CN113114380A - 基于光子采样及相干接收的微波光子雷达探测方法及系统 - Google Patents

基于光子采样及相干接收的微波光子雷达探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光采样及相干接收的微波光子雷达探测方法和系统，首先，基带信号和目标回波信号对输入偏振复用电光调制器两个偏振态上的光脉冲信号分别进行调制，获得包含第一发射采样光信号和第一接收采样光信号的偏振复用光信号；将偏振复用光信号偏振态分离后，分别得到第二发射采样光信号和第二接收采样光信号，其中第二发射采样光信号分为两路，一路完成光电转换后得到雷达发射信号；另一路与接收采样光信号送入90度光耦合器并经平衡光电探测后，得到正交的两个中频信号，对中频信号进行处理，得到探测目标信息。本发明通过光子采样技术及光子相干接收技术，可实现可重构雷达信号产生及相干接收，雷达系统紧凑简单，抗干扰能力强。

Description

基于光子采样及相干接收的微波光子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，尤其涉及一种采用光子采样及光子相干接收技术的微波光子雷达探测方法及系统。
背景技术
高频、宽带、高精度、实时、多功能全频谱探测是现代雷达技术的发展的主要方向。为了覆盖广域频谱空间，这就需要雷达工作波段灵活可调，信号可实时高精度处理分析。受限于目前电子技术瓶颈，在微波域直接实现宽带信号的产生、采样、处理等功能时，存在潜在的幅度/相位非线性效应，且微波放大匹配链路复杂，限制了雷达向高频宽带发展(参见[S.Kim,N.Myung,"Wideband linear frequency modulated waveform compensationusing system predistortion and phase coefficients extraction method,"IEEEMicrowave and Wireless Components Letters,vol.17,no.11,pp.808-810,2007.])。得益于微波光子技术的快速发展，微波信号的光域产生、传输、处理，如光子混频、光子采样、光子真延时等为克服传统雷达电子瓶颈问题、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.Capmany,D.Novak,"Microwave photonics combinestwo worlds,"Nature photonics,vol.1,no.6,pp.319-330,2007.]与[J.Mckinney,"Photonics illuminates the future of radar,"Nature,vol.507,no.7492,pp.310-312,2014.])。如基于光子技术的带通采样利用高重频的窄脉冲可实现微波信号的采样，相关技术已在新型雷达接收技术中使用(参见[P.Ghelfi,F.Laghezza,F.Scotti,D.Onori,A.Bogoni,"Photonics for Radars Operating on Multiple Coherent Bands,"Journalof Lightwave Technology,vol.34,no.2,pp.500-507,2016.])，但目前基于光子带通采样的接收方案中，光脉冲重频较小，限制了可接收信号带宽；且发射与接收模块分立，增加了整个系统的复杂度，降低了系统的稳定性。此外在对采样过的信号处理时，仍需高速率信号处理器，从而限制了整个系统工作的实时性。发明(参见[“基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法及系统”，授权时间2020.10.16，发明人：郭清水，陈佳佳])提出了一种新的解决思路，基于单个集成偏振复用电光调制器即可实现发射信号的光子直接采样上变频及接收信号的光子带通采样下变频，并基于光域的去调频技术，实现宽带信号的实时接收处理。但该方案只能得到中频信号的实数信号，丢失了相位信息(即少了一个维度的有用信息)。在对相位信息需求的应用中不能满足需求。
