光载波(OC21)和第二中间宽带光载波(OC22)；
第四光耦合器，用于将所述第二中间参考光载波(OCl2)与所述第二中间宽带光载波(OC22)合束并分束，产生第三中间光载波(OC41)和第四中间光载波(OC42)；
第一光电探测器，连接所述第四光耦合器的第一输出端，用于将所述第四中间光载波(OC42)进行第一光电转换，产生目标雷达信号(E)；
所述延迟差分单元还包括：
第二光调制器，用于将所述第一中间参考光载波(OC11)进行移频，得到第一调制参考光载波(Om2)；
第四信号源，连接所述第二光调制器的输入端，用于为所述第二光调制器提供第二调制驱动信号(D2)；
第三光耦合器，用于将所述第一调制参考光载波(Om2)与所述第一中间宽带光载波(OC21)合束，产生第三光信号(OC3)并输入至所述光延迟器；
所述光延迟器将所述第三光信号(OC3)进行延迟得到第三延迟光信号(OC3d)；
第三光调制器，连接所述第四光耦合器的第二输出端，用于将第三中间光载波(OC41)进行移频，得到第三调制中间光载波(Om3)；
第五信号源，连接所述第三光调制器的输入端，用于为所述第三光调制器提供第三调制驱动信号(D3)；
第五光耦合器，用于将所述第三延迟光信号(OC3d)与所述第三调制中间光载波(Om3)合束，得到第五光信号(OC5)；
第二光电探测器，用于将所述第五光信号(OC5)进行第二光电转换，得到第一电信号(E1)；
第一电功分器，用于将所述第一电信号(E1)分为第一本振信号(E11)和第一射频信号(E12)；
第一带通滤波器和第二带通滤波器，用于分别对所述第一本振信号(E11)和第一射频信号(E12)进行滤波，分别得到第二本振信号(Efl)和第二射频信号(Ef2)；
第一电放大器和第二电放大器，用于分别对所述第二本振信号(Efl)和第二射频信号(Ef2)进行功率放大，分别得到第一放大信号(Eal)和第二放大信号(Ea2)；
电混频器，将所述第一放大信号(Ea1)和第二放大信号(Ea2)进行混频，得到混频信号(Emix)；
第三带通滤波器，将所述混频信号(Emix)进行滤波，得到所述第一中频信号(IF)。
2.根据权利要求1所述的雷达信号产生装置，其特征在于，所述相位调制器的输入端还连接所述锁相环控制单元的输出端，所述微波光子信号产生单元还包括：
函数发生器，用于产生预失真驱动电流(C0)；
电耦合器，其输入端连接所述函数发生器和所述锁相环控制单元，其输出端连接所述扫频激光器，用于将所述预失真驱动电流(C0)和所述三路控制信号(Cn)合束，向所述扫频激光器提供扫频驱动信号(D)；
压控振荡器，其输入端和输出端分别连接所述锁相环控制单元和所述第一光调制器，用于向所述第一光调制器提供第一调制驱动信号(D1)。
3.根据权利要求1所述的雷达信号产生装置，其特征在于，所述锁相环控制单元包括三个锁相环控制子单元，每个所述锁相环控制子单元包括：信号源、数字鉴相器、低通滤波器和增益控制器，其中，
所述信号源，用于为所述数字鉴相器提供三路参考信号(Rn)；
所述数字鉴相器，其输入端连接所述信号源，用于鉴别出所述三路参考信号(Rn)和所述三路中频信号(IFn)的三路相位误差(Pn)；
所述低通滤波器，连接所述数字鉴相器的输出端，用于滤除所述三路相位误差(Pn)中的高频信号；
所述增益控制器，连接所述低通滤波器的输出端，用于将经过滤波后的三路相位误差(Pn)进行增益控制，得到三路控制信号(Cn)。
4.根据权利要求1所述的雷达信号产生装置，其特征在于，所述第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器均为声光调制器，所述光延迟器具体为光纤延迟器。
5.根据权利要求3所述的雷达信号产生装置，其特征在于，所述三路参考信号(Rn)和所述三路中频信号(IFn)的频率相同。
6.一种应用于权利要求1所述雷达信号产生装置的雷达信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
参考激光器产生的参考连续波光载波(O1)经由第一光耦合器的分束得到第一中间参考光载波(OC1 1)和第二中间参考光载波(OC12)；
扫频激光器产生宽带连续波光载波(O2)，依次经过第一光调制器、相位调制器的两次调制后，经由第二光耦合器分束得到第一中间宽带光载波(OC21)和第二中间宽带光载波(OC22)；
第一中间宽带光载波(OC21)和第二中间宽带光载波(OC22)经过第四光耦合器的合束后再次分束，得到第三中间光载波(OC41)和第四中间光载波(OC42)；
第四中间光载波(OC42)经过第一光电探测器进行第一光电转换，输出目标雷达信号(E)。
7.根据权利要求6所述的雷达信号产生方法，其特征在于，所述第四中间光载波(OC42)经过第一光电探测器进行光电转换之前，还包括以下步骤：
对第一中间参考光载波(OC11)、第一中间宽带光载波(OC21)和第三中间光载波(OC41)进行延迟或移频，并通过第二光电转换产生第一中频信号(IF)后，经第二电功分器分为三路中频信号(IFn)；
根据三路中频信号(IFn)产生三路控制信号(Cn)，并将其输入至微波光子信号产生单元，从而对所述目标雷达信号(E)进行相位和频率的反馈控制。
CN202011532787.8A 2020-12-22 2020-12-22 基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法 Active CN112764043B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011532787.8A CN112764043B (zh) 2020-12-22 2020-12-22 基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011532787.8A CN112764043B (zh) 2020-12-22 2020-12-22 基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112764043A CN112764043A (zh) 2021-05-07
CN112764043B true CN112764043B (zh) 2023-08-15

