CN113589309B - 一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，在发射端，利用马赫‑曾德调制器对任意波形发生器产生的中频线性调频信号进行二倍频操作，产生具有大瞬时带宽雷达探测信号。在接收端，利用基线长度为d的两个接收天线同时捕获非合作目标反射的回波信号，并作为双驱动马赫‑曾德调制器的驱动信号。通过在第一接收天线和双驱动马赫‑曾德调制器上臂子PM之间引入一段长度固定的辅助电缆，实现了目标正负方向的判定。最后，利用接收到的回波信号与参考信号的关系实现非合作目标距离和方向的同时探测，并完成非合作目标的空间定位。

Description

一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法
技术领域
本发明提出了一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，该方法属于微波光子与雷达相交叉的技术领域。
背景技术
雷达是一种实现远距离、大范围目标探测、成像、跟踪和识别的主要方法，具有全天时、全天候的优势。随着军事和民用领域技术的发展，对现代雷达系统具有了更进一步的需求，例如高分辨率、实时性和多功能，相应的就需要雷达系统具有更大的瞬时带宽、更快的数据处理速度和更高的集成度。然而受限于电子学瓶颈，传统雷达系统在宽带雷达信号产生、处理、高速率数据采集和多功能集成方面都无法胜任。微波光子学是一门研究利用光子系统产生、处理、传输和控制微波信号的学科，具有大带宽、低损耗、重量轻、小体积和抗电磁干扰等优势。近年来，通过将微波光子技术和雷达技术相结合，雷达系统实现了更进一步的飞跃。
在实际应用中，为了确定非合作目标的空间位置，要求雷达系统不仅要探测目标的距离信息，还要测量目标的方向信息。虽然目前一些集成了多种功能的微波光子雷达探测方法已经被提出，例如：结合了雷达探测与频率测量的微波光子雷达探测方法、结合了多普勒频移与微波到达角测量的微波光子雷达探测方法、结合了距离、速度探测和通信功能的微波光子雷达探测方法等；但基于微波光子的雷达探测功能和方向测量功能通常由独立的方法实现，这将很大程度上加大方法的复杂度和功耗；而且基于这两种独立的方法所搭建的对非合作目标进行探测的链路具有更大的体积和重量，十分不利于在军事及民用环境中的应用。
发明内容
为了解决现有方法中基于微波光子的雷达探测功能和方向测量功能通常由独立的部分实现，从而导致现有方法的复杂度较高，功耗较大，且基于现有方法所搭建的探测链路具有更大的体积和重量，不利于在军事及民用环境中的应用的问题。本发明提出了一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，将微波光子测向方法和微波光子雷达探测方法相结合，利用单个雷达探测信号同时对目标的距离和方向进行探测，最终实现非合作目标的空间定位。
本发明具体技术方案如下：
一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，所述方法的具体实现链路包括激光器、马赫-曾德尔调制器MZM、任意波形发生器、光耦合器OC、第一光电探测器、电功率放大器、发射天线、双驱动马赫-曾德尔调制器DD-MZM、第一接收天线RA1、第一低噪声放大器、辅助电缆、第二接收天线RA2、第二低噪声放大器、第二光电探测器、低通滤波器和信号采集与处理模块，其中，DD-MZM包括上臂子PM和下臂子PM，辅助电缆满足：nLL＞d，其中nL为辅助电缆的折射率，L为电缆长度，d为RA1和RA2之间的基线长度，所述方法包括以下步骤：
步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号，具体如下：
激光器产生的光信号注入马赫曾德尔调制器MZM，作为光载波，马赫曾德尔调制器的射频驱动信号为由任意波形发生器产生的中频线性调频信号，调谐直流偏置电压，使MZM工作在最小偏置点，抑制载波和偶次边带；
