CN113406662B - 步进调频体制微波光子宽带mimo雷达探测方法及装置 - Google Patents

步进调频体制微波光子宽带mimo雷达探测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测方法。在发射端，将具有n个波长分量的连续波光信号分为两路，将第一路调制为光脉冲后进行循环频移，对第二路中的每个波长分量分别引入频移后用线性调频微波信号进行单边带调制；将两路光信号合路后再分为两路，一路作为光参考信号，另一路解波分复用并分别光电转换为步进调频微波信号后发射至探测空间；在接收端，用目标回波对光参考信号进行调制，并将调制后信号解波分复用；将具有相同载频的光信号分别进行平衡光电探测实现去斜；对去斜信号进行处理得到目标信息。本发明还公开了一种步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测装置。相比现有技术，本发明可实现实时高分辨率的探测。

Description

步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种雷达探测方法，尤其涉及一种步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测方法。
背景技术
目标雷达散射截面积的波动会导致常规单发单收雷达探测的性能恶化。通过设置多个不同位置、不同角度的发射与接收天线，多输入多输出(MIMO)雷达可实现对目标的空间分集探测，从而提高探测的可靠性、精度等性能。另外，当前社会对MIMO雷达工作带宽的增加有着迫切的需求，因为工作带宽的增加不仅可以提高分辨率，而且有助于增强目标的探测精度。然而，传统采用电子技术的MIMO雷达工作带宽较小，因此其探测分辨能力较差，难以适应诸如自动驾驶、目标识别、地形测绘等对高分辨率的需求。因此，将具有带宽大、传输损耗小、抗电磁干扰等特点的微波光子技术应用于MIMO雷达，有望使其探测性能得到质的提升(参见[Serafino G,Scotti F,Lembo L,et al.Toward a new generation ofradar systems based on microwave photonic technologies[J].Journal ofLightwave Technology,2019,37(2):643-650.])。
利用微波光子技术实现的MIMO雷达方案已有报道(参见[Zhang F,Gao B,PanS.Photonics-based MIMO radar with high-resolution and fast detectioncapability[J].Optics Express,2018,26(13):17529-17540.])。然而基于当前的技术方案，微波光子MIMO雷达的工作带宽依然受到电信号发生器带宽的限制，导致距离探测分辨率难以得到有效提升。因此，研究能够真正突破电子带宽瓶颈限制的微波光子MIMO雷达，对提高目标探测能力具有非常重要的意义。
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，提供一种步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测方法，具有同时产生多个具有超大带宽的步进调频微波信号以及对所述步进调频微波信号快速处理的能力，可实现实时高分辨率的探测。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测方法，
在发射端，将具有n个波长分量的连续波光信号分为两路，将第一路调制为周期和脉宽分别是Tpr和Tpw的光脉冲后进行循环频移，对第二路中的每个波长分量分别引入频移Δfi后，i＝1，2，…，n，用调频斜率、周期和脉宽分别为γ、Tcr和Tcw的线性调频微波信号对该路光信号进行单边带调制，并令以下条件得到满足：Tpr＝MTcr＝MTL≥NmaxTL和TL≥Tpw≥Tcw；将两路光信号合为一路后再分为两路，一路作为光参考信号，另一路解波分复用为n路波长分量，并分别光电转换为步进调频微波信号后发射至探测空间；其中，M为正整数，Nmax为所述循环频移的最大循环次数，TL为所述循环频移的单次循环移频延时，所引入的相邻的两个频移差值大于目标回波延时τ与调频斜率γ之积γτ，所述n个波长分量两两之间所对应频率间隔远大于所述步进调频微波信号的带宽；
在接收端，用m个接收天线收集的目标回波分别对所述光参考信号进行调制，并将调制后的信号解波分复用；将具有相同载频的光信号分别进行平衡光电探测，得到m×n个去斜信号；对去斜信号进行处理得到目标信息；所述m、n均为大于等于2的正整数。
优选地，所述循环移频通过一个由移频器、光放大器和光多通带滤波器组成的移频环路实现。
优选地，所述对第二路中的每个波长分量分别引入频移Δfi，通过以下方法实现：将第二路光信号解波分复用得到n个波长分量，然后分别使用移频器对各个波长分量进行移频，再将移频后的n个波长分量合为一路。
优选地，所述单边带调制通过级联的强度调制器和光滤波器实现，或通过双平行强度调制器实现。
优选地，各个接收天线收集的目标回波分别通过一个工作在正交偏置点的双输出强度调制器对光参考信号进行调制。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测装置，包括：
多波长连续波激光产生模块，用于生成具有n个波长分量的连续波光信号并将其分为两路；
多波长循环移频模块，用于将第一路连续波光信号调制为周期和脉宽分别是Tpr和Tpw的光脉冲后进行循环频移；
多波长移频模块，用于对第二路连续波光信号中的每个波长分量分别引入频移Δfi，i＝1，2，…，n；
单边带调制模块，用于用调频斜率、周期和脉宽分别为γ、Tcr和Tcw的线性调频微波信号对多波长移频模块输出的光信号进行单边带调制；Tpr＝MTcr＝MTL≥NmaxTL且TL≥Tpw≥Tcw，其中，M为正整数，Nmax为所述循环频移的最大循环次数，TL为所述循环频移的单次循环移频延时，所述n个波长分量两两之间所对应频率间隔远大于所述步进调频微波信号的带宽，所引入的相邻的两个频移差值大于目标回波延时τ与调频斜率γ之积γτ；
光电转换模块，用于将多波长循环移频模块和单边带调制模块所输出光信号的合路信号的一路分束信号解波分复用为n路波长分量，并分别光电转换为步进调频微波信号；
n个发射天线，用于将所述步进调频微波信号发射至探测空间；
m个接收天线，用于接收目标回波信号；
m个微波光子去斜接收模块，用于用m个接收天线收集的目标回波分别对多波长循环移频模块和单边带调制模块所输出光信号的合路信号的另一路分束信号进行调制，并将调制后的信号解波分复用；将具有相同载频的光信号分别进行平衡光电探测，得到m×n个去斜信号；所述m、n均为大于等于2的正整数；信号处理模块，用于对去斜信号进行处理得到目标信息。
优选地，所述多波长循环移频模块包括光开关和一个由移频器、光放大器和光多通带滤波器组成的移频环路。
优选地，所述多波长移频模块包括：
第一光波分复用器，用于将第二路连续波光信号分为n个波长分量；
n个移频器，用于对所述n个波长分量分别引入频移Δfi；
第二光波分复用器，用于将移频后的n个波长分量合为一路。
优选地，所述单边带调制模块为级联的强度调制器和光滤波器，或为双平行强度调制器。
优选地，所述微波光子去斜接收模块包括一个工作在正交偏置点的双输出强度调制器，用于用回波信号对所述分束信号进行调制。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1、本发明仅使用一个移频环路实现对多波长光信号的循环移频，且仅使用一个线性调频微波信号对系统进行驱动，系统结构相对简单，大大减小系统成本；
2、本发明所产生的步进调频微波信号总带宽最大可为驱动该系统的线性调频微波信号带宽的Nmax倍。
3、本发明中，每个去斜接收模块中仅使用了一个双输出强度调制器就完成了对n个步进调频微波信号的电光转换，且平衡光电探测器的使用，可以消除共模噪声，提高去斜信号的信噪比。
4、本发明突破了传统方法对系统带宽的限制，可以同时产生与快速处理多个具有超大带宽的步进调频微波信号，同时实现超高的距离分辨率与方位分辨率。
附图说明
图1为本发明雷达探测装置的结构原理示意图；
图2为本发明雷达探测装置一个优选实施例的结构示意图；
图3为移频环路输出光信号的频谱示意图；
图4为上下两路光信号耦合后的频谱示意图；
图5为光脉冲与单边带调制模块产生光信号的时间对应关系示意图；
图6为产生步进调频微波信号的时频图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是充分结合光子技术的大带宽和电子技术的精细调控优势，突破传统MIMO雷达的带宽瓶颈，实现快速的高分辨率探测。
本发明所提出的步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测方法，具体如下：
