CN114614841B - 一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统，由光子学的毫米波一体化信号发射机、雷达接收机和通信接收机组成。发射机由雷达通信信号模拟相位调制模块光频梳模块、电光调制器、光整形滤波器、光功分器、光电探测器、电功率放大器和发射天线顺次级联组成；雷达接收机由雷达接收天线、电低噪放大器、光相位调制器、光带通滤波器低速光电探测器、电低通滤波器和低速光波器顺次级联组成；通信接收机：通信接收天线顺次级联电低噪放大器、混频器和示波器，且压控振荡器级联通信频器后与混频器连接。本发明具有大宽带、同时同频双功能特性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及微波/毫米波、大带宽的光子学雷达通信一体化技术，特别是一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统。
背景技术
下一代无线网络(即6G及以上)已被预测为许多新兴应用的关键推动者，包括智能城市和智能工业、万物互联及虚拟世界。这些应用和场景都需要足够大的频谱带宽，以同时满足高吞吐量的通信数据传输和高分辨率的雷达感知能力。然而，稀缺的频谱资源和有限的硬件空间会对分立式的通信系统和雷达系统产生严重的冲突与竞争。近年来，雷达通信一体化技术以频谱共享的优势实现了单一平台上的雷达感知与通信传输功能，被认为未来无线通信网络的潜在候选解决方案。
目前，雷达通信一体化的研究可以分为两类：信号复用方法和信号共享机制。前者通过时域、频域和空域复用方法实现双功能，然而这些方法仍不能充分利用系统的硬件及频谱资源。后者通过生成一体化波形来同时完成雷达探测与信号传输，是一种高效实用的一体化方案。然而，受限于电子学器件瓶颈，传统上利用电域方法生成的一体化信号带宽仅限于～GHz量级，对雷达距离分辨率和通信速率的提升非常有限。
微波/毫米波光子学具有工作频率高、瞬时带宽大、抗电磁干扰能力强等明显优势，已广泛应用于高分辨率的雷达成像和高速率的光载无线通信等领域。然而，目前关于光子学雷达通信一体化的研究还很少，主要集中于双频带的双功能一体化系统(“Dual-usesystem combining simultaneous active radar&communication,based on a singlephotonics-assisted transceiver,”in International Radar Symposium(IRS),Krakow,Poland,2016,pp.1-4.)和级联调制器的幅度调制线性调频信号生成(“Photonics-basedintegrated communication and radar system,”in Microwave Photonics(MWP),Ottawa,Canada,2019,pp.1-4.)，这些方法仍然存在频谱利用率低、雷达和通信功能相互制约等缺陷。
发明内容
本发明目的是提供具有大宽带、同时同频双功能特性的一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统。
本发明的目的是这样实现的：一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统，其特征在于，由光子学毫米波雷达通信一体化信号发射机、雷达接收机和通信接收机组成；光子学毫米波雷达一体化信号发射机由雷达通信信号模拟相位调制模块、光频梳模块、电光调制器、光整形滤波器、光功分器、光电探测器、电功率放大器和发射天线顺次级联组成；雷达接收机由雷达接收天线、对雷达回波信号进行处理的电低噪放大器、光相位调制器、光带通滤波器、低速光电探测器、电低通滤波器和低速示波器顺次级联组成；通信接收机：通信接收天线顺次级联电低噪放大器、混频器和示波器，且压控振荡器级联倍频器后与混频器连接。
光子学毫米波雷达通信一体化信号发射机中，光频梳模块产生频率间隔为Δf的光频梳信号，并将其注入电光调制器中；雷达通信信号模拟相位调制模块产生中心频率为f0、带宽为B的中频一体化信号，该信号驱动电光调制器，控制偏置电压使其处于最大偏置点，此时产生偶阶边带的光频疏信号，在小信号调制下，高阶(≥4)边带信号功率很弱，只存在载波和±2阶边带的光信号；光整形滤波器滤除其他不需用的光信号，仅保留相邻两根光梳的-2阶边带和+2阶边带；光功分器按照50：50的比例将光信号分为两个部分：一部分作为参考光载波信号输入到雷达接收机的光相位调制器中，一部分注入光电探测器中，通过光子外差拍频生成中心频率为f3-f2+4f0、带宽为4B的毫米波雷达通信一体化信号；电功率放大器对雷达通信一体化信号进行功率放大后，经发射天线辐射至自由空间中；
所述雷达接收机中，接收天线采集运动目标物体反射的雷达回波信号，通过电低噪放大器后，输入到光相位调制器，光相位调制器将雷达回波信号调制于参考光载波信号上；光带通滤波器仅选取-2阶或+2阶边带区域的两种重合光信号(参考光信号和雷达回波调制光信号)，通过低速光电探测器完成光子去啁啾处理，获得运动目标物体位置信息，然后经电低通滤波器接入低速示波器完成信号采集，通过雷达逆合成孔径算法实现运动目标物体的高分辨率成像；