Family

ID=75695213

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011532787.8A Active CN112764043B (zh) 2020-12-22 2020-12-22 基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112764043B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114389145B (zh) * 2021-11-26 2024-01-30 清华大学 基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源
CN117111045B (zh) * 2023-10-25 2023-12-29 成都量芯集成科技有限公司 一种相位式激光测量用信号发生器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN206629051U (zh) * 2017-03-10 2017-11-10 南京特艺科技有限公司 一种频率综合器
CN108919244A (zh) * 2018-05-18 2018-11-30 南京航空航天大学 微波光子全波段雷达探测方法及微波光子全波段雷达
KR20200030179A (ko) * 2018-09-12 2020-03-20 한국과학기술원 저잡음 레이더 신호원을 제공하는 방법 및 장치
CN111190160A (zh) * 2020-01-08 2020-05-22 南京航空航天大学 微波光子多波段雷达探测方法及微波光子多波段雷达

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN206629051U (zh) * 2017-03-10 2017-11-10 南京特艺科技有限公司 一种频率综合器
CN108919244A (zh) * 2018-05-18 2018-11-30 南京航空航天大学 微波光子全波段雷达探测方法及微波光子全波段雷达
KR20200030179A (ko) * 2018-09-12 2020-03-20 한국과학기술원 저잡음 레이더 신호원을 제공하는 방법 및 장치
CN111190160A (zh) * 2020-01-08 2020-05-22 南京航空航天大学 微波光子多波段雷达探测方法及微波光子多波段雷达

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Reconfigurable multi-band microwave photonic radar transmitter with a wide operating frequency range;Xiangpeng Zhang等;《Optics Express》;第27卷(第24期);34519-34527 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112764043A (zh) 2021-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10784967B2 (en) Photonic radio-frequency receiver with mirror frequency suppression function
CN108667517B (zh) 一种基于本振倍频的微波光子混频方法及系统
CN109150314B (zh) 变频移相一体化光子微波混频装置
CN108768539B (zh) 光子型微波二分频方法及光子型微波二分频器
CN108650013B (zh) 一种基于光频移的宽带多路信道化的系统及方法
CN112764043B (zh) 基于扫频激光器的雷达信号产生装置及方法
CN111082873B (zh) 一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统和方法
US20230136882A1 (en) Coherent microwave photonics radar detection method and system based on injection locking frequency multiplication
US4783852A (en) Method and apparatus for acquiring information using a relative phase deviation of the optical signal of a local oscillator of a homodyne receiver
EP2827515B1 (en) Integrated photonic frequency converter and mixer
CN104333422A (zh) 一种微波光子混频方法及多功能微波光子混频器
JP2014514890A (ja) 振幅変調信号用光受信器
WO2011107055A2 (zh) 基于微波光子技术的信号接收装置和信号接收方法
CN110912614B (zh) 一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器
CN110943777B (zh) 基于变频技术的频率测量设备
CN110149151B (zh) 一种微波信号的二次变频光正交解调方法及系统
CN113078548A (zh) 一种基于延迟差分前馈的激光器稳频装置及其方法
JP2000124838A (ja) 制御システム
US7269354B1 (en) Superheterodyne photonic receiver using non-serial frequency translation
JP6839226B2 (ja) 位相特性校正装置および位相特性校正方法
CN115801129A (zh) 一种基于高重频相干光频梳的信道化系统
CN112924968B (zh) 基于光子去调频接收技术的脉冲体制sar系统
CN113783627B (zh) 一种信号生成方法、装置及系统
CN114584222A (zh) 一种功能复用的微波光子下变频方法
CN115001589A (zh) 一种基于对消结构光电振荡环路的分频器及分频方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant