CN114325628A - 一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法与装置。该装置主要包括天线单元、电光转换器、光延时数控扫描装置、光合路器、光电探测器以及功率特征分析装置。该装置通过光延时线快速扫描两路信号的延时量，并通过光电转换和线性功率检波计算合路信号的功率，通过观测合成功率与延时量的关系来实现对目标雷达信号特征的快速识别。本方法不仅可以用来测量目标信号的方位，还可以测量信号的频率和频谱特征。因此本发明装置可适用于不同的电磁环境下对于不同调制制式的雷达目标的探测。

Description

一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法与 装置

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法与装置。

背景技术

随着电子技术在军事应用上的发展，电子对抗逐渐以一种直接用于攻防的作战手段，活跃在现代化战争的舞台上。电子对抗的基本手段是电子侦察、干扰与摧毁。其中，电子侦察主要通过雷达探测技术来实现。雷达通过分析接收到的电磁波，达到对于目标的快速识别。近些年来，雷达为了反侦察和抗干扰，其信号的调制样式和调制参数具有时变、快速和大范围的特点，这为电子对抗的侦察识别带来了较大的困难。

为了能够适应不同作战条件，科研人员不断探索快速准确识别雷达目标方位和频谱特征的方法。多波束比幅测向和干涉仪测向是目前应用最为广泛的两种测向技术。多波束比幅测向是利用主瓣比邻的波束接收到信号的相对幅度大小来确定信号的到达角，但是这种方式对于波束的要求较高，为防止相邻波束副瓣对比幅曲线造成非线性，需要保证两个波束足够近，从而使相邻波束覆盖点的增益高于两个波束的最高副瓣，或者利用波束宽度和波束位置的设计剔除副瓣的影响。同时，随着接收信号频率的改变，天线波束轴线角会产生偏差，导致最大波束值所对应的角度发生变化。干涉仪测向原理是利用信号到达两天线的路程差与信号到达角的关系，通过鉴相器识别出两路接收信号的相位差，计算得到信号到达角。相比于多波束比幅测向，虽然该方式结构简单、无需考虑复杂的波束设计，但存在镜像模糊和相位模糊的问题，其测量的相位差只能在±π范围内，超出相位测量范围的结果将不可靠。针对镜像模糊的问题，可以通过两条不平行的基线来消除两个单基线两侧对称来波造成的影响。针对相位模糊的问题，可以使用长短基线的方法，用短基线保证大的测角范围，长基线保证高的测角精度。虽然科研人员对两种方法的测向精度和探测范围的提高做出了许多的优化和设计，但无论多波束比幅方法还是干涉仪方法都仅针对目标方位的估计，未来面对复杂的战场电磁环境和体制多样的雷达辐射源，需要有一种既能探测目标方位和识别目标特征的方法。因此，探索能够同时测量雷达目标方位和频谱特征的方法有着非常重要的意义。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法与装置。

一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法与装置，包括天线单元、电光转换器、光延时数控扫描装置、光合路器、光电探测器以及功率特征分析装置；天线单元用于接收雷达目标电信号，电光转换器用于将电信号转换成光信号，光延时数控扫描装置用于控制光信号的延时量，光合路器用于合成光信号，光电探测器用于将光信号转换成射频信号，功率特征分析装置用于计算射频信号的平均功率和分析雷达目标特征；通过光延时数控扫描装置通过正向扫描和反向扫描，根据功率特征分析装置实现雷达目标信号特征。

所述天线单元，包括但不限于多波束反射面天线、多波束透镜天线和多波束相控阵天线。其特征在于：所述天线单元具有多个天线子阵，每个天线子阵对应一个输入通道，相邻两天线子阵的基线长度为L，电信号的到达角为θ，频率为f，波速为c，两天线子阵接收同一电信号的延时差为ΔT＝Lsinθ/c，相位差为

所述光延时数控扫描装置包括N级高速光延时线、光延时线控制器。

进一步地，所述N级高速光延时线分为T1和T2两路，其分别对应天线单元中相邻天线子阵的两个输入通道。所述N级高速光延时线包含2N个1x2高速光开关；按照1x2对2x1的连接方式，两个高速光开关构成一级延时单元，共N级延时单元；每级延时单元延时量固定，其值为上一级延时单元延时量的两倍；第一级延时单元的延时量为Δt，第i级延时单元其延时量为2^i-1×Δt，i取值为1～N。所述高速光开关包括不限于磁式光开关、电光开关、PLZT光开关等。