接下来，利用50:50耦合器OC将MZM的输出信号分成两路，一路注入第一光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号；
最后，先将该信号注入宽带电功率放大器进行放大，再利用发射天线发射到自由空间，作为雷达探测信号。
步骤二：非合作目标距离和方向的探测
利用50:50耦合器OC将MZM输出信号分出的另一路作为参考信号注入双驱马赫曾德调制器DD-MZM做其载波；通过调谐DD-MZM的偏置电压，使DD-MZM的上下两个子PM均工作在正交偏置状态；DD-MZM有两个驱动信号，第一驱动信号为经过第一接收天线RA1、第一低噪声放大器接收到的微波信号，第二驱动信号为经过第二接收天线RA2、第二低噪声放大器接收到的微波信号，所不同的是，第一低噪声放大器和DD-MZM上臂子PM之间引入了一段长为L的辅助电缆，DD-MZM的输出经过第二光电探测和低通滤波器后，利用信号采集与处理模块采集，可得到与非合作目标方向和距离相关的低频信号；接下来，对该信号进行求解，便可同时得到非合作目标的距离和方向信息，最后结合所求结果便可实现非合作目标的空间定位。
所述与目标方向信息和距离信息相关的低频信号频率表示为
式中，
fθ为与目标方向信息相关的低频信号频率，
fR为与目标距离信息相关的低频信号频率，
f1为DD-MZM上臂子PM经过去斜处理后所得低频信号的频率值，
f2为DD-MZM下臂子PM经过去斜处理后所得到的低频信号的频率值，
fL＝2kτL为长L的辅助电缆引入τL的时间延迟而导致信号产生的频率变化，其中k为中频线性调频信号的调频斜率，τL＝nLL/c为辅助电缆所引入的时间延迟，L为电缆的长度，nL为电缆的折射率，c为真空中的光速；
当非合作目标方向与雷达视线的夹角θ为负时，f1＝2k(τR+τL+τθ)和f2＝2kτR
当非合作目标方向与雷达视线的夹角θ为正时，f1＝2k(τR+τL)和f2＝2k(τR+τθ)，
式中，
τR为探测信号由雷达到目标往返传输所引起时间延迟；
τθ为由于目标方向与雷达视线具有一定大小的夹角θ而导致回波信号先后到达两接收天线而产生的时间延迟量。
所述非合作目标的方向信息和距离信息分别表示为
其中，d为两接收天线之间的基线长度，B为所发射雷达探测信号的瞬时带宽，T为所发射雷达探测信号的周期。
本发明在发射端，利用马赫-曾德调制器MZM对任意波形发生器产生的中频线性调频信号进行二倍频操作，产生具有大瞬时带宽的线性调频(LFM)信号，并作为探测信号发射到自由空间。在接收端，利用两个具有固定长度基线的接收天线(RA1、RA2)同时接收非合作目标反射的回波信号，并作为双驱动马赫-曾德调制器DD-MZM的驱动信号。所不同的是，RA1所接收到的回波信号首先要经过一段长为L的辅助电缆，然后作为DD-MZM上路子PM的驱动信号，而RA2所接收到的回波信号直接注入DD-MZM下路子PM中作其驱动信号。最后，利用接收到的回波信号与参考信号的关系实现非合作目标距离和方向的同时探测，并结合距离和方向的探测结果完成非合作目标的空间定位。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，将微波光子测向方法和微波光子雷达探测方法相结合，利用单个雷达探测信号，实现目标距离和方向的同时探测。最后，结合距离和方向探测结果，实现非合作目标的空间定位。相比于现有技术，本发明所述方法在很大程度上降低了方法实现的复杂度和功耗，同时基于现有方法所搭建的探测链路具有更小的体积和更轻的重量，更利于在军事及民用环境中的应用。
本发明通过在第一接收天线和DD-MZM上路子PM的射频驱动口之间引入固定长度的辅助电缆，从而可以有效区分目标的正负方向。在负90°到正90°的极大范围内，实现非合作目标的空间位置探测。
传统的微波光子测向方法主要是通过测量所接收信号的相位信息，从而解算出目标的方向信息；测量精度容易受到激光器功率波动和调制器偏压漂移的影响，且为了实现无模糊的方向测量，要求天线基线长度小于半波长。本发明是基于接收回波信号的频率差完成非合作目标空间定位，对激光器的功率波动和调制器的偏压偏移不敏感，因此具有更好的稳定性；且接收天线的基线长度不必小于半波长，因此可以选择更大孔径的接收天线，从而获得更大的探测范围和更高的探测精度。