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，基于采样原理，利用偏振复用光脉冲信号实现雷达发射信号及接收信号的光子采样，雷达发射信号波段灵活可调；基于相干接收技术，可实现宽带回波信号的实时正交去斜。系统紧凑简单，抗干扰性能优异。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于光采样及相干接收的微波光子雷达探测方法，该方法具体为：
将基带线性调频信号和目标回波信号分别对输入偏振复用电光调制器的两个正交偏振态上的光脉冲信号进行调制，获得包含第一发射采样光信号和第一接收采样光信号的偏振复用光信号；将偏振复用光信号偏振态分离后，分别得到第二发射采样光信号和第二接收采样光信号，将第二发射采样光信号分为两路，一路完成光电转换后得到雷达发射信号；另一路第二发射采样光信号与第二接收采样光信号输入90度光耦合器后输出四路复合光信号，四路复合光信号经两个平衡光电探测器完成光电转换，实现光子相干接收，得到正交的两个中频信号，对中频信号进行处理，得到探测目标信息；
其中，所述目标回波信号由雷达发射信号经天线辐射至包含目标的空间中进行探测，经目标反射获得；输入90度光耦合器的第二发射采样光信号与第二接收采样光信号的偏振态保持一致。
本发明方法在雷达系统接收部分引入光子相干接收方案，在保证系统可实现多波段工作能力的基础上，可对宽带接收信号实时相干接收，得到复数中频信号。相比实数中频信号不仅多一个维度的信息，且具有更强的抵抗镜频干扰的能力。接收机信噪比整体也可大大提升。
优选地，所述光脉冲信号的重复频率fPRF和基带线性调频信号的最高频率fLFM_Max满足fPRF>2fLFM_Max；第二发射采样光信号经光电转换后，通过不同中心频率的带通滤波器可滤出位于不同波段的上变频雷达发射信号，其频率为MfPRF+fLFM或MfPRF-fLFM，其中，M为大于等于1的整数，fLFM为基带线性调频信号的频率。
进一步地，通过偏振态控制器使输入90度光耦合器的第二发射采样光信号与第二接收采样光信号的偏振态保持一致；所述偏振态控制器为半波片，机械偏振控制器、电控偏振控制器或90度偏振旋转器。
进一步地，所述将偏振复用光信号偏振态分离具体为：通过偏振分束器实现包含第一发射采样光信号和第一接收采样光信号的偏振复用光信号偏振态分离；所述光脉冲信号由锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器、或单频信号外调制电光调制器产生。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种基于光采样及相干接收的微波光子雷达探测系统，包括：
光采样脉冲源，用于生成光脉冲信号；
基带信号源，用于产生调制光脉冲信号的基带线性调频信号；
偏振复用电光调制器，用于：
将基带线性调频信号和目标回波信号分别对光采样脉冲信号进行调制获得第一发射采样光信号和第一接收采样光信号；
通过偏振态控制使第一接收采样光信号与第一发射采样光信号的偏振态正交；
将偏振态正交的第一发射采样光信号和第一接收采样光信号合为一路偏振复用光信号；
光放大器，用于对所述偏振复用光信号进行光域放大；
偏振分束器，用于将放大后的偏振复用光信号进行偏振态分离，得到第二发射采样光信号与第二接收采样光信号。
光耦合器，用于将第二发射采样光信号分成两路，分别送入高频光电探测器与90度光耦合器；
偏振控制器，用于控制第二接收采样光信号偏振态，使其与第二发射采样光信号偏振态一致；
90度光耦合器，用于对第二接收采样光信号与第二发射采样光信号在光域引入90度相位差，输出四路复合光信号；
高频光电探测器，用于将光耦合器输出的一路第二发射采样光信号转换为电信号；
带通滤波器，用于从电信号滤出所需频段的雷达发射信号；
收/发天线单元，用于发射雷达发射信号，接收目标反射的目标回波信号同时将所述目标回波信号送至偏振复用电光调制器中进行调制；
平衡光电探测器，用于对90度光耦合器输出的两路光信号分别进行光电探测，得到携带目标信息的两个正交中频信号；
信号采集&处理模块，用于两路正交中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息。
进一步地，所述光频梳产生模块包括锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器或单频信号外调制电光调制器；
进一步地，所述偏振控制器可为半波片，机械偏振控制器、电控偏振控制器、90度偏振旋转器。