进一步地，所述光延时线控制器用于改变T1、T2两路N级高速光延时线的延时量；根据权利要求3，所述光延时线控制器通过1bit状态改变第i级延时单元的延时量：0代表延时量为0，1代表延时量为2^i-1×Δt；通过N bits状态控制N个延时单元实现单路N级高速光延时线的延时量在(0～2^N-1)×Δt范围内变化，其分辨率为Δt。

进一步地，所述光延时数控扫描装置通过固定T2路延时量为0，改变T1路延时量在(0～2^N-1)×Δt范围内变化的方式实现正向扫描，通过固定T1路延时量为0，改变T2路延时量在(0～2^N-1)×Δt范围内变化的方式实现反向扫描。所述光延时数控扫描装置通过正向扫描和反向扫描使延时量在(-(1-2^N)～2^N-1)×Δt范围内变化。

进一步地，所述两路N级高速光延时线T1和T2路采用不同的波长λ1和λ2，所述光合路器通过波分复用的方式将两路光合成到一路光纤上，并通过所述光电探测器得到射频功率。

所述电光转换器将电信号转换成光信号，经过所述光延时数控扫描装置后，两路的相位差为：

所述功率特征分析装置包括线性功率检波器、模数转换器、处理器、和存储器。所述线性功率检波器用于计算所述光电探测后的射频信号的平均功率；所述模数转换器用于量化所述线性功率检波器转换后的平均功率；所述存储器用于存储所述模数转换器量化后的功率值P；所述处理器根据功率值P的变化规律得到雷达目标的特征。

功率P为：

进一步化简式(2)：

针对单频信号，A为幅度常数，f为信号频率，合成后的功率为：

进一步地，根据式(4)，功率峰值对应的延时量为：

根据式(4)和式(5)，功率随延时量周期性变化，T_k为功率峰值对应的延时量，通过功率峰值的延时量间隔估计单频信号频率：

当

时，即不存在相位模糊时，根据式(5)，通过第一功率峰值点的位置T₀估计信号到达角：

针对任意宽带信号，载波频率为f_c，基带信号为A(t)，合成后功率为：

p_A(A(t),T_d)＝E[A(t)+A(t+ΔT+T_d)]²#(9)

根据式(5)，功率随延时量周期性变化，T_k为功率峰值对应的延时量,通过功率峰值的延时量间隔估计宽带信号载波频率：

进一步地，式(9)表示功率包络曲线，进一步化简为：

E[A(t)+A(t+ΔT+T_d)]²＝E[A(t)]²+E[A(t+ΔT+T_d)]²+2E[R_A(ΔT+T_d)]²#)11)

进一步地，按照最大值对功率作归一化处理；通过数字低通滤波器得到功率的包络；如式(12)，相对值1为功率最大处，其对应延时量为

如式(13)，相对值为0.5为功率最小处；其对应延时量为T_r0.5；

max{E[A(t)+A(t+ΔT+T_d)]²}＝4E[A(t)]²#(12)

min{E[A(t)+A(t+ΔT+Td)]²}＝2E[A(t)]²#(13)

由于功率峰值包络受式(9)表示的分量影响，最大功率有且仅出现在两路延时差为0位置，所以宽带信号探测不存在相位模糊的问题，可由最大功率峰值对应的延时量

估计信号的到达角：

当信号带宽比较小时，最大功率点处斜率变化不明显，在包络曲线上远端取两个相同功率的延时量T_x1和T_x2的中间值估计

进一步地，根据信号带宽外的功率成分较弱的特点，取功率包络上离中心T_r1最近的

估计信号的带宽：

一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法，是通过所述光延时数控扫描装置改变T1和T2两路的延时量，观察两路合成后功率随延时量变化的规律，实现对雷达目标信号的频谱特征和到达角的快速分析。其中，通过功率峰值的延时量间隔得到单频信号的频率，通过第一峰值点对应的延时量得到信号到达角；通过功率峰值的延时量间隔得到宽带信号的载波频率，通过最大功率对应的延时量估计信号到达角，通过功率峰值包络线主瓣的延时量跨度估计宽带信号的频谱带宽。与传统雷达目标探测技术相比，本方法不仅可以用来测量信号的方位，还可以测量信号的频谱特征。因此本发明装置可适用于不同的电磁环境下对于不同调制制式的雷达目标的探测。

附图说明

图1为本发明装置的系统结构框图。

图中：1—天线单元，2—电光转换器，3—光延时数控扫描装置，4—光合路器，5—光电探测器，6—功率特征分析装置，7—N级高速光延时线，8—光延时线控制器，9—模数转换器，10—存储器，11—处理器，12—线性功率检波器。

