CN112924968B - 基于光子去调频接收技术的脉冲体制sar系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，包括：数字系统，发出中频发射信号和中频间接参考信号；光子倍频模块，与所述数字系统相连，用于将所述中频发射信号倍频为发射信号后，由收发端发射；同时用于将所述中频间接参考信号倍频为间接参考信号；以及光子去调频模块，与所述光子倍频模块、收发端相连，用于利用所述间接参考信号对接收到的收发端的回波信号去调频，生成中频去调频回波信号后再输入所述数字系统。

Description

基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统

技术领域

本公开涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture radar，SAR)作为一种采用主动探测方式的微波遥感系统，具有全天候、全天时、不受云雾雨雪遮挡等优势，一直是对地观测不可或缺的手段。

脉冲压缩技术是雷达信号处理中常用的处理方法，它通过调制发射信号和对接收信号进行匹配滤波的方式，化解发射信号功率(正比于作用距离)与雷达对目标的距离向分辨率之间的矛盾关系。基于脉冲压缩技术的雷达系统，发射信号的带宽决定了距离向分辨率，带宽越大，分辨率越高。为了提高雷达的距离向分辨率，需要发射、接收和处理更大带宽的信号，这就要求微波电子器件，包括模数转换器(Analog to digital convertor，ADC)，数模转换器(Digital to analog convertor，DAC)，射频混频器和信号处理器等，支持更高的工作带宽。虽然随着微波电子技术的发展，雷达系统性能不断提升，技术瓶颈也不断转变，但微波电子器件的性能会随带宽增加而劣化，这限制了高分辨率SAR系统的发展。

SAR系统中广泛采用的线性调频(Linear frequency modulated，LFM)信号，除波形简单的特点外，更重要的是模拟去调频(Analog-dechirp)接收，提供了一种绕开微波电子器件性能限制实现脉冲压缩的特殊方法。模拟去调频是使用延时的发射信号与回波信号相乘实现模拟匹配滤波的一种技术，对于去调频接收系统，去调频输出信号的频率由目标与雷达天线之间的距离决定。通过压缩测绘带距离向宽度(Swath depth)，减小去调频输出信号的频谱带宽，可实现使用低速ADC获得高分辨率图像。对于去调频接收的SAR系统，距离向分辨率最后受限于射频系统的瞬时带宽。而对于包含混频器和放大器的射频链路，射频系统中信号的瞬时带宽不能超过一个倍频程(Octave)。

光子技术具有对大带宽信号的处理能力，上世纪90年代以来开始被研究用于产生和处理微波信号，并被称为微波光子技术。近年来光子技术被引入到雷达领域，尤其是高分辨率SAR系统的信号产生与接收。光子技术的带宽优势除了产生信号的绝对瞬时带宽，还体现在以倍频程衡量的相对带宽。常规的射频电子技术产生、接收信号的带宽不超过一个倍频程，光子技术产生、接收微波信号的瞬时带宽可以超过微波信号自身的一个倍频程。已经报道的微波光子高分辨率SAR系统均采用连续波去调频接收体制，典型的如中科院等科研院所展示的系统，这些系统均展示了极高的分辨率。

连续波去调频雷达系统虽可获得很高的分辨率，但连续波雷达系统在工作状态下收发同时进行，由于天线隔离度有限，提升发射功率来拓展作用距离时，直接从发射天线馈入接收天线的直达波将使接收机链路饱和，无法提取回波中的信息，因此系统的发射功率受限，进而限制了作用距离。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，以缓解现有技术中高分辨率光子SAR，因天线隔离度限制，系统的发射功率受限，进而限制了作用距离等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，包括：数字系统，发出中频发射信号和中频间接参考信号；光子倍频模块，与所述数字系统相连，用于将所述中频发射信号倍频为发射信号后，由收发端发射；同时用于将所述中频间接参考信号倍频为间接参考信号；以及光子去调频模块，光输入与所述光子倍频模块相连，射频输入分别与收发端和本振相连，用于利用所述间接参考信号对接收到的收发端的回波信号去调频，生成中频去调频回波信号后再输入所述数字系统。