附图说明
图1为基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法的链路结构示意图。
图2(a)为非合作目标与雷达视线夹角θ为正时两接收天线所接收到回波信号的示意图；
图2(b)为非合作目标与雷达视线夹角θ为负时两接收天线所接收到回波信号的示意图。
具体实施方式
为了解决现有方法中基于微波光子的雷达探测功能和方向测量功能通常由独立的部分实现，从而导致现有方法的复杂度较高，功耗较大，且基于现有方法所搭建的探测链路具有更大的体积和重量，不利于在军事及民用环境中的应用的问题。本发明提出了一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法将微波光子测向方法和微波光子雷达探测方法相结合，利用单个雷达探测信号同时对目标的距离和方向进行探测，最终实现非合作目标的空间定位。
本发明的基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，过程如下：
窄线宽激光器的产生的光信号进入马赫曾德调制器MZM，做其光载波。所述MZM的驱动信号由任意波形发生器产生，通过调谐直流偏置电压使MZM工作中最小工作状态，从而实现载波及正负一阶边带的抑制。将MZM的输出信号注入50:50耦合器分为两路，其中一路进入第一光电探测器，拍频得到倍频的线性调频信号。将所述倍频线性调频信号经过宽带电放大器放大后利用发射天线发射到自由空间，作为雷达探测信号。另一路作为参考信号注入双驱马赫曾德调制器DD-MZM做其载波；DD-MZM的两个驱动信号分别为基线长度为d的两个接收天线RA1和RA2所接收到的微波信号，所不同的是，RA1和DD-MZM上臂子PM之间引入了一段长为L的辅助电缆。DD-MZM的输出经过光电探测和低通滤波后，利用信号采集与处理模块采集，可得到与非合作目标方向和距离相关的低频信号；接下来，对该信号进行求解，便可同时得到非合作目标的距离和方向信息，最后结合所求结果便可实现非合作目标的空间定位。
为了便于公众理解，下面结合附图和数学推导对本发明做进一步说明：
图1为本发明的基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法的链路结构示意图，包括激光器、马赫-曾德尔调制器MZM、任意波形发生器、光耦合器OC、第一光电探测器、电功率放大器、发射天线、双驱动马赫-曾德尔调制器DD-MZM、第一接收天线RA1、第一低噪声放大器、辅助电缆、第二接收天线RA2、第二低噪声放大器、第二光电探测器、低通滤波器和信号采集与处理模块。
利用图1所示的链路结构，完成基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法过程如下：
步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号；
连续波激光器产生的光信号可以被表示为E(t)＝E0exp(jωct)，E0和ωc分别为该光信号的振幅和中心角频率；光信号注入一个马赫曾德尔调制器MZM，作为光载波，该马赫曾德尔调制器的射频驱动信号为由任意波形发生器产生的中频线性调频信号，可表示为：
式中，VLFM、T、f0和k分别为中频线性调频信号的幅值、持续时间、初始频率和调频斜率；为矩形函数，表示所述信号的包络信息。调谐直流偏置电压，使MZM工作在最小偏置点，抑制载波和偶次边带，在小信号的条件下，MZM的输出信号可表示为
式中m为MZM的调制系数，即m＝πVLFM/Vπ1，Vπ1为MZM的半波电压。
接下来，利用50:50耦合器OC将该信号分成两路，一路注入第一光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号，其可表示为
对该信号的相位项求导，可得到倍频后线性调频信号的瞬时频率为fLFM(t)＝2(f0+kt)。最后，先将该信号注入宽带电功率放大器进行放大，再利用发射天线发射到自由空间，作为雷达探测信号。
步骤二：非合作目标距离和方向的探测
