CN114280588A - 一种微波光子多频段阵列雷达实现方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波光子多频段阵列雷达实现方法，包括，包括，步骤a，利用微波光子技术以生成多频段雷达波形信号；步骤b，光本振延时器对所述多频段雷达波形信号进行延时；步骤c，多频段共孔径天线将经过延时的多频段雷达波形信号进行发射并接收回波信号；步骤d，雷达回波光处理模块对回波信号进行处理以得到目标信息；还涉及一种微波光子多频段阵列雷达系统包括频段可调宽带波形光产生模块、1×2光耦合器、光本振延时器、1×N光耦合器、光环形器、多频段共孔径天线、光真延时网络、雷达回波光处理模块以及显控与数据处理终端。

Description

一种微波光子多频段阵列雷达实现方法与系统

技术领域

本发明涉及微波光子雷达技术领域，尤其涉及一种微波光子多频段阵列雷达实现方法和系统。

背景技术

微波光子技术是微波技术和光子技术的交叉领域，利用光子技术来解决传统微波电子在信号产生、传输和处理方面存在的不足，该技术具有低相噪、超宽带、多频段及低损耗技术特征。因此，基于微波光子技术构建的微波光子雷达已成为国内外研究热点。近年来，有不同的微波光子雷达系统被报道，如首台全光架构多频段雷达(GhelfiP.,LaghezzaF.,Scotti F.,Serafino G.,Capria A.,Pinna S.,Onori D.,Porzi C.,Scaffardi M.,Malacarne A.A fully photonics-based coherent radar system[J].Nature,2014,507(7492):341-5)、超宽带成像雷达(Wang A.,Wo J.,Luo X.,Wang Y.,Cong W.,Du P.,ZhangJ.,Zhao B.,Zhang J.,Zhu Y.,Lan J.,Yu L.Ka-band microwave photonic ultra-wideband imaging radar for capturing quantitative target information[J].OptExpress,2018,26(16):20708-17)、分布式MIMO雷达(Maresca S.,Scotti F.,SerafinoG.,Lembo L.,Malacarne A.,Falconi F.,Ghelfi P.,Bogoni A.Coherent MIMO radarnetwork enabled by photonics with unprecedented resolution[J].Opt Lett,2020,45(14):3953-6)等不同系统，但由于敏感性，阵列体制微波光子雷达公开技术性报道还未见到。虽然微波光子相控阵雷达相关一些专利(王凯,刘登宝,李琳,王蕾.一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统[P].安徽省：CN211880393U,2020-11-06；沈明亚.一种光子微波相控阵收发系统及其方法[P].江苏省：CN106027134B,2019-09-20；邹卫文,于磊,陈建平.基于光子参量采样的相控阵雷达接收装置[P].上海市：CN109085546A,2018-12-25)，但不具有多频段一体功能系统。

发明内容

为此，本发明提供一种微波光子多频段阵列雷达实现方法和系统，用以克服现有技术中传统微波电子在信号产生、传输和处理方面存在的不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种微波光子多频段阵列雷达实现方法，包括，

步骤a，利用微波光子技术以生成多频段雷达波形信号；

步骤b，光本振延时器对所述多频段雷达波形信号进行延时；

步骤c，多频段共孔径天线将经过延时的多频段雷达波形信号进行发射并接收回波信号；

步骤d，雷达回波光处理模块对回波信号进行处理以得到目标信息。

进一步地，所述多频段光载雷达波形信号包括第一部分和第二部分；

所述第一部分，进入光真延时网络以实现波束形成所需的延时，经光电转换以形成电发射波形，经相应多频段天线进行辐射；

所述第二部分，进入所述光本振信号多频段阵列的前端，将目标反射的回波经低噪声放大器放大后在光本振上进行调制，调制后的回波信号在所述光本振上通过光真延时网络延时以形成波束。