在本公开实施例中，所述收发端用于发射线性调频信号，以及接收微弱的回波信号进入光子去调频模块，所述收发端包括环形器和收发天线。

在本公开实施例中，所述光子倍频模块包括：连续激光器，用于产生波长稳定的连续光载波；双偏振MZM电光调制器：用于将数字系统发出的所述中频发射信号和所述中频间接参考信号调制到所述光载波的不同偏振态上；偏振光分束器，用于将调制有中频发射信号和中频间接参考信号的光载波信号按照偏振态分为第一调制光信号和第二调制光信号；第一光电探测器，用于将第一调制光信号转为电信号从而获得发射信号；以及第二光电探测器，用于将第二调制光信号转为电信号从而获得间接参考信号。

在本公开实施例中，所述光子去调频模块，包括：光倍频器，包括连续激光器和MZM调制器，用于将输入的间接参考信号调制为光载四倍频间接参考信号；双偏振载波抑制单边带调制器，光输入端与所述光倍频器相连，射频输入分别与收发端和本振相连，用于将光载四倍频间接参考信号分束为第一光载四倍频间接参考信号和第二光载四倍频间接参考信号，并使所述第一光载四倍频间接参考信号被回波信号以抑制载波单边带调制的方式调制，所述第二光载四倍频间接参考信号被本振信号进行频移，从而再合束为偏振复用光信号；双偏振光放大器，用于放大所述偏振复用光信号；双偏振光带通滤波器，用于滤出想要的频率，同时抑制双偏振光放大器的自发辐射噪声；偏振解复用去调频相干接收机，用于将两个偏振方向的光波光场复振幅相乘并转换为电信号输出，实现回波信号的去调频接收。

在本公开实施例中，所述双偏振载波抑制单边带调制器包括：光分束器，在双偏振QPSK调制器的输入端，光载四倍频间接参考信号被所述光分束器分为第一光载四倍频间接参考信号和第二光载四倍频间接参考信号；并置的两个QPSK调制器，包括：第一QPSK调制器，包括第一光分束器、并联设置的第一MZM调制器和第二MZM调制器，以及第一光合束器；所述第一光载四倍频间接参考信号输入第一QPSK调制器，经被第一90°射频耦合器分为两路的回波信号以抑制载波单边带调制的方式调制；以及第二QPSK调制器，包括第二光分束器、并联设置的第三MZM调制器和第四MZM调制器，以及第二光合束器；所述第二光载四倍频间接参考信号输入第二QPSK调制器，经被第二90°射频耦合器分为两路的本振信号进行频移；偏振旋转器，设于所述第二QPSK调制器后，将频移后的第二光载四倍频间接参考信号进行90°偏振方向旋转；以及偏振光合束器，用于将调制了回波的第一光载四倍频间接参考信号与频移后的第二光载四倍频间接参考信号进行合束，生成偏振正交复用光信号。

在本公开实施例中，所述光载四倍频间接参考信号包括0阶的载波和±2阶光边带。

在本公开实施例中，使所述第一光载四倍频间接参考信号被回波信号以抑制载波单边带调制的方式调制，实际上是光载四倍频间接参考信号的+2阶光边带与回波相乘，等效为间接参考信号的二倍频与回波信号进行了光域相乘。

在本公开实施例中，所述偏振解复用去调频相干接收机对偏振复用光信号的处理等效于回波信号和光载四倍频间接参考信号+2阶光边带的乘积与频移后的光载四倍频间接参考信号的载波相乘。

在本公开实施例中，所述偏振解复用去调频相干接收机，包括：第二偏振光分束器，根据偏振方向的不同将偏振复用光信号分为两路；50：50光耦合器，用于将分为两路的偏振复用光信号进行电场混合；以及平衡光电探测器，包括两个子光电探测器，用于获取回波信号中携带的目标信息，输出去调频回波信号。

在本公开实施例中，所述偏振解复用去调频相干接收机，的第二种实现方式包括：45°光分束器，用于将偏振复用光信号分为两路；以及平衡光电探测器，包括两个子光电探测器，用于获取回波信号中携带的目标信息，输出去调频回波信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)实现了脉冲体制光子SAR系统，相较于收发同时进行的连续波体制光子SAR系统，在保持高分辨率的同时拓展了系统的作用距离。