所述通信接收机中，通信接收天线接收无线传输的毫米波雷达通信一体化信号，并利用电低噪放大器进行信号功率补偿；压控振荡器结合倍频器生成与毫米波雷达通信一体化信号的中心频率和带宽相对应的雷达信号；混频器将接收的毫米波雷达通信一体化信号与雷达信号混频至中频，利用相干接收解调算法，去除雷达信号载波，恢复模拟通信信号；示波器显示获取的通信数据。
所述雷达通信信号模拟相位调制模块中的雷达信号为线性调频连续波信号，实现高分辨率成像，其通信信号为中频的高阶调制正交频分复用体制信号，实现高速率的通信；将通信信号通过模拟相位调制方法调制于雷达信号的相位上，产生雷达通信一体化信号；通过调节雷达通信一体化信号的相位调制因子实现高频谱效率、高信噪比的雷达通信一体化信号传输。
所述光频梳模块通过控制光频梳的自由频谱范围来调谐生成的毫米波雷达通信一体化信号的中心频率。
所述雷达逆合成孔径算法和相干接收解调算法均为已知算法。
一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统，根据光子学发射机的倍频机理，生成的毫米波雷达通信一体化信号的带宽被扩展为4倍，将雷达分辨率提升4倍、通信信噪比提升12dB。
本发明发射机包括雷达通信信号模拟相位调制模块、光频梳模块、电光调制器、光整形滤波器、光功分器、光电探测器、电功率放大器和发射天线，其中光功分器分为两部分：一部分为注入光电探测器生成一体化信号，一部分作为雷达接收机参考光载波；一种光子学雷达接收机，该接收机包括雷达接收天线、电低噪放大器、光相位调制器、光带通滤波器、低速光电探测器、电低通滤波器和示波器；一种通信接收机，该接收机包括通信接收天线、电低噪放大器、混频器、压控振荡器、倍频器和示波器。
本发明毫米波雷达通信一体化发射机中，光频梳信号注入电光调制器的调制主轴，雷达通信信号模块产生的一体化信号调制光频梳信号，小信号调制下控制偏置电压使得电光调制器仅产生载波和二阶边带光信号；光整形滤波器完成光波长选择操作，仅保留相邻两根光梳的-2阶边带和+2阶边带；光功分器按照50：50比例分为两部分：一部分作为雷达接收机的去啁啾处理的参考光载波，另一部分接入光电探测器产生毫米波的一体化信号，通过控制光频梳的自由频谱范围来调谐毫米波信号的中心频率；随后通过电功率放大器和发射天线辐射毫米波一体化信号用于雷达探测和通信传输；雷达接收机通过雷达接收天线采集运动目标物体反射的回波信号，经电低噪放大器和光相位调制器将回波信号调制于参考光载波；利用光带通滤波器和低速光电探测器完成雷达去啁啾处理得到携带目标物体位置的频率信息，通过低通滤波器接入示波器完成信号采集，结合雷达逆合成孔径成像算法完成运动目标的高分辨率成像；通信接收机通过接收天线采集毫米波一体化信号，经低噪放大器后输入混频器，将毫米波一体化信号下变频至中频，最后基于相干解调方法获得通信信息。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：
(1)将大容量的高阶调制的通信信号(如正交频分复用)通过模拟相位调制方式调制在大带宽的雷达信号(如线性调频信号)上，从而生成恒包络的一体化信号，然后利用光子倍频技术获得4倍频的毫米波一体化信号，同时同频地实现高分辨率的雷达探测和高速率的通信传输。
(2)一体化信号的恒包络特性降低因雷达功率放大器引起的通信信号失真，提高一体化系统的抗噪性和可靠性。
(3)调整光频梳的自由频谱范围来调谐生成的一体化信号的中心频率，可以实现更高频率、更大带宽的一体化信号生成，从而较容易拓展至太赫兹频段的雷达通信一体化。
附图说明：
图1为本发明系统的原理框图。
图2为发射机中毫米波一体化信号生成的频谱演化过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。
如图1所示，一种基于模拟相位调制的光子学毫米波一体化系统，包括光子学的毫米波雷达通信一体化信号发射机10、雷达接收机20和通信接收机30三部分。在发射机10，光频梳模块101产生频率间隔为Δf的光频梳信号(如图2-B)，并将其注入电光调制器102中；雷达通信信号模拟相位调制模块103产生中心频率为f0、带宽为B的中频一体化信号(如图2-A)，该信号驱动电光调制器102，控制偏置电压使其处于最大偏置点，此时产生偶阶边带的光频疏信号；在小信号调制下，高阶(≥4)边带信号功率很弱，只存在载波和±2阶边带的光信号，如图2-C所示。利用光整形滤波器104的波长选择功能(如图2-C虚线)滤除其他不需用的光信号，仅保留相邻两根光梳的-2阶边带和+2阶边带，如图2-D所示。随后，通过光功分器105按照50：50的比例分为两个部分：一部分作为雷达接收机20的去啁啾处理的参考光载波信号，一部分注入光电探测器106中，通过光子外差拍频生成中心频率为f3-f2+4f0、带宽为4B的毫米波一体化信号(如图2-E)。然后通过电功率放大器107进行功率放大后，经发射天线108辐射至自由空间中完成雷达探测与通信传输。