将OC输出的另外一路光信号注入接收端的双驱动马赫-曾德尔调制器DD-MZM作为参考信号；该信号入射进DD-MZM后，功率等分的进入上下两个子PM。当非合作目标与雷达视线的夹角为θ或-θ时，若直接将第一接收天线RA1和第二接收天线RA2所接收到的回波信号作为DD-MZM上下两个子PM的驱动信号，去斜处理后所得到的低频信号频谱信息将完全相同，导致无法正确区分出目标的正负方向信息。为了解决这一问题，我们将RA1所接收到的回波信号利用第一低噪声放大器放大并经过一段长度固定的辅助电缆后，作为DD-MZM上臂子PM的驱动信号；RA2所接收到的回波信号利用第二低噪声放大器放大后直接注入DDMZM的下臂子PM作其驱动信号，值得注意的是RA1和RA2之间的基线长度为d。当非合作目标的空间位置与RA1和RA2的视线具有一定大小的夹角θ时，目标的回波信号到达两接收天线的是时间将会具有一定量延迟，如图2所示。
当目标处于雷达视线不同方向时，DD-MZM上下两臂的驱动信号可分别表示为
由图2可知，非合作目标处于雷达视线正负方向时t1和t2的值具有不同的表达形式，当0°＜θ≤90°时，有
当-90°＜θ≤0°时，有
式中，τR为探测信号由雷达到目标往返传输所引起时间延迟；τL＝nLL/c为辅助电缆所引入的时间延迟，L为电缆的长度，nL电缆的折射率；τθ为由于目标方向与雷达视线具有一定大小的夹角θ而导致回波信号先后到达两接收天线而产生的时间延迟量。
通过调谐DD-MZM的偏置电压，使DD-MZM的上下两个子PM均工作在正交偏置状态；利用第二光电探测器对DD-MZM的输出信号进行光电转换，并利用低通滤波器对光电探测器的输出信号进行滤波，最终实现回波信号的去斜处理。当非合作目标处于雷达视线正方向，即0°＜θ≤90°时，低通滤波器的输出信号可表示为
当非合作目标处于雷达视线负方向，即-90°＜θ≤0°时，低通滤波器的输出信号可表示为
式中mU为DD-MZM上臂子PM的调制系数，即mU＝πVRU/Vπ2，VRU为RA1所接收回波信号经过放大后的幅值，Vπ2为DD-MZM的半波电压；mL为DD-MZM下臂子PM的调制系数，即mL＝πVRD/Vπ2，VRD为RA2所接收回波信号经过放大后的幅值。
令f1为DD-MZM上路子PM经过去斜处理后所得低频信号的频率值，f2为DD-MZM下路子PM经过去斜处理后所得到的低频信号的频率值。结合(6)式和(7)式我们可以得知，当非合作目标方向与雷达视线的夹角θ为负时，低通滤波后所得到去斜信号的频率为f1＝2k(τR+τL+τθ)和f2＝2kτR；从这两个频率表达式我们可以看出，随着角度θ的增大，f2始终大于f1。当非合作目标方向与雷达视线的夹角θ为正时，低通滤波后所得到去斜信号的频率为f1＝2k(τR+τL)和f2＝2k(τR+τθ)；此时，随着角度θ的增大，f2将逐渐接近f1。在实际应用中，当得到一个具有两个频率峰值的频谱时，为了能够准确判断f1和f2与两个频率峰的对应关系从而避免产生测距测向模糊，我们要求f1与f2之间仅存在一种大小关系，即f2始终大于f1。为了实现这一条件，辅助电缆应满足：nLL＞d，其中nL为辅助电缆的折射率。
接下来，令fL＝2kτL为长L的辅助电缆引入τL的时间延迟而导致信号产生的频率变化。通过比较f1-f2与fL的大小关系，便可判定非合作目标与雷达视线夹角θ的正和负，具体判定方法为：当f1-f2＜fL时，目标处于雷达视线的正方向，即0°＜θ≤90°；当f1-f2＞fL时，目标处于雷达视线的负方向，即-90＜θ≤0°。
完成非合作目标正负方向判定后，当θ分别为正和负时，与目标方向信息和距离信息相关的低频信号频率可表示为
式中，fθ为与目标方向信息相关的低频信号频率，fR为与目标距离信息相关的低频信号频率。
根据公式(9)，我们便可以解算出非合作目标的方向信息和距离信息，可分别表示为
其中，d为RA1和RA2之间的基线长度，B为所发射雷达探测信号的瞬时带宽，T为所发射雷达探测信号的周期。
最后，结合公式(10)所计算得到的非合作目标方向信息和距离信息，便可实现非合作目标空间位置的定位。