在发射端，将具有n个波长分量的连续波光信号分为两路，将第一路调制为周期和脉宽分别是Tpr和Tpw的光脉冲后进行循环频移，对第二路中的每个波长分量分别引入频移Δfi后，i＝1，2，…，n，用调频斜率、周期和脉宽分别为γ、Tcr和Tcw的线性调频微波信号对该路光信号进行单边带调制，并令以下条件得到满足：Tpr＝MTcr＝MTL≥NmaxTL和TL≥Tpw≥Tcw；将两路光信号合为一路后再分为两路，一路作为光参考信号，另一路解波分复用为n路波长分量，并分别光电转换为步进调频微波信号后发射至探测空间；其中，M为正整数，Nmax为所述循环频移的最大循环次数，TL为所述循环频移的单次循环移频延时，所引入的相邻的两个频移差值大于目标回波延时τ与调频斜率γ之积γτ，所述n个波长分量两两之间所对应频率间隔远大于所述步进调频微波信号的带宽；
在接收端，用m个接收天线收集的目标回波分别对所述光参考信号进行调制，并将调制后的信号解波分复用；将具有相同载频的光信号分别进行平衡光电探测，得到m×n个去斜信号；对去斜信号进行处理得到目标信息；所述m、n均为大于等于2的正整数。
下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了本发明雷达探测装置的基本结构，图中的虚线表示电通路，实线表示光通路。如图1所示，本发明雷达探测装置包括：
多波长连续波激光产生模块，用于生成具有n个波长分量的连续波光信号并将其分为两路；
多波长循环移频模块，用于将第一路连续波光信号调制为周期和脉宽分别是Tpr和Tpw的光脉冲后进行循环频移；
多波长移频模块，用于对第二路连续波光信号中的每个波长分量分别引入频移Δfi，i＝1，2，…，n；
单边带调制模块，用于用调频斜率、周期和脉宽分别为γ、Tcr和Tcw的线性调频微波信号对多波长移频模块输出的光信号进行单边带调制；Tpr＝MTcr＝MTL≥NmaxTL且TL≥Tpw≥Tcw，其中，M为正整数，Nmax为所述循环频移的最大循环次数，TL为所述循环频移的单次循环移频延时，所述n个波长分量两两之间所对应频率间隔远大于所述步进调频微波信号的带宽，所引入的相邻的两个频移差值大于目标回波延时τ与调频斜率γ之积γτ；
光电转换模块，用于将多波长循环移频模块和单边带调制模块所输出光信号的合路信号的一路分束信号解波分复用为n路波长分量，并分别光电转换为步进调频微波信号；
n个发射天线，用于将所述步进调频微波信号发射至探测空间；
m个接收天线，用于接收目标回波信号；
m个微波光子去斜接收模块，用于用m个接收天线收集的目标回波分别对多波长循环移频模块和单边带调制模块所输出光信号的合路信号的另一路分束信号进行调制，并将调制后的信号解波分复用；将具有相同载频的光信号分别进行平衡光电探测，得到m×n个去斜信号；所述m、n均为大于等于2的正整数；信号处理模块，用于对去斜信号进行处理得到目标信息。
上述技术方案中的各功能模块可基于实际需求，采用各种可行的现有技术构建。
优选地，所述多波长循环移频模块包括光开关和一个由移频器、光放大器和光多通带滤波器组成的移频环路。
优选地，所述多波长移频模块包括：
第一光波分复用器，用于将第二路连续波光信号分为n个波长分量；
n个移频器，用于对所述n个波长分量分别引入频移Δfi；
第二光波分复用器，用于将移频后的n个波长分量合为一路。
优选地，所述单边带调制模块为级联的强度调制器和光滤波器，或为双平行强度调制器。
优选地，所述微波光子去斜接收模块包括一个工作在正交偏置点的双输出强度调制器，用于用回波信号对所述分束信号进行调制。
为便于公众理解，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：
本实施例雷达探测装置的具体结构如图2所示，其由多波长连续波激光产生模块(包含激光器、光波分复用器)、多波长循环移频模块(包含光开关、移频器、光放大器、光多通带滤波器)、多波长移频模块(包含光波分复用器、移频器)、单边带调制模块(包含强度调制器、光滤波器)、光电转换模块(包含光波分复用器、光电探测器、放大器)、微波光子去斜接收模块(包含双输出强度调制器、光波分复用器、平衡光电探测器、放大器)、信号处理模块、发射天线、接收天线组成。图2单边带调制模块中的线性调频微波信号由电信号发生器产生。