(2)能够在光域实现去调频过程，将脉冲去调频系统的发射信号带宽拓展到一个倍频程。

(3)能够使用一套硬件链路(从激光器到探测器为一个光子系统链路)产生发射信号和光子去调频接收模块所需的间接参考信号。

附图说明

图1为本公开实施例基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统的架构示意图；

图2为本公开实施例基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统的更具体的架构示意图；

图3为本公开实施例中双偏振MZM电光调制器的组成示意图；

图4为本公开实施例中光倍频器的组成示意图；

图5为本公开实施例中双偏振载波抑制单边带调制器的组成示意图；

图6为本公开实施例中偏振解复用去调频相干接收机的组成示意图；

图7为本公开实施例中偏振解复用去调频相干接收机的另一种组成示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，实现了脉冲体制光子SAR系统，相较于收发同时进行的连续波体制光子SAR系统，在保持高分辨率的同时拓展了系统的作用距离。能够在光域实现去调频过程，将脉冲去调频系统的发射信号带宽拓展到一个倍频程。能够使用一套硬件链路(从激光器到探测器为一个光子系统链路)产生发射信号和光子去调频接收模块所需的间接参考信号。

在实现本公开的过程中发明人发现，为了拓展去调频接收体制的微波光子雷达的作用距离，需要脉冲体制的雷达系统，即需要基于微波光子技术的脉冲体制去调频SAR系统。脉冲体制的系统没有隔离度的问题，但是基于微波光子技术的脉冲去调频体制雷达系统却有独特的困难。对于传统的脉冲去调频体制的雷达，参考信号和发射信号需要有相同的调频率(用k表示)，但参考信号需要有更长的时宽(用τ表示)来获取足够的测绘带宽度，通常参考信号的时宽需要是发射信号时宽的两倍，这意味着参考信号的带宽(用B表示)是发射信号带宽的两倍(如发射信号带宽5GHz，参考信号带宽需要10GHz)。对于发射信号带宽已经很大(数个GHz)的微波光子雷达来说，参考信号的宽度将可能超过一个倍频程。由于一个倍频程是常规电子技术瞬时带宽的极限，实现脉冲体制去调频的光子SAR系统需要一种新颖的思路和相关的方案，来解决超宽带参考信号产生，超大瞬时带宽信号(超过一个倍频程)去调频处理，及满足系统各项指标与平台环境要求的系统总体架构等一系列问题。由此本公开提供了一种基于光子倍频信号产生技术和光子去调频接收技术的脉冲体制合成孔径雷达系统的系统架构以及相应的技术方案。本公开的数字系统与收发天线基于常规雷达电子技术。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，结合图1至图7所示，所述基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，包括：

数字系统，发出中频发射信号和中频间接参考信号，产生系统时钟和控制整个系统的时序；

光子倍频模块，与所述数字系统相连，用于将所述中频发射信号四倍频为发射信号后，由收发端发射；同时用于将所述中频间接参考信号四倍频为间接参考信号；以及

光子去调频模块，位于接收天线与数字系统ADC之间，同时与所述光子倍频模块相连，用于利用所述间接参考信号对接收到的回波信号去调频，生成中频去调频信号后输入数字系统。

所述收发端用于发射线性调频信号，以及接收微弱的回波信号进入光子去调频模块，包括环形器、功放、低噪放和收发天线。

本公开实施例中，所述数字系统，用于产生中频发射信号和中频间接参考信号，所述中频发射信号用于处理后获得发射信号；所述中频间接参考信号用于获得间接参考信号，所述数字系统还对去调频接收后的回波信号进行采样、数据预处理和存储操作。

本公开实施例中，所述光子倍频模块包括：

连续激光器，用于产生波长稳定的连续光(信号)载波；

双偏振MZM电光调制器：用于将数字系统发出的所述中频发射信号和所述中频间接参考信号调制到所述光载波的两个正交偏振态上；

偏振光分束器，用于将调制有中频发射信号和中频间接参考信号的光载波信号按照偏振态分为第一调制光信号和第二调制光信号；

第一光电探测器，用于将第一调制光信号转为电信号从而获得发射信号；

第二光电探测器，用于将第二调制光信号转为电信号从而获得间接参考信号；

保偏长光纤：需要天线拉远时，用于将偏振复用的光信号传输到雷达远端。

本公开实施例中，所述光子去调频模块，包括：

光倍频器，包括连续激光器和MZM调制器，用于将间接参考信号变为由载波(0阶光边带)与±2阶光边带构成的光载四倍频间接参考信号。

双偏振载波抑制单边带调制器，光学输入与所述光倍频器相连，射频输入分别于与收发端相连和本振动信号相连，包括光分束器，第一90°射频耦合器，第二90°射频耦合器，第一QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)调制器，第二QPSK调制器，本振，以及偏振光合束器；