进一步地，所述光真延时网络，其由光纤器件或硅基波导集成器件构成，通过光延时介质实现的延时网络。

进一步地，所述多频段共孔径天线的实现方式为基于印刷电路板或波导的电磁超构材料或超构表面。

进一步地，所述多频段天线的孔径结构为子单元交错排布或子单元共孔径。

进一步地，一种微波光子多频段阵列雷达系统，包括，

频段可调宽带波形光产生模块，利用微波光子技术以发射多频段雷达波形信号；

1×2光耦合器，其与所述频段可调宽带波形光产生模块连接用以将多频段雷达波形信号分成两部分；

光本振延时器，其与所述1×2光耦合器连接用以对多频段雷达波形信号进行延时；

1×N光耦合器；其设置为两个，第一1×N光耦合器和第二1×N光耦合器分别与所述光本振延时器和光真延时网络相连用以将多频段雷达波形信号分成N个部分；

光环形器，其设置为若干个用以输送多频段雷达波形信号；

多频段共孔径前端，其与所述第一1×N光耦合器相连用以将多频段雷达波形信号转换为电发射信号并接收电发射信号的空间符合和目标回波；

光真延时网络，其与所述多频段共孔径前端相连用以对N路光载射频信号进行延时；

雷达回波光处理模块，其与所述光环形器相连用以将回波信号转换为电信号并将转换后的数字信号发送至显控与数据处理终端；

显控与数据处理终端，其与所述雷达回波光处理模块相连用以显示目标信号并控制系统运行。

进一步地，所述频段可调宽带波形光产生模块包括连续波光源、相位调制器1、光滤波器1、相位调制器2、光滤波器2和一双输出射频信号源。

进一步地，所述光滤波器由光纤光栅或可编程光滤波器双带通光滤波器构成，所述双输出射频信号源为两个相参的射频源。

进一步地，所述多频段共孔径前端包括多个频段天线阵元和相应的光电阵列单元，所述多频段共孔径前端每个频段天线阵元数的和为N或所有频段阵元数的和为N。

进一步地，所述雷达回波光处理模块包括光域信号处理功能单元、光电探测器0、射频滤波放大器和模数转换器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明将基于超材料实现的多频段共孔径前端和微波光子多频段波形产生和处理能力优势结合构建共天线孔径的微波光子频段可调宽带阵列雷达，能在一套系统中实现多频吨工作结合天线的共孔径实现方式可显著降低系统复杂度和造价，并能充分发挥多频段探测优势及满足机载平台运用。

附图说明

图1为本发明所述一种微波光子多频段阵列雷达实现方法的流程示意图；

图2为本发明一种微波光子多频段阵列雷达系统工作流程示意图；

图3为本发明一种微波光子多频段阵列雷达系统总体结构原理图；

图4为本发明频段可调宽带波形光产生模块结构原理图；

图5为本发明频段可调宽带波形光产生模块多次切换参数产生的从P波段到Ka波段线性调频波形；

图6为本发明雷达回波光处理模块结构原理图；

图7为本发明雷达回波光处理模块结构实现的P波段700MHz带宽回波自闭环接收混频结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，为本发明实施例的一种微波光子多频段阵列雷达实现方法流程示意图，包括，

步骤a，利用微波光子技术以生成多频段雷达波形信号；

步骤b，光本振延时器对所述多频段雷达波形信号进行延时；

步骤c，多频段共孔径天线将经过延时的多频段雷达波形信号进行发射并接收回波信号；

步骤d，雷达回波光处理模块对回波信号进行处理以得到目标信息。

具体而言，利用多组光频对信号并行拍频或频域特性可调光频对信号实现多频段雷达波形的同时或切换光域产生，将所产生的光载雷达波形信号分成两部分：一部分进入光真延时网络实现波束形成所需的延时，之后经光电转换成电发射波形，再经相应频段天线辐射出去；一部分作为光本振信号进入多频段阵列前端，目标反射回的回波经低噪声放大器放大后直接调制到光本振上，调制有回波信号的光本振经延时网络延时实现波束形成，进一步利用光电探测器的拍频效应实现光本振信号与回波信号的光域混频，混频后的电中频或基带信号送进模数转换模块进行数字化转换，依靠数据处理算法实现对目标信息的提取。