首先，不同波长的n个激光器产生的连续波光信号(波长分别为λi，频率fLi＝v/λi，其中i＝1，2，…，n；v为光信号的传播速度)通过光波分复用器合为一路，其中，n个波长两两之间所对应频率间隔，即fLi+1-fLi，应远大于系统所产生步进调频微波信号的带宽。该连续波光信号被进一步分为两路，其中，上路光信号经过光开关调制成周期为Tpr、脉宽为Tpw的光脉冲。该光脉冲注入到由移频器、光放大器和光多通带滤波器首尾相连的移频环路中，其中，光放大器用于补偿环路的功率损耗以使移频环路的开环增益为1，光多通带滤波器具有与激光器的n个波长相对应的n个通带。假设移频器引入的频移为+Δf，光多通带滤波器的每个通带带宽为BOBPF，则光脉冲在移频环路中循环的最大次数为Nmax＝[BOBPF/Δf]+1，其中[x]表示向下取整。此外，还需保证在光脉冲进入光移频环路之前，环路中没有残余的光脉冲信号，亦即，在光脉冲信号的前沿注入光移频环路之前，上一个光脉冲信号的后沿已经离开了光移频环路。所以，需要同时满足Tpr≥NmaxTL和TL≥Tpw，其中，TL表示光脉冲信号在光移频环路中的延时。因此，移频环路输出的光信号可表示为：
Figure BDA0003118631650000071
其中，EPL表示脉冲信号的幅度，
Figure BDA0003118631650000072
表示第k个光脉冲信号的初始相位。移频环路输出的光信号频谱如图3所示，其中，虚线为多通带滤波器的频率响应，频率fLi+(k+1)Δf处的谱线出现在不同时刻上，为方便表示将其同时画出。
下路的光信号首先经过第一光波分复用器，从而将n个波长的光信号分开。每个波长的光信号分别经过一个移频器引入不同的频移Δfi，再经过第二光波分复用器合为一路。合路后的光信号发送至单边带调制模块，该模块可由电信号发生器产生一窄带的线性调频微波信号驱动工作在载波抑制单边带状态的双平行强度调制器实现，也可以由所述线性调频信号驱动强度调制器再级联光滤波器的方案实现。假设线性调频微波信号的中心频率和调频斜率分别为fc和γ，则载波抑制单边带调制(以-1阶边带为例)模块的输出信号为：
Figure BDA0003118631650000073
其中，其中ECW为光信号的幅值，Tcr和Tcw分别为线性调频微波信号的周期和脉冲宽度。
使光移频环路产生的光脉冲信号应和载波抑制单边带调制模块产生的光信号在时间上一一对应，如时频图5所示。因此，上下两路的信号还需满足条件，Tpr＝MTcr＝MTL和Tpw≥Tcw，其中，M为正整数。将上下两路的光信号耦合为一路后再分为两路，频谱如图4所示，其中一路进一步分为m路，作为光参考信号分别发送至m个微波光子去斜接收模块。另外一路经过波分复用器后发送至光电探测器便可产生n个步进调频微波信号，其时频关系如图6所示，表达式为：
Figure BDA0003118631650000081
其中，fck＝fc+(k+1)Δf-Δfi。
将产生的步进调频微波信号放大后通过发射天线辐射至探测空间，并使用m个接收天线同时收集目标的反射回波。在微波光子去斜接收模块中，接收天线收集的目标回波经放大器放大后通过双输出调制器对光参考信号进行调制，其中，双输出调制器工作在正交偏置点。双输出调制器的两个输出分别通过一个光波分复用器分为n路，然后，将相同通带的光信号发送至平衡光电探测器，从而实现对目标回波的去斜处理。n个发射天线到m个接收天线之间有m×n条路径，因此可以得到m×n个去斜信号。为避免高频分量对去斜信号的影响，还需使平衡光电探测器的带宽小于fLi-fLi-1。假设m×n条路径的延时分别为τx，其中，其中，x＝1，2，…，m×n，则去斜后的信号可以表示为：
Figure BDA0003118631650000082
这里平衡光电探测器的使用，可以消除共模噪声，有效提高去斜信号的信噪比。将得到的m×n个去斜信号发送至信号处理模块即可提取目标的信息，此为现有成熟技术，为节省篇幅起见，此处不再赘述。

Claims (10)

1.步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测方法，其特征在于，
在发射端，将具有n个波长分量的连续波光信号分为两路，将第一路调制为周期和脉宽分别是Tpr和Tpw的光脉冲后进行循环频移，对第二路中的每个波长分量分别引入频移Δfi后，i＝1，2，…，n，用调频斜率、周期和脉宽分别为γ、Tcr和Tcw的线性调频微波信号对该路光信号进行单边带调制，并令以下条件得到满足：Tpr＝MTcr＝MTL≥NmaxTL和TL≥Tpw≥Tcw；将两路光信号合为一路后再分为两路，一路作为光参考信号，另一路解波分复用为n路波长分量，并分别光电转换为步进调频微波信号后发射至探测空间；其中，M为正整数，Nmax为所述循环频移的最大循环次数，TL为所述循环频移的单次循环移频延时，所引入的相邻的两个频移差值大于目标回波延时τ与调频斜率γ之积γτ，所述n个波长分量两两之间所对应频率间隔远大于所述步进调频微波信号的带宽；