进一步地，所述偏振复用电光调制器为偏振复用马赫-曾德尔调制器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器或偏振复用相位调制器等。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)本发明信号产生部分，基于光脉冲实现基带调制信号的多波段上变频，通过调节电带通滤波器的通带频率可灵活选择雷达发射信号的工作频段；基于同一光脉冲实现雷达回波信号的光子带通采样，保证了雷达收/发信号的相干性。
2)本发明信号接收部分，同时基于发射采样光信号与接收采样光信号光域相干接收实现高频宽带接收信号的正交去调频处理，可有效抑制噪声及镜频干扰信号。
3)本发明基于单个偏振复用集成调制器即可实现基带信号及接收信号光子采样，并同时为相干接收提供本振信号与接收信号，通过偏振复用降低了信号路径差引入的环境干扰。
附图说明
图1为本发明微波光子雷达系统原理示意图；
图2为图1所示微波光子雷达系统中对应节点处产生的信号频谱及信号示意图；
其中，A对应为光脉冲信号，B对应为包含第一发射采样光信号和第一接收采样光信号的偏振复用光信号，C对应为第二发射采样光信号，D对应为第二接收采样光信号，E对应为雷达发射信号，F对应为偏振态与第二发射采样光信号相同的第二接收采样光信号，G对应为两个平衡光电探测器分别输出的中频信号I路及Q路(实部与虚部)，H对应为中频信号复数形式的频谱。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的思路是基于光子采样上变频技术产生高频段、可调谐的线性调频雷达发射信号，通过光子带通采样及光子相干接收方法实现宽带回波信号相干接收，利用偏振复用技术，使雷达系统结构简单紧凑。本方案雷达工作参数灵活可调，信号处理实时高效，抗杂散能力强。
本发明的一种基于光子采样及相干接收的微波光子雷达探测方法，具体为：
光采样脉冲源产生脉冲重复频率为fPRF的周期光脉冲信号，该光脉冲信号在偏振复用电光调制器输入端分为两路；其中一路光脉冲信号被基带线性调频信号fLFM调制，得到第一发射采样光信号；目标回波信号对另一路光脉冲信号同样进行调制，对其进行偏振偏转后得到偏振态与第一发射采样光信号偏振态正交的第一接收采样光信号，第一接收采样光信号与第一发射采样光信号合为一路偏振复用光信号后从偏振复用电光调制器输出；偏振复用光信号经光放大器放大后送入偏振分束器，偏振分束器将偏振复用光信号偏振态分离得到第二发射采样光信号与第二接收采样光信号；控制第二接收采样光信号或第二发射采样光信号使其偏振态一致，将第二发射采样光信号分为两路，一路经光电转换及带通滤波即可得到频率为MfPRF+fLFM的上变频雷达发射信号，雷达发射信号经天线辐射到包含目标的空间中发生反射得到所述目标回波信号；另一路与第二接收采样光信号送入90度光耦合器，90度光耦合器输出光信号进行平衡光电探测，得到包含目标信息的正交中频信号，对中频信号采样并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1所示，本实施例的微波光子雷达探测系统包括：1个光采样脉冲源、1个基带信号源、1个偏振复用电光调制器、1个光放大器、1个光耦合器(OC)、1个偏振分束器(PBS)、1个偏振控制器(PC)、1个90°光耦合器、2个平衡光电探测器(BPD)、1个高频光电探测器(HFPD)、1个带通滤波器(BPF)、1个电功率放大器(EA)、1个低噪声放大器(LNA)、1个发射天线(Ta)、1个接收天线(Ra)、1个信号采集&处理模块。
需要说明的是，所述光采样脉冲源可采用各种现有技术，优选地，本实施例选择锁模激光器方案。锁模激光器输出光采样脉冲源如图2中的A所示，频谱fComb可以表示为：
fComb＝fC±nfPRF (1)
其中fC为光脉冲信号的载频，n为大于等于0的整数，fPRF表示光脉冲信号的重复频率。此光采样脉冲源送入偏振复用电光调制器，需要说明的是，偏振复用电光调制器可以使用集成化的偏振复用马赫-曾德尔调制器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器、偏振复用相位调制器等，优选地，本实施例选择偏振复用马赫-曾德尔调制器，偏振复用马赫-曾德尔调制器包含两个子马赫-曾德尔调制器。