所提方法的特征是将微波光子技术实现多频段雷达波形产生、延时与接收和基于超材料实现的多频段共孔径天线结合来构建微波光子阵列雷达系统。

所述光真延时网络是利于光延时介质实现的延时网络，可以是光纤等光纤器件也可是硅基波导等集成器件。

所述多频段天线是基于超材料技术实现的多频段共孔径天线，其实现材料可以是印刷电路板或波导，结构可以是子单元交错排布或子单元共孔径。

所述模数转换模块实现方式可以是电采样电量化、光采样电量化或光采样光量化。

请参阅图2-3所示，一种微波光子技术的多频段共孔径雷达系统由频段可调宽带波形光产生模块、1×2光耦合器、可调光本振延时模块、1×N光耦合器1、光环形器0、1×N光耦合器2、光真延时网络、多频段共孔径前端、雷达回波光处理模块和显控与数据处理终端构成。

具体而言，可调光本振延时模块为由光开关和光延时介质构成的延时通路，延时介质可为光纤或其他光波导，可调光延时模块的输出送入1×N光耦合器1。1×N光耦合器1将光信号分成N路分别送至多频段共孔径前端。

光环形器0将1×2光耦合器输出来的光信号从输出口2送进1×N光耦合器2，1×N光耦合器2再将光信号光延时网络，光延时网络为由光开关和光延时介质组成的N路延时网，完成对N路光载射频信号的真延时，每一路延时后的光信号均送入多频段共孔径前端。

多频段共孔径前端由基于超材料实现的空间上复合的多个频段天线阵元和相应的光电阵列单元构成，其阵元数加起来≥N，每个阵元均配有由光环形器、光电探测器、TR组件、电光调制器和相关连接线组成的光电阵列单元，光环行器将从1口进入的由光延时网络延时后的光信号送入光电探测器产生雷达发射信号，光电探测器的输出送进TR组件后进入天线阵元；经目标反射的回波经天线接收后进入TR组件，TR组件将回波信号送至电光调制器，电光调制器的光输入信号来自1×N光耦合器1输出，电光调制器的输出再次送至环形器，环形器将光信号再送进光延时网络，光延时网络将信号延时后送进1×N光耦合器2，1×N光耦合器2再将信号送至光环行器0，光信号从环形器3号口出来后进入雷达回波光处理模块。

所述多频段共孔径前端每个频段天线阵元数和可以为N，也可以所有频段阵元数加起来为N。

雷达回波光处理模块主要有光域信号处理功能单元、光电探测器0、射频滤波放大器和模数转换器构成。光域信号处理单元对环形器0送来的光信号进行光域处理，之后将处理后的光信号送至光电探测器0，光电探测器0将光信号转化成电信号后送至射频滤波放大器，射频滤波放大器的输出送至模数转换器，模数转换器将转换后的数字信号送至显控与数据处理终端构成。

所述光域信号处理功能单元可以根据具体情况实现，也可直接为光信号传输通道。

显控与数据处理终端构成完成目标信号的现实和整个雷达系统工作时序的控制。

所述系统中各元器件连接可以基于光纤、射频电缆或波导连接，也可基于光集成工艺或射频集成工艺实现的模块实现。

请参阅图4所示，为本发明实施例的频段可调宽带波形光产生模块结构原理图，频段可调宽带波形光产生模块由连续波光源、相位调制器1、光滤波器1、相位调制器2、光滤波器2和一双输出射频信号源构成，其中连续波光源输出送入相位调制器1，相位调制器1射频输入由双输出射频信号源提供，相位调制器1输出送至光滤波器1，光滤波器1输出送至相位调制器2，相位调制器2的射频输入也由双输出射频信号源提供，相位调制器2的输出送入光滤波器2，光滤波器2的输出通过1×2光耦合器分成两路分别送进可调光本振延时模块和光环形器0。