在接收端，用m个接收天线收集的目标回波分别对所述光参考信号进行调制，并将调制后的信号解波分复用；将具有相同载频的光信号分别进行平衡光电探测，得到m×n个去斜信号；对去斜信号进行处理得到目标信息；所述m、n均为大于等于2的正整数。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述循环移频通过一个由移频器、光放大器和光多通带滤波器组成的移频环路实现。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述对第二路中的每个波长分量分别引入频移Δfi，通过以下方法实现：将第二路光信号解波分复用得到n个波长分量，然后分别使用移频器对各个波长分量进行移频，再将移频后的n个波长分量合为一路。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述单边带调制通过级联的强度调制器和光滤波器实现，或通过双平行强度调制器实现。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，各个接收天线收集的目标回波分别通过一个工作在正交偏置点的双输出强度调制器对光参考信号进行调制。
6.步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测装置，其特征在于，包括：
多波长连续波激光产生模块，用于生成具有n个波长分量的连续波光信号并将其分为两路；
多波长循环移频模块，用于将第一路连续波光信号调制为周期和脉宽分别是Tpr和Tpw的光脉冲后进行循环频移；
多波长移频模块，用于对第二路连续波光信号中的每个波长分量分别引入频移Δfi，i＝1，2，…，n；
单边带调制模块，用于用调频斜率、周期和脉宽分别为γ、Tcr和Tcw的线性调频微波信号对多波长移频模块输出的光信号进行单边带调制；
Tpr＝MTcr＝MTL≥NmaxTL且TL≥Tpw≥Tcw，其中，M为正整数，Nmax为所述循环频移的最大循环次数，TL为所述循环频移的单次循环移频延时，所述n个波长分量两两之间所对应频率间隔远大于步进调频微波信号的带宽，所引入的相邻的两个频移差值大于目标回波延时τ与调频斜率γ之积γτ；
光电转换模块，用于将多波长循环移频模块和单边带调制模块所输出光信号的合路信号的一路分束信号解波分复用为n路波长分量，并分别光电转换为步进调频微波信号；
n个发射天线，用于将所述步进调频微波信号发射至探测空间；
m个接收天线，用于接收目标回波信号；
m个微波光子去斜接收模块，用于用m个接收天线收集的目标回波分别对多波长循环移频模块和单边带调制模块所输出光信号的合路信号的另一路分束信号进行调制，并将调制后的信号解波分复用；将具有相同载频的光信号分别进行平衡光电探测，得到m×n个去斜信号；所述m、n均为大于等于2的正整数；
信号处理模块，用于对去斜信号进行处理得到目标信息。
7.如权利要求6所述步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测装置，其特征在于，所述多波长循环移频模块包括光开关和一个由移频器、光放大器和光多通带滤波器组成的移频环路。
8.如权利要求6所述步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测装置，其特征在于，所述多波长移频模块包括：
第一光波分复用器，用于将第二路连续波光信号分为n个波长分量；
n个移频器，用于对所述n个波长分量分别引入频移Δfi；
第二光波分复用器，用于将移频后的n个波长分量合为一路。
9.如权利要求6所述步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测装置，其特征在于，所述单边带调制模块为级联的强度调制器和光滤波器，或为双平行强度调制器。
10.如权利要求6所述步进调频体制微波光子宽带MIMO雷达探测装置，其特征在于，所述微波光子去斜接收模块包括一个工作在正交偏置点的双输出强度调制器，用于用回波信号对所述分束信号进行调制。
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