在偏振复用马赫-曾德尔调制器输入端，光采样脉冲源分为两路，并分别送入两个子马赫-曾德尔调制器输入端。送入第一子马赫-曾德尔调制器(MZM1)的光采样脉冲信号被基带线性调频信号强度调制。光采样脉冲信号的频域为光频梳，基带线性调频信号分别以光频梳的每根梳齿为载波进行调制。设基带线性调频信号的瞬时频率fLFM(t)为：
fLFM(t)＝f0+kt (0≤t≤T) (2)
其中f0为基带线性调频信号的起始频率，t为时间，T为其周期，k为其调频斜率。当只考虑正负一阶调制边带，而忽略高阶调制边带时，此时第一发射采样光信号SComb_M(t)可以表示为：
Figure BDA0002996991420000051
其中α为第一子马赫-曾德尔调制器调制系数，
Figure BDA0002996991420000052
为基带线性调频信号的初始相位，j表示虚数，N为正整数，Jl(α)为贝塞尔函数,l＝-1,0,1为阶数。同样地，偏振分束器输出的第二发射采样光信号与第一发射采样光信号本质上相同，第二发射采样光信号的瞬时频率也如式(3)所示。将第二发射采样光信号送入高频光电探测器完成光电转换后，通过带通滤波器即可滤出设定工作波段的上变频线性调频信号，作为雷达发射信号，如图2中的E所示，该信号瞬时频率fLFM_T(t)可表示为：
fLFM_T(t)＝M fPRF+f0+kt (0≤t≤T) (4)
M为正整数，其中通过改变带通滤波器的通带频率大小可改变信号频段，即对应不同M值，将上变频后的线性调频信号经电功率放大器放大后送入发射天线，信号经发射天线辐射到空间中，遇到探测目标后产生目标回波信号，目标回波信号经接收天线接收并送入低噪声放大器中进行放大，得到雷达接收信号，当目标为单点目标时，雷达接收信号的瞬时频率fLFM_R(t)可表示为：
fLFM_R(t)＝MfPRF+f0+k(t-τ) (0≤t≤T )(5)
其中τ为接收信号相对发射信号的延时。用雷达接收信号调制送入第二子马赫-曾德尔调制器(MZM2)的光脉冲信号，同样以光脉冲信号频域每根梳齿为载波，生成正负一阶调制边带，得到第一接收采样光信号，此过程即光域的接收信号带通采样，第一接收采样光信号其可以表示为：
Figure BDA0002996991420000061
其中，
Figure BDA0002996991420000062
为雷达接收信号携带的相位。其与第一、第二发射采样光信号具有相同的频谱分布。将第一接收采样光信号通过90度偏振旋转器改变偏振态后，与第一发射采样光信号通过偏振复用马赫-曾德尔调制器输出端的偏振合束器合为一路偏振复用光信号，包含偏振态正交的第一发射采样光信号和第一接收采样光信号的偏振复用光信号如图2中的B所示。将偏振复用光信号送入光放大器放大后，通过偏振分束器分出两路信号，即第二发射采样光信号与第二接收采样光信号，频谱分布如图2中的C,D所示。同样的，第二接收采样光信号与第一接收采样光信号本质上相同。通过偏振控制器(PC)使第二接收采样光信号与第二发射采样光信号偏振态相同，如图2中的F所示。将第二发射采样光信号通过光耦合器分为两路，一路送入高频光电探测器获取雷达发射信号，另一路与第二接收采样光信号送入90度光耦合器，90度光耦合器输出信号可以表示为：
Figure BDA0002996991420000071
SI+(t)、SI-(t)、SQ+(t)、SQ-(t)分别为90度光耦合器输出的四路复合光信号。将90度光耦合器的四路输出信号分别送入两个平衡光电探测器完成光电转换，忽略寄生相位，得到的中频电信号可以表示为：
Figure BDA0002996991420000072
即携带目标信息中频信号的两个正交分量SI(t)、SQ(t)(图2中的G)，其中
Figure BDA0002996991420000073
A为信号幅度。如图2中的H所示，对应信号复数形式为：
Figure BDA0002996991420000074
将中频信号模数转换后，基于雷达信号处理算法即可得到目标距离、速度、散射特性等信息。
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 (9)

1.一种基于光采样及相干接收的微波光子雷达探测方法，其特征在于，该方法具体为：