所述连续波光源为半导体激光器、光纤激光器或其他单频激光器。

所述光滤波器1为基于光纤光栅或可编程光滤波器或其他光滤波器实现的双带通光滤波器。

所述双输出射频信号源可由两个相参的射频源代替。

请继续参阅图5所示，为本发明频段可调宽带波形光产生模块多次切换参数产生的从P波段到Ka波段线性调频波形，频段可调宽带波形光产生模块主要由半导体激光器(IDphotonics，CoBrite DX4)、相位调制器1(EOSPACE，PM-DSES-20)、光滤波器1(定制)、相位调制器2(Photoline,MPZ-LN-40)、光滤波调制器2(定制)、双输出射频信号源(定制)构成，半导体激光器产生一单频连续光波(中心频率为193.3868THz)，进入相位调制器1经双输出射频信号源输出的一低频窄带信号调制(中心频率和带宽分别设为f₁和B₁)，调制后的光信号进入光滤波器1，光滤波器1的频谱响应为一以光载波频率为中心的双带通滤波器，将调制后的光信号滤出所需阶数(设为n₁)双光边带，作为二次光载波进入相位调制器2经双输出射频信号源输出的另一单频射频信号(中心频率设为f₂)进行调制，调制后的光信号经光滤波器2滤出所需光频谱分量送进光1×2光耦合器。所述模块频段可调波形产生功能可通过两个射频信号中心频率调谐、调制后光边带阶数选择来实现。在本实施例中，产生P波段波形的参数设置为f₁＝18.4GHz，B₁＝70MHz，n₁＝5，f₂＝22.9187GHz，所产生波形的中心频率为650MHz，带宽为700MHz；产生X波段波形的参数为f₁＝15GHz，B₁＝250MHz，n₁＝8，f₂＝28.75GHz，所产生波形的中心频率为10GHz，带宽为4GHz。图4给出了其他参数设置下产生的所有其他频段波形。

1×2光耦合器(康冠，PMFC-1550-1×2-50/50)将进入的光信号分成两部分，一部分作为光本振信号进入光本振延时器(定制)，一部分作为光发射信号进入光环形器0的1号入口。光本振延时器延时将延时后的信号送进1×N光耦合器1(定制)，后者将光信号分成N路，作为光本振信号分别送进双频段共孔径前端(定制)。光环行器0将光发射信号从2号出口送入1×N光耦合器2，后者将光信号分成N路送进光延时网络，光延时网络(定制)根据阵列波束形成需要对每一路光信号进行适当延时后也将其送进多频段共孔径前端中的光环形器。

双频段共孔径前端主要基于印刷电路板实现的P/X双频段天线阵元和相应附件空间复合而成，每个阵元的相应附件主要由光环形器、电光调制器(EOSPACE，AX-0MVS-40-PFA-PFA)、光电探测器(Finisar，HPDV2120R)、TR组件(定制)组成，光环行器将延时后的光发射信号送至光电探测器，经其光电转换为电发射信号，电发射信号经TR组件放大后进入天线阵元，天线阵元完成放大后的发射信号的空间辐射和目标回波的接收，接收到的回波信号经TR组件放大后经电光调制器调制到光本振信号上，光载回波信号经环形器再进入光延时网络，后者通过对光载回波信号加以适当延时量完成回波波束形成，之后依次经过1×N光耦合器2、光环形器0进入雷达回波光处理模块。在本实施例中，双频段阵元数加起来等于N。

请继续参阅图6所示，为本发明实施例雷达回波光处理模块结构原理图，雷达回波光处理模块由光域信号处理单元、光电探测器0(Discovery，S10)、射频滤波放大器(Keysight，N4985A)、模数转换单元(定制)构成，其中光域信号处理单元是根据雷达系统本身需求来添加的，当雷达回波数据量比较大时，光域信号处理单元功能是在光域实现对回波信号的实时处理，主要基于光纤光栅或空间光滤波器等器件实现，之后光载回波进入光电探测器0完成光电转换，射频滤波放大器对转换得到的电信号进行放大滤波后，将其送进模数转换单元完成模拟信号至数字信号的转换，最终将数字化的回波信号送进显控和数据处理终端完成回波信号进一步处理和目标位置等信息显示。