其中，在双偏振QPSK调制器的输入端，光载四倍频间接参考信号被所述光分束器分为第一光载四倍频间接参考信号和第二光载四倍频间接参考信号；第一光载四倍频间接参考信号输入第一QPSK调制器，被回波信号以抑制载波单边带调制的方式调制，其结果是光载四倍频间接参考信号+2阶光边带与回波相乘，相当于间接参考信号的二倍频与回波信号进行了光域相乘(混频)；第二光载四倍频间接参考信号在第二QPSK调制器借助本振信号进行频率变换。接着，调制了回波的第一光载四倍频间接参考信号与频移后的第二光载四倍频间接参考信号，在双偏振QPSK调制器的输出端通过偏振合束器合束成为正交偏振复用光信号。

本公开实施例中，所述双偏振载波抑制单边带调制器的输入光信号是光载四倍频间接参考信号。用以实现第一光载四倍频间接参考信号的+2阶边带(+2阶边带的光场复振幅与间接参考信号二倍频参数相同)与回波信号进行光域相乘(混频)；以及第二光载四倍频间接参考信号的载波的频移。

双偏振光放大器，用于放大所述偏振复用光信号；

本公开实施例中，其中一个偏振方向是第一光载四倍频间接参考信号与回波信号进行光域相乘的乘积，另一个偏振方向是频移后的第二光载四倍频间接参考信号；

双偏振光带通滤波器，用于滤出想要的频率，同时抑制放大器的自发辐射噪声(ASE噪声)；

偏振解复用去调频相干接收机，用于实现处于不同偏振态上光波电场复振幅的相乘(混频)并将乘积中的差频转换为电信号输出，实现回波信号的去调频接收。

在本公开实施例中，实现了光载四倍频间接参考信号和回波信号光域相乘的乘积与频移后的光载四倍频间接参考信号的载波相乘，偏振解复用去调频相干接收机的输出就是回波信号的去调频接收结果；

本公开实施例中，如图1至2中各中频、射频信号链路(包括：中频发射链路，中频参考链路，射频发射链路，射频接收链路，中频接收链路，用于对信号进行放大和滤波。

现结合上述的描述简单介绍基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统的工作原理，数字系统的波形产生模块分别产生中频发射信号和中频间接参考信号，这两个中频线性调频信号经过中频链路放大后，输入到光子倍频模块中。本专利中，一套光子倍频硬件同时产生发射信号和间接参考信号(如果系统发射的LFM信号时宽为τ，最低频率为f_low，最高频率为2f_low，带宽为B＝f_low，调频率为k；参考信号时宽为2τ，最低频率为f_low，最高频率为f_low+2B＝3f_low，带宽为2B，调频率为k；间接参考信号时宽为2τ，最低频率为f_low，最高频率为2f_low，带宽为B，调频率为k/2)。

光子倍频模块由激光器、双偏振马赫曾德尔(Mach-Zehnder Modulator，MZM)电光调制器，偏振光分束器和两个光电探测器组成。激光器发出的连续激光，进入双偏振MZM电光调制器后分为两束，数字系统输入的两个中频信号分别调制在光信号的两个正交偏振态上，各自在光域上获得载波抑制的正负二阶边带(对应四倍频)。在调制器的输出端，调制后的两束光信号通过偏振合束器形成正交偏振复用的光信号，通过保偏光纤输出。随后正交偏振光信号经偏振光分束器分为两路，(对需要天线拉远的情况，调制器输出与偏振分束器之间需要用长保偏光纤传输)，一路是调制中频发射信号的光波，另一路是调制中频间接参考信号的光波。调制了中频发射信号的光波，通过光电探测器拍频获得四倍频后的发射信号，经放大后由环形器进入天线发射；调制了中频间接参考信号的光波，通过另一个光电探测器拍频获得间接参考信号，输入到光子去调频模块。这里间接参考信号是中频间接参考信号的四倍频，间接参考信号的最大带宽为一个倍频程。