将基带线性调频信号和目标回波信号分别对输入偏振复用电光调制器的两个正交偏振态上的光脉冲信号进行调制，获得包含第一发射采样光信号和第一接收采样光信号的偏振复用光信号；将偏振复用光信号偏振态分离后，分别得到第二发射采样光信号和第二接收采样光信号，将第二发射采样光信号分为两路，一路完成光电转换后得到雷达发射信号；另一路第二发射采样光信号与第二接收采样光信号输入90度光耦合器后输出四路复合光信号，四路复合光信号经两个平衡光电探测器完成光电转换，实现光子相干接收，得到正交的两个中频信号，对中频信号进行处理，得到探测目标信息；
其中，所述目标回波信号由雷达发射信号经天线辐射至包含目标的空间中进行探测，经目标反射获得；输入90度光耦合器的第二发射采样光信号与第二接收采样光信号的偏振态保持一致。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光脉冲信号的重复频率f PRF 和基带线性调频信号的最高频率f LFM_Max 满足f PRF >2f LFM_Max ; 所述第二发射采样光信号经光电转换后，通过不同中心频率的带通滤波器滤出位于不同波段的上变频雷达发射信号，其频率为Mf PRF + f LFM 或Mf PFR - f LFM ，其中，M为大于等于1的整数，f LFM 为基带线性调频信号的频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过偏振态控制器使输入90度光耦合器的第二发射采样光信号与第二接收采样光信号的偏振态保持一致；所述偏振态控制器为半波片，机械偏振控制器、电控偏振控制器或90度偏振旋转器。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述将偏振复用光信号偏振态分离具体为：通过偏振分束器实现包含第一发射采样光信号和第一接收采样光信号的偏振复用光信号偏振态分离。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光脉冲信号由锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器、或单频信号外调制电光调制器产生。
6.一种基于权利要求1所述方法的微波光子雷达探测系统，其特征在于，包括：
光采样脉冲源，用于生成光脉冲信号；
基带信号源，用于产生调制光脉冲信号的基带线性调频信号；
偏振复用电光调制器，用于：
将基带线性调频信号和目标回波信号分别对光采样脉冲信号进行调制获得第一发射采样光信号和第一接收采样光信号；
通过偏振态控制使第一接收采样光信号与第一发射采样光信号的偏振态正交；
将偏振态正交的第一发射采样光信号和第一接收采样光信号合为一路偏振复用光信号；
光放大器，用于对所述偏振复用光信号进行光域放大；
偏振分束器，用于将放大后的偏振复用光信号进行偏振态分离，得到第二发射采样光信号与第二接收采样光信号；
光耦合器，用于将第二发射采样光信号分成两路，分别送入高频光电探测器与90度光耦合器；
偏振控制器，用于控制第二接收采样光信号偏振态，使其与第二发射采样光信号偏振态一致；
90度光耦合器，用于对第二接收采样光信号与第二发射采样光信号在光域引入90度相位差，输出四路复合光信号；
高频光电探测器，用于将光耦合器输出的一路第二发射采样光信号转换为电信号；
带通滤波器，用于从电信号滤出所需频段的雷达发射信号；
收/发天线单元，用于发射雷达发射信号，接收目标反射的目标回波信号同时将所述目标回波信号送至偏振复用电光调制器中进行调制；
平衡光电探测器，用于对90度光耦合器输出的四路光信号分别进行光电探测，得到携带目标信息的两个正交中频信号；
信号采集&处理模块，用于两路正交中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息。
7.根据权利要求6所述的微波光子雷达探测系统，其特征在于，所述光采样脉冲源为锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器或单频信号外调制电光调制器。
8.根据权利要求6所述的微波光子雷达探测系统，其特征在于，所述偏振控制器为半波片，机械偏振控制器、电控偏振控制器或90度偏振旋转器。
9.根据权利要求6所述的微波光子雷达探测系统，其特征在于，所述偏振复用电光调制器为偏振复用马赫-曾德尔调制器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器或偏振复用相位调制器。
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