在雷达接收机20中，接收天线201采集运动目标物体反射的雷达回波信号，通过电低噪放大器202后，输入光相位调制器203调制参考光载波信号；根据光子倍频原理，雷达回波信号与参考信号位于同一边带，-2阶边带或+2阶边带；利用光带通滤波器204仅选取-2阶或+2阶边带区域的两种重合光信号，通过低速光电探测器205完成光子去啁啾处理，获得运动目标物体位置信息，然后经电低通滤波器206接入低速示波器207完成信号采集，结合雷达逆合成孔径数字成像算法实现运动目标物体的高分辨率成像。
在通信接收机30中，通信接收天线301接收无线传输的一体化信号，并利用电低噪放大器进行信号功率补偿；压控振荡器303结合倍频器306生成与毫米波一体化信号的中心频率和带宽相对应的雷达信号；然后利用混频器305将接收的一体化信号与雷达信号混频至中频，去除雷达信号载波，恢复模拟通信信号，接着利用相干接收解调算法获取通信数据。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统，其特征在于，由光子学毫米波雷达通信一体化信号发射机(10)、雷达接收机(20)和通信接收机(30)组成；
光子学毫米波雷达一体化信号发射机(10)由光频梳模块(101)、电光调制器(102)、光整形滤波器(104)、光功分器(105)、光电探测器(106)、电功率放大器(107)和发射天线(108)顺次级联组成；雷达接收机(20)由雷达接收天线(201)、对雷达回波信号进行处理的电低噪放大器(202)、光相位调制器(203)、光带通滤波器(204)、低速光电探测器(205)、电低通滤波器(206)和低速示波器(207)顺次级联组成；
通信接收机(30)：通信接收天线(301)顺次级联电低噪放大器(302)、混频器(305)和示波器(304)，且压控振荡器(303)级联倍频器(306)后与混频器(305)连接；
所述光子学毫米波雷达通信一体化信号发射机中，光频梳模块(101)产生频率间隔为△f的光频梳信号，并将其注入电光调制器(102)中；雷达通信信号模拟相位调制模块(103)产生中心频率为f0、带宽为B的中频一体化信号，该信号驱动电光调制器(102)，控制偏置电压使其处于最大偏置点，此时产生偶阶边带的光频疏信号，在小信号调制下，≥4高阶边带信号功率很弱，只存在载波和±2阶边带的光信号；光整形滤波器(104)滤除其他不需用的光信号，仅保留相邻两根光梳的-2阶边带和+2阶边带；光功分器(105)按照50：50的比例将光信号分为两个部分：一部分作为参考光载波信号输入到雷达接收机(20)的光相位调制器(203)中，一部分注入光电探测器(106)中，通过光子外差拍频生成中心频率为f3-f2+4f0、带宽为4B的毫米波雷达通信一体化信号；电功率放大器(107)对雷达通信一体化信号进行功率放大后，经发射天线(108)辐射至自由空间中；
所述雷达接收机(20)中，接收天线(201)采集运动目标物体反射的雷达回波信号，通过电低噪放大器(202)后，输入到光相位调制器(203)，光相位调制器将雷达回波信号调制于参考光载波信号上；光带通滤波器(204)仅选取-2阶或+2阶边带区域的两种重合光信号，通过低速光电探测器(205)完成光子去啁啾处理，获得运动目标物体位置信息，然后经电低通滤波器(206)接入低速示波器(207)完成信号采集，实现运动目标物体的高分辨率成像；
所述通信接收机(30)中，通信接收天线(301)接收无线传输的毫米波雷达通信一体化信号，并利用电低噪放大器(302)进行信号功率补偿；压控振荡器(303)结合倍频器(306)生成与毫米波雷达通信一体化信号的中心频率和带宽相对应的雷达信号；混频器(305)将接收的毫米波雷达通信一体化信号与雷达信号混频至中频，去除雷达信号载波，恢复模拟通信信号；示波器(304)显示获取的通信数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统，其特征在于，所述雷达通信信号模拟相位调制模块(103)中的雷达信号为线性调频连续波信号，实现高分辨率成像，其通信信号为中频的高阶调制正交频分复用体制信号，实现高速率的通信；将通信信号通过模拟相位调制方法调制于雷达信号的相位上，产生雷达通信一体化信号；通过调节雷达通信一体化信号的相位调制因子实现高频谱效率、高信噪比的雷达通信一体化信号传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统，其特征在于，所述光频梳模块(101)通过控制光频梳的自由频谱范围来调谐生成的毫米波雷达通信一体化信号的中心频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于模拟相位调制的光子学毫米波雷达通信一体化系统，其特征在于，根据光子学发射机的倍频机理，生成的毫米波雷达通信一体化信号的带宽被扩展为4倍，将雷达分辨率提升4倍、通信信噪比提升12dB。
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