图2.a为单频信号T1路延时扫描合成功率变化图

图2.b为单频信号T2路延时扫描合成功率变化图

图3.a为QPSK信号的频谱图

图3.b为QPSK信号的T1路延时扫描合成功率变化图

图3.c为QPSK信号的T2路延时扫描合成功率变化图

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的装置系统包括天线单元1、电光转换器2、光延时数控扫描装置3、光合路器4、光电探测器5、功率特征分析装置6。其中，光延时数控扫描装置3包括两路N级高速光延时线7、光延时线控制器8；功率特征分析装置6包括模数转换器9、存储器10、处理器11、线性功率检波器12。

天线单元1通过射频线连接到电光转换器2；电光转换器2、光延时数控扫描装置3、光合路器4、光电探测器5通过光纤依次连接；光电探测器5通过射频线连接到功率特征分析装置6。在光延时数控扫描装置3内部，光延时线控制器8通过两路N bits位宽的数据总线控制两路N级高速光延时线7。功率特征分析装置6通过控制总线向光延时线控制器8发送扫描控制指令。

在本实施方式中，N级高速光延时线7分为T1和T2两路，T1和T2分别对应天线单元1中相邻天线子阵的两个输入通道。T1和T2每一路都包含2N个1x2高速光开关：按照1x2对2x1的连接方式，两个高速光开关构成一级延时单元，共N级延时单元；每级延时单元延时量固定，其值为上一级延时单元延时量的两倍；第一级延时单元的延时量为Δt，第i级延时单元其延时量为2^i-1×Δt，i取值为1～N。处理器11发送光延时扫描控制指令给光延时线控制器8，光延时线控制器8通过1bit状态改变第i级延时单元的延时量：0代表延时量为0，1代表延时量为2^i-1×Δt；通过N bits状态控制N个延时单元实现单路N级高速光延时线的延时量在(0～2^N-1)×Δt范围内变化，其分辨率为Δt。T1路和T2路分别采用不同的波长λ1和λ2；光合路器4采用波分复用方式将两路不同波长的光信号合成一路光信号，并通过光电探测器5将光信号转换为射频信号。在功率特征分析装置6内部，线性功率检波器12用于计算射频信号的功率，模数转换器9将功率量化后通过数据总线发送给处理器9，处理器11通过数据总线和地址总线将量化数据存放在存储器10中。处理器根据功率值随延时量的变化规律得到目标信号的特征。

本实施方式中，为了更方便说明本装置用于雷达目标特征识别的方法，描述了单频信号延时扫描的测试结果：当两天线子阵通道基线长度L为0.5m，目标信号频率为200MHz，信号到达角为30°,两路的延时差约为833.3ps；如图2a所示，固定T2路光延时为0，让T1路光延时在0～10230ps范围内扫描；如图2a，第一个功率峰值的延时量为834ps，根据式(7)计算得到信号的到达角度arcsin(0.5004)≈30°；第二功率峰值的延时量为5834ps，与第一个功率峰值间隔5ns的延时量，根据式(6)计算信号的频率为200MHz；如图2b所示,固定T1路光延时为0，T2路光延时在0～10230ps范围内扫描；如图2b，第一个功率峰值为-4167ps(相对T1路)，与图2a中第一功率峰值的间隔同样为5ns，与目标信号周期吻合。