需要说明的是，本专利中发射信号经由光四倍频产生，最大瞬时带宽为一个倍频程。由于参考信号具有更大的时宽和超过一个倍频程的带宽，为避免超过倍频程的信号在射频链路中出现(低频谐波落入带内导致信号带内杂散劣化)，同时降低对产生初始参考信号的数字系统的硬件要求，本方案利用瞬时带宽较小的间接参考信号产生光载四倍频间接参考信号，随后将回波调制到光域与光载四倍频间接参考信号相乘，再通过光域变频，实现去调频。在实现方式上，本方案先在光子倍频模块通过光四倍频产生间接参考信号，随后在光子去调频模块，间接参考信号通过偏置在最大点的MZM调制器调制连续光波，，产生包含0和±2阶光变带的光载四倍频间接参考信号。专利中各种信号参数关系如表1所示。光载四倍频间接参考信号的正二阶边带可看作是参考信号的频移(与参考信号具有相同的参数，但是中心频率不同)。

表1.专利中各种信号的参数关系

在雷达接收机部分，天线接收到的回波信号进入光子去调频模块，利用产生的光载四倍频间接参考信号实现去调频接收。首先，由激光器发出的连续光波在MZM调制器被来自发射机的间接参考信号调制，产生光载四倍频间接参考信号，其包含0阶的载波和±2阶光边带(±2阶边带的光场复振幅与与间接参考信号二倍频参数相同)。随后，光载四倍频间接参考信号进入双偏振QPSK调制器并分成两路，分别进入两个QPSK调制器。其中一路在QPSK调制器被回波信号以抑制载波单边带的模式调制，调制的结果等效为回波信号和间接参考信号的二倍频相乘。另一路经过第二个QPSK调制器同样以抑制载波单边带的模式被本振信号调制(本振信号用LO表示，其频率等于参考信号和间接参考信号的二倍频之间的频率差；对于表1的参数，LO频率为f_low)，调制的结果相当于对光载四倍频间接参考信号进行了频移，即0阶载波和±2阶光边带均进行了频移。在双偏振QPSK调制器的输出端，两路光信号通过偏振合束器合束，构成正交偏振复用的光信号。随后，偏振复用信号经放大滤波后进入偏振解复用相干接收机。在偏振解复用相干接收机，回波信号和光载四倍频间接参考信号的+2阶光边带的乘积与频移后的光载四倍频间接参考信号的载波相乘(由于参考信号可以被等效为间接信号二倍频的频移；因此回波信号与光载四倍频间接参考信号的+2阶光边带在光域相乘的乘积再与变频后的载波相乘可以等效为回波信号与参考信号相乘)，从而实现去调频接收(即对回波模拟匹配滤波)功能。去调频的输出信号在数字系统被采样，数据预处理和存储。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合图1、图2-7及具体实施例对本公开进一步详细说明。

系统发射信号S_Sig(t)可以表示为：

其中，V_Sig是发射信号的幅度，rect(t/τ)是矩形函数，τ是发射脉冲的时宽，f_low为发射信号的最低频率，k是发射信号的调频率，k＝B/τ，B是发射信号的带宽。

可以看到，发射信号的最低频率为f_low，最高频率为2f_low，时宽为τ，带宽为B＝f_low，调频率为k，发射信号的瞬时带宽为一个倍频程。

数字系统产生中频发射信号和中频间接参考信号，分别表示为：

其中V_IF为两个中频线性调频信号的幅度，t₀为可以调节的中频间接参考信号的延迟时间，记t₂＝t-t₀，t为中频发射信号的时间坐标，t₂为中频间接参考信号的时间坐标。

可以看到，中频发射信号的最低频率为f_low/4，最高频率为f_low/2，时宽为τ，带宽为B/4，调频率为k/4；中频间接参考信号的最低频率为f_low/4，最高频率为f_low/2，时宽为2τ，带宽为B/4，调频率为k/8。

连续激光器产生波长稳定的连续激光输入到双偏振MZM电光调制器，连续激光可以表示为A₁exp(j2πf₀t)，其中A₁为连续激光的幅度，f₀是连续激光的频率。

双偏振MZM电光调制器的实例结构如图3所示。连续光信号经过其中的3dB光分束器分路，分别进入工作在最大偏置点的第一MZM调制器和第二MZM调制器，输出的第一调制光信号表示为：