综上所述，本发明提出了一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，此方法将微波光子测向方法和微波光子雷达探测方法相结合，利用单个雷达探测链路，同时对目标的距离和方向进行探测。最后，通过结合距离和方向探测结果，实现非合作目标的空间定位。

Claims (3)

1.一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，基于空间位置探测链路，所述链路包括激光器、马赫-曾德尔调制器MZM、任意波形发生器、光耦合器OC、第一光电探测器、电功率放大器、发射天线、双驱动马赫-曾德尔调制器DD-MZM、第一接收天线RA1、第一低噪声放大器、辅助电缆、第二接收天线(RA2)、第二低噪声放大器、第二光电探测器、低通滤波器和信号采集与处理模块，其中，DD-MZM包括上臂子PM和下臂子PM，辅助电缆满足：nLL>d，其中nL为辅助电缆的折射率，L为电缆长度，d为RA1和RA2之间的基线长度，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号，具体如下：
激光器产生的光信号注入马赫曾德尔调制器MZM，作为光载波，马赫曾德尔调制器的射频驱动信号为由任意波形发生器产生的中频线性调频信号，调谐直流偏置电压，使MZM工作在最小偏置点，抑制载波和偶次边带；
接下来，利用50:50耦合器OC将MZM的输出信号分成两路，一路注入第一光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号；
最后，先将该信号注入宽带电功率放大器进行放大，再利用发射天线发射到自由空间，作为雷达探测信号；
步骤二：非合作目标距离和方向的探测
利用50:50耦合器OC将MZM输出信号分出的另一路作为参考信号注入双驱马赫曾德调制器DD-MZM做其载波；通过调谐DD-MZM的偏置电压，使DD-MZM的上下两个子PM均工作在正交偏置状态；DD-MZM有两个驱动信号，第一驱动信号为经过第一接收天线RA1、第一低噪声放大器接收到的微波信号，第二驱动信号为经过第二接收天线RA2、第二低噪声放大器接收到的微波信号，所不同的是，第一低噪声放大器和DD-MZM上臂子PM之间引入了一段长为L的辅助电缆，DD-MZM的输出经过第二光电探测和低通滤波后，利用信号采集与处理模块采集，可得到与非合作目标方向和距离相关的低频信号；接下来，对该信号进行求解，便可同时得到非合作目标的距离和方向信息，最后结合所求结果便可实现非合作目标的空间定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，其特征在于：所述与非合作目标方向信息和距离信息相关的低频信号频率表示为
式中，
fθ为与目标方向信息相关的低频信号频率，
fR为与目标距离信息相关的低频信号频率，
f1为DD-MZM上臂子PM经过去斜处理后所得低频信号的频率值，
f2为DD-MZM下臂子PM经过去斜处理后所得到的低频信号的频率值，
fL＝2kτL为长L的辅助电缆引入τL的时间延迟而导致信号产生的频率变化，其中k为中频线性调频信号的调频斜率，τL＝nLL/c为辅助电缆所引入的时间延迟，L为电缆的长度，nL为电缆的折射率，c为真空中的光速；
当非合作目标方向与雷达视线的夹角θ为负时，f1＝2k(τR+τL+τθ)和f2＝2kτR
当非合作目标方向与雷达视线的夹角θ为正时，f1＝2k(τR+τL)和f2＝2k(τR+τθ)，
式中，
τR为探测信号由雷达到目标往返传输所引起时间延迟；
τθ为由于目标方向与雷达视线具有一定大小的夹角θ而导致回波信号先后到达两接收天线而产生的时间延迟量。
3.根据权利要求2所述的一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法，其特征在于：所述非合作目标的方向信息和距离信息分别表示为
其中，d为两接收天线之间的基线长度，B为所发射雷达探测信号的瞬时带宽，T为所发射雷达探测信号的周期。
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