请参阅图7所示，为本发明雷达回波光处理模块结构实现的P波段700MHz带宽回波自闭环接收混频结果示意图，给出了P波段700MHz带宽波形自闭环条件下，雷达回波光处理模块输出的信号的频谱。

显控和数据处理终端主要由计算机、FPGA或DSP等硬件及显控器件构成，主要完成整个雷达系统时序的控制、目标信息的处理和显示。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波光子多频段阵列雷达实现方法，其特征在于，包括，

步骤a，利用微波光子技术以生成多频段雷达波形信号；

步骤b，光本振延时器对所述多频段雷达波形信号进行延时；

步骤c，多频段共孔径天线将经过延时的多频段雷达波形信号进行发射并接收回波信号；

步骤d，雷达回波光处理模块对回波信号进行处理以得到目标信息。

2.根据权利要求1所述的微波光子多频段阵列雷达实现方法，其特征在于，所述多频段光载雷达波形信号包括第一部分和第二部分；

所述第一部分进入光真延时网络以实现波束形成所需的延时，经光电转换以形成电发射波形，经相应多频段天线进行辐射；

所述第二部分进入所述光本振信号多频段阵列的前端，将目标反射的回波经低噪声放大器放大后在光本振上进行调制，调制后的回波信号在所述光本振上通过光真延时网络延时以形成波束。

3.根据权利要求2所述的微波光子多频段阵列雷达实现方法，其特征在于，所述光真延时网络，光真延时网络为通过光延时介质实现的延时网络，包括光纤器件或硅基波导集成器件。

4.根据权利要求2所述的微波光子多频段阵列雷达实现方法，其特征在于，所述多频段共孔径天线的实现方式为基于印刷电路板或波导的电磁超构材料或超构表面。

5.根据权利要求4所述的微波光子多频段阵列雷达实现方法，其特征在于，所述多频段共孔径天线的孔径的排布方式为子单元交错排布或子单元共孔径。

6.一种微波光子多频段阵列雷达系统，其特征在于，包括，

频段可调宽带波形光产生模块，利用微波光子技术以生成多频段雷达波形信号；

1×2光耦合器，其与所述频段可调宽带波形光产生模块连接，用以将多频段雷达波形信号分成两部分；

光本振延时器，其与所述1×2光耦合器连接，用以对多频段雷达波形信号进行延时；

1×N光耦合器，包括第一1×N光耦合器和第二1×N光耦合器，各1×N光耦合器分别与所述光本振延时器和光真延时网络相连，用以将多频段雷达波形信号分成N个部分；

多个光环形器，用以输送多频段雷达波形信号；

多频段共孔径天线，其与所述第一1×N光耦合器相连，用以将多频段雷达波形信号转换为电发射信号以及接收电发射信号的空间符合和目标回波；

光真延时网络，其与所述多频段共孔径天线相连，用以对N路光载射频信号进行延时；

雷达回波光处理模块，其与所述光环形器相连，用以将回波信号转换为电信号并将转换后的数字信号发送至显控与数据处理终端；

显控与数据处理终端，其与所述雷达回波光处理模块相连，用以显示目标信号以及控制系统运行。

7.根据权利要求6所述的微波光子多频段阵列雷达系统，其特征在于，所述频段可调宽带波形光产生模块包括连续波光源、相位调制器1、光滤波器1、相位调制器2、光滤波器2和一双输出射频信号源。

8.根据权利要求7所述的微波光子多频段阵列雷达系统，其特征在于，所述光滤波器包括光纤光栅或可编程光滤波器双带通光滤波器，所述双输出射频信号源为两个相参的射频源。

9.根据权利要求6所述的微波光子多频段阵列雷达系统，其特征在于，所述多频段共孔径天线包括多个频段天线阵元和相应的光电阵列单元，所述多频段共孔径前端每个频段天线阵元数的和为N或所有频段阵元数的和为N。

10.根据权利要求6所述的微波光子多频段阵列雷达系统，其特征在于，所述雷达回波光处理模块包括光域信号处理功能单元、光电探测器0、射频滤波放大器和模数转换器。

Images