输出的第二调制光信号表示为：

其中J_n是n阶第一类Bessel函数，β_IF＝πV_IF/V_π是MZM调制器的调制系数，V_π是第一MZM调制器和第二MZM调制器的半波电压。工作在最大偏置点的MZM输出的调制光信号仅包含偶数阶边带。

E_{DP-MZM_MZM2}(t)的偏振方向通过双偏振MZM调制器中的偏振旋转器旋转90°，与E_{DP-MZM_MZM1}(t)垂直。于是在双偏振MZM调制器的输出端信号可表示为：

通过一定长度的保偏光纤将偏振复用的光信号传输到雷达远端后，由偏振光分束器分路。

偏振光分束器分路得到的第一调制光信号，即调制了中频发射信号的光信号，通过光电探测器拍频得到四倍频宽带线性调频发射信号，经过功率放大器放大后由环形器进入天线，其可以表示为：

其中V_Sig为发射信号的幅度。发射信号的最低频率为f_low，最高频率为2f_low，时宽为τ，带宽为B，调频率为k，即发射信号为中频发射信号的四倍频。

偏振光分束器的第二个输出是调制了中频间接参考信号的第二调制光信号，其通过光电探测器拍频得到间接参考信号进入光子去调频模块。间接参考信号表示为：

其中V_{transition-ref}为间接参考信号的幅度。

可以看到，间接参考信号的最低频率为f_low，最高频率为2f_low，时宽为2τ，带宽为B，调频率为k/2，即间接参考信号为中频间接参考信号的四倍频。

在雷达信号接收部分，对于点目标获得的回波信号，可以表示为：

其中V_echo为回波信号的幅度，τ_c＝r_c/c是雷达发射机到目标的传播时间，r_c是雷达发射机到点目标中心的距离，c是真空中光速，记t₁＝t-2τ_c。

可以看到，回波信号最低频率为f_low，最高频率为2f_low，时宽为τ，带宽为B，调频率为k。

为方便后续表示，记T₁＝(t-2τ_c-τ/2)/τ，φ＝2πf_low(t-2τ_c)+kπ(t-2τ_c)²，则

S_echo(t₁)＝V_echo·rect(T₁)·cos(φ)  (11)；

光倍频器的实例结构图如图4所示。间接参考信号进入光倍频器，通过一个工作在最大偏置点的MZM调制器调制在连续激光器输出的光信号上，产生光载四倍频间接参考信号，可以表示为：

其中A₂是光载四倍频间接参考信号的电场幅度，β_ref＝πV_{transition-ref}/V_π是MZM调制器的调制系数。光载四倍频间接参考信号包含偶数阶边带，表现形式为载波(0阶)与±2阶边带。

在本公开实施例中，双偏振载波抑制单边带调制器的实例结构图如图5所示。光载四倍频间接参考信号进入双偏振QPSK调制器，经过3dB光分束器分别进入第一QPSK调制器和第二QPSK调制器，每个QPSK调制器包括两个MZM调制器。

在第一QPSK调制器，回波信号经过90°射频耦合器或功分器后产生的两路信号调制到第一QPSK调制器中的两个MZM调制器，为实现载波压制调制，两个MZM调制器都工作在最小偏置点，并在两个MZM调制器之间引入-90°光相移。两个MZM调制器的输出分别表示如下：

其中ψ为MZM两臂之间的光相位差，当ψ取π、3π、...、(2m-1)π时，m为正整数，MZM调制器工作于最小偏置点，进一步化简为：

其中

是第一QPSK调制器中MZM调制器的调制系数。同理：

于是第一QPSK调制器的输出为：

观察上式级数，n为奇数的项均为0，即该级数中由偶数项参与求和。于是讨论令n＝2m，在小信号条件下，m取0，并且考虑到J_-1(x)＝-J₁(x)上述公式可以化简为：

可以看到，第一QPSK调制器的输出是回波信号单边带调制在光载四倍频间接参考信号上，调制所得信号即为回波信号与光载四倍频间接参考信号的相乘，相乘将产生和频和差频两种频率成分，通过调整第一QPSK调制器两个MZM之间的光相位(-90°)，保留差频成分。

在第二QPSK调制器，将频率为f_low的本振信号S_LO＝V_LOcos(2πf_lowt)经过90°射频耦合器后产生的两路信号调制到两个MZM调制器，为实现载波压制调制，两个MZM调制器都工作在最小偏置点并引入90°光相移。