本实施方式中，为了更方便说明本装置用于雷达目标特征识别的方法，描述了宽带信号延时扫描的测试结果：两天线子阵通道基线长度L为0.5m，目标信号为载波频率20GHz、带宽4GHz的QPSK信号，信号到达角为30°，两路的延时差约为833.3ps；如图3a所示，为接收到电信号的频谱图；如图3b所示，固定T2路光延时为0，T1路光延时在0～10230ps范围内扫描；最大功率峰值的延时量为834ps，根据式(10)计算得到信号的到达角度arcsin(0.5004)≈30°；如图3b所示，以最大功率峰值处为中心，功率峰值向两边呈现周期性、幅度衰减的特征：间隔50ps产生一个幅度逐渐衰减的功率波峰，间隔250ps幅度衰减到最低。根据功率峰值延时量间隔50ps计算得到载波频率为20GHz,根据功率峰值包络曲线主瓣的延时量跨度250ps计算得到信号带宽为4GHz。当接收信号带宽较窄时，也可以通过次高的功率峰计算最大功率峰的位置，如734ps和934ps的中心就是834ps。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光延时快速干涉扫描的雷达目标特征识别的方法与装置。其特征在于：包括天线单元、电光转换器、光延时数控扫描装置、光合路器、光电探测器以及功率特征分析装置；其中，天线单元用于接收雷达目标电信号，电光转换器用于将电信号转换成光信号，光延时数控扫描装置用于控制光信号的延时量，光合路器用于光信号合成，光电探测器用于将光信号转换成射频信号，功率特征分析装置用于计算射频信号的平均功率和分析雷达目标特征；所述光延时数控扫描装置包括两路N级高速光延时线T1和T2、光延时线控制器；所述功率特征分析装置包括线性功率检波器、模数转换器、处理器和存储器。通过光延时数控扫描装置通过正向扫描和反向扫描，根据功率特征分析装置实现雷达目标信号特征。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述天线单元，包括但不限于多波束反射面天线、多波束透镜天线和多波束相控阵天线。其特征在于：所述天线单元具有多个天线子阵，每个天线子阵对应一个输入通道；相邻天线子阵的基线长度为L，信号的到达角为θ，频率为f，波速为c；相邻天线子阵接收同一信号时，两通道间的延时差为ΔT，其值为Lsinθ/c，相位差为2πfΔT。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述N级高速光延时线T1、T2，分别对应所述天线单元的两个天线子阵的输入通道。所述N级高速光延时线包含2N个1x2高速光开关：按照1x2对2x1的连接方式，两个高速光开关构成一级延时单元，共N级延时单元；每级延时单元延时量固定，其值为上一级延时单元延时量的两倍；第一级延时单元的延时量为Δt，第i级延时单元其延时量为2^i-1×Δt，i取值为1～N。所述高速光开关包括但不限于磁光开关、电光开关、半导体式光开关、PLZT光开关等，其特征在于：开关切换速度分别为微秒或纳秒级。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光延时线控制器用于改变T1、T2两路N级高速光延时线的延时量；根据权利要求3，所述光延时线控制器通过1bit状态改变第i级延时单元的延时量：0代表延时量为0，1代表延时量为2^i-1×Δt；通过N bits状态控制N个延时单元实现单路N级高速光延时线的延时量在(0～2^N-1)×Δt范围内变化，其分辨率为Δt。

5.根据权利要求1、3、4所述，所述光延时数控扫描装置通过固定T2路延时量为0，改变T1路延时量在(0～2^N-1)×Δt范围内变化的方式实现正向扫描，通过固定T1路延时量为0，改变T2路延时量在(0～2^N-1)×Δt范围内变化的方式实现反向扫描。所述光延时数控扫描装置通过正向扫描和反向扫描使延时量T_d在(-(1-2^N)～2^N-1)×Δt范围内变化。

6.根据权利要求1、3、4所述，所述两路N级高速光延时线T1和T2采用不同波长的光，T1路和T2路分别对应波长λ1和λ2；所述光合路器采用波分复用方式将两路不同波长的光信号合成到同一光路。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述线性功率检波器用于计算所述光电探测器转换后的射频信号的平均功率；所述模数转换器用于量化所述线性功率检波器得到的平均功率；所述存储器用于存储所述模数转换器量化后的功率值P；所述处理器根据功率值P随延时量的变化规律得到雷达目标的特征。根据权利要求5所述，所述光延时数控扫描装置每改变一次延时量T_d，所述功率特征分析装置便计算出对应的功率并存储；待所述光延时数控扫描装置正向扫描和反向扫描结束，从结果中提取出功率峰值P(T_k)和其对应的延时量T_k；并根据功率峰值P(T_k)和其对应的延时量T_k得到雷达目标的特征。

8.根据权利要求7所述，当雷达目标信号为单频信号，通过功率峰值的延时量间隔(T_k+1-T_k)得到单频信号的周期，计算得到单频信号的频率；通过第一功率峰值P(T₀)对应的延时量T₀得到两输入通道延时差ΔT，计算得到单频信号的到达角θ。

9.根据权利要求7所述，当雷达目标信号为宽带信号，通过功率峰值的延时量间隔(T_k+1-T_k)得到宽带信号的载波周期，计算得到载波频率；通过功率峰值的包络曲线主瓣的延时量跨度计算宽带信号的带宽，根据中心最大功率

对应的延时量

得到两输入通道延时差ΔT，计算得到宽带信号的到达角θ。

10.根据权利要求7所述，当雷达目标信号为窄带信号时，通过功率峰值包络曲线上两个等功率值点对应的延时量计算中心最大功率对应的延时量，根据中心最大功率

对应的延时量

得到两输入通道延时差ΔT，计算得到宽带信号的到达角θ。根据权利要求9所述，通过功率峰值的间隔得到宽带信号的载波周期，计算得到载波频率。

Images