具体地，第二QPSK调制器中两个MZM的输出分别为：

其中

是第二QPSK调制器中MZM调制器的调制系数。

于是第二QPSK调制器的输出为：

观察上式级数，n为偶数的项均为0，即该级数中由奇数项参与求和。于是讨论令n＝2m-1，在小信号条件下，m取1，上述公式可以化简为：

可以看到，第二QPSK调制器的输出是对光载四倍频间接参考信号进行一次频率为f_low的上变频。

控制双偏振QPSK调制器中的偏振旋转器，改变E_out2(t)的偏振方向使之与E_out1(t)的偏振方向垂直。通过偏振光合束器得到偏振复用的光信号，表示为：

偏振复用的光信号经过双偏振光放大器放大后，进入双偏振光带通滤波器滤波，得到我们想要的信号成分，最后输入到偏振解复用去调频相干接收机。放大滤波后的光信号可以表示为：

其中E_{DP-OBPF_X}(t)和E_{DP-OBPF_Y}(t)分别是光信号在两个正交偏振方向上的电场。α是光放大和光滤波的总幅度系数，

是由于长光纤受环境扰动导致的光程的波动引起的。

偏振解复用去调频相干接收机的第一种实现方式的一个实例如图6所示。其中偏振光分束器根据偏振方向的不同将光信号分为两路，两路信号经过50：50光耦合器后，它们的电场混合，进入平衡光电探测器。平衡光电探测器的两个子光电探测器间的光电流表示为：

其中

为光电探测器的响应度。

于是偏振解复用相干接收器的输出为：

将t₂＝t-t₀和t₁＝t-2τ_c代入，考虑到小信号情况贝塞尔函数的性质(J₀(x)≈1，J₁(x)≈x/2，J₂(x)≈x²/8，n为正整数)，可得：

由此得知，去调频输出信号的幅度中含有β_echo项，保留了回波信号中携带的目标信息；相位中仅包含常数项和与距离有关的时间t的一次项。一次项的导数即为去调频接收信号的频率f_r＝k(2τ_c-t₀)，其中雷达发射机到目标中心的传播时间是τ_c，参考信号脉冲相对于发射信号脉冲的延迟时间是t₀。去调频输出的二次项已经全部消除(即不再包括kt²项)。

该方案中，光载四倍频间接参考信号的+2阶边带上调制回波信号，再与上变频了f_low的光载四倍频间接参考信号的载波相乘。该过程等效的电参考信号为光载四倍频间接参考信号的+2阶边带与上变频了f_low的光载四倍频间接参考信号的(0阶)载波的乘积差频，表示为：

其中V_Ref为参考信号的幅度。需要注意，公式(27)表示的等效电参考信号超过了倍频程，在常规射频系统中并不存在。

可选地，在本公开另一实施例中，还有一种偏振解复用去调频相干接收机的第二种实现方式的实例如图7所示。偏振复用的光信号进入45°光分束器，分成两路信号，分别为：

两路信号进入平衡探测器，两个子光电探测器间的光电流表示为：

偏振解复用去调频相干接收机的输出为：

由此可知，式中同样出现了公式(26)中的S_dechirp，且公式中除S_dechirp/4以外的项均为常数，因此也能得到与图6实例类似的结果。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，基于以上微波光子学技术，实现了脉冲体制光子SAR系统，相较于收发同时进行的连续波体制光子SAR系统，在保持高分辨率的同时拓展了系统的作用距离。在技术路线上，以光载四倍频间接参考信号代替瞬时带宽超过倍频程的参考信号，在光域实现去调频过程，将脉冲去调频系统的发射信号带宽拓展到一个倍频程(对于常规脉冲去调频系统，参考信号带宽要高于发射信号，系统参考信号先受限于倍频程)。在雷达信号的产生过程中，利用数字信号发生器产生的中频线性调频信号，结合微波光子四倍频技术，使用一套硬件链路产生了发射所需的四倍频宽带线性调频信号和光子去调频接收模块所需的间接参考信号。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。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。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，包括：

数字系统，发出中频发射信号和中频间接参考信号；

光子倍频模块，与所述数字系统相连，用于将所述中频发射信号倍频为发射信号后，由收发端发射；同时用于将所述中频间接参考信号倍频为间接参考信号；以及

光子去调频模块，与所述光子倍频模块、收发端相连，用于利用所述间接参考信号对接收到的收发端的回波信号去调频，生成中频去调频回波信号后再输入所述数字系统；

所述光子去调频模块，包括：

光倍频器，包括连续激光器和MZM调制器，用于将输入的间接参考信号调制为光载四倍频间接参考信号；

双偏振载波抑制单边带调制器，用于将光载四倍频间接参考信号分束为第一光载四倍频间接参考信号和第二光载四倍频间接参考信号，并使所述第一光载四倍频间接参考信号被回波信号以抑制载波单边带调制的方式调制，所述第二光载四倍频间接参考信号被本振信号进行频移，从而再合束为偏振复用光信号；

双偏振光放大器，用于放大所述偏振复用光信号；

双偏振光带通滤波器，用于滤出想要的频率，同时抑制双偏振光放大器的自发辐射噪声；

偏振解复用去调频相干接收机，用于将两个偏振方向的光波光场复振幅相乘并转换为电信号输出，实现回波信号的去调频接收。

2.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，所述收发端用于发射线性调频信号，以及接收微弱的回波信号进入光子去调频模块，所述收发端包括环形器和收发天线。

3.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，所述光子倍频模块包括：

连续激光器，用于产生波长稳定的连续光载波；

双偏振MZM电光调制器：用于将数字系统发出的所述中频发射信号和所述中频间接参考信号调制到所述光载波的不同偏振态上；

偏振光分束器，用于将调制有中频发射信号和中频间接参考信号的光载波信号按照偏振态分为第一调制光信号和第二调制光信号；

第一光电探测器，用于将第一调制光信号转为电信号从而获得发射信号；以及

第二光电探测器，用于将第二调制光信号转为电信号从而获得间接参考信号。

4.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，所述双偏振载波抑制单边带调制器包括：

光分束器，在双偏振QPSK调制器的输入端，用于将光载四倍频间接参考信号被所述光分束器分为第一光载四倍频间接参考信号和第二光载四倍频间接参考信号；

QPSK调制器组，包括：

第一QPSK调制器，包括第一光分束器、并联设置的第一MZM调制器和第二MZM调制器，以及第一光合束器；所述第一光载四倍频间接参考信号输入第一QPSK调制器，经被第一90°射频耦合器分为两路的回波信号以抑制载波单边带调制的方式调制；以及

第二QPSK调制器，包括第二光分束器、并联设置的第三MZM调制器和第四MZM调制器，以及第二光合束器；所述第二光载四倍频间接参考信号输入第二QPSK调制器，经被第二90°射频耦合器分为两路的本振信号进行频移；

偏振旋转器，设于所述第二QPSK调制器后，将频移后的第二光载四倍频间接参考信号进行偏振方向旋转；以及

偏振光合束器，用于将调制了回波的第一光载四倍频间接参考信号与频移后的第二光载四倍频间接参考信号进行合束，生成偏振复用光信号。

5.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，所述光载四倍频间接参考信号包括0阶的载波和±2阶光边带。

6.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，使所述第一光载四倍频间接参考信号被回波信号以抑制载波单边带调制的方式调制，实际上是光载四倍频间接参考信号的+2阶光边带与回波相乘，等效为间接参考信号的二倍频与回波信号进行了光域相乘。

7.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，所述偏振解复用去调频相干接收机对偏振复用光信号的处理等效于回波信号和光载四倍频间接参考信号的+2阶光边带的乘积与频移后的光载四倍频间接参考信号的载波相乘。

8.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，所述偏振解复用去调频相干接收机，包括：

第二偏振光分束器，根据偏振方向的不同将偏振复用光信号分为两路；

50：50光耦合器，用于将分为两路的偏振复用光信号进行电场混合；以及

平衡光电探测器，包括两个子光电探测器，用于获取回波信号中携带的目标信息，输出去调频回波信号。

9.根据权利要求1所述的基于光子去调频接收技术的脉冲体制SAR系统，所述偏振解复用去调频相干接收机，包括：

45°光分束器，用于将偏振复用光信号分为两路；以及

平衡光电探测器，包括两个子光电探测器，用于获取回波信号中携带的目标信息，输出去调频回波信号。

Images