CN115001595B - 基于全光信息处理的雷达通信一体化装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于全光信息处理的雷达通信一体化收发装置和方法，该装置在发射端利用光频率梳模块生成频率间隔可调的频率梳作为本振信号，通过光子外差混合产生毫米波乃至太赫兹频率的信号；在接收端，采用光子模数转换系统，以高速的光学采样脉冲为基础，对高频段、大带宽信号进行光脉冲采样处理，并通过解复用方式来缓解后端电模数转换器的量化压力。本发明可以在雷达和通信频谱共享时，基于微波光子技术完成高频段、大带宽一体化信号的产生与接收处理，对实现具有高信息传输速率和高分辨率目标探测的雷达通信一体化收发系统具有重大意义。

Description

基于全光信息处理的雷达通信一体化装置和方法
技术领域
本发明涉及雷达通信一体化技术领域和微波光子技术领域，具体是一种基于全光信息处理的雷达通信一体化装置及方法。
背景技术
在当代电子通信系统中，雷达和无线通信系统都发挥着至关重要的作用。随着无线设备数量的指数增加和高速数据传输要求更高的带宽需求，导致了电磁频谱的过度拥挤。现阶段的通信和雷达频段已经出现了大量重叠区，在更高频段，5G毫米波通信频段与车载毫米波雷达的工作频段十分接近，将有越来越多的雷达频段受到干扰。另一方面，随着电子设备的快速发展以及人们对电子通信设备多功能化的急切需求，原相互独立的设备逐渐走向了一体化的发展方向，设备的多功能化与一体化逐渐成为一种发展趋势。
雷达通信一体化平台是指在能够同时实现雷达探测功能和通信功能的无线电系统。目前，雷达通信一体化的体制主要分为两类，分别是共享硬件平台的一体化系统和共享一体化波形的系统。其中，共享硬件的体制例如分时、分频、分波束等，但是这些体制下，雷达系统和通信系统需要进行资源划分，且仍然存在互相干扰的问题。而共享一体化波形的雷达通信一体化系统，除共用同一硬件平台外，可在同一频谱下通过一体化波形同时实现目标探测和信息传输的功能，是实现微小型一体化硬件系统的重要研究方向。
新一代的雷达系统正朝向宽带化、小型化和具备可重构特性的趋势发展。与此同时，为了满足未来通信网络的需求，通信系统将要朝着更大带宽、更高传输速率的方向发展。但是，随着超宽带技术的发展，基于微波、半导体和数字集成电路技术的雷达和通信系统受限于微波设计工艺的渡越时间、电磁串扰和时间抖动等电子瓶颈，严重限制了一体化系统的工作带宽以及工作频段。相比之下，微波光子技术具有产生和处理宽带微波信号的优势。
目前，光子辅助的宽带化雷达通信一体化技术已经成为发展新一代电子信息系统的研究热点，带来了许多优势，如高频率、大带宽和低电磁干扰。例如，在发射端通过光注入锁定技术、光锁相环技术、光注入锁相环技术等技术产生毫米波信号，以及微波光子倍频技术产生宽带信号，以此避免传统电器件工作带宽以及工作频段限制。
此外，在系统的接收端，受限于接收端的电子模数转换器等电子器件的带宽，一体化系统存在目标探测分辨率和数据通信速率较低的问题。在雷达目标探测能力方面，针对该接收系统的分辨率不高的问题，有人提出了去斜接收方案，该方案通过将信号成像处理部分在模拟域上完成，来避开后端电模数转换器的带宽限制，同时接收端的下变频过程被模拟去斜过程替代，通过使用一定延时的发射信号作为本地的去斜参考信号，来保持雷达接收机的相参性能。虽然该方案可通过将宽带的回波信号被映射到低频的窄带信号来避免电器件带宽限制，并且保留了原始的宽带分辨率，但是带来了雷达侧视范围的问题。受限于信号的时宽和后端电模数转换器的采样率，雷达侧视范围非常有限，并且分辨率还会随着物体的距离与侧视范围中心的偏移而不断恶化。
然而光子模数转换方案，以高速的光学采样脉冲为基础，对高频段、大带宽信号进行光脉冲采样处理，并通过解复用方式来缓解后端电模数转换器的量化压力，能够以多个低速低采样率的电模数转换器来实现总体上的高速高采样率的模数转换性能，再进行后端并行数据处理，打破了电模数转换器的带宽限制和采样率限制。此外，在后端通过适配的算法处理流程可以避免分辨率随测试范围中心偏移而恶化的问题。
因此，开展基于光子辅助的雷达通信一体化技术的研究，完成高频段、大带宽一体化信号的产生与接收处理，对实现具有高信息传输速率和高分辨率目标探测的雷达通信一体化收发系统具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有电子技术的不足和面向未来雷达、通信系统宽带化、多功能、一体化的发展需求，提出一种基于全光信息处理的雷达通信一体化收发系统装置和方法。该装置在发射端采用微波光子技术来产生毫米波或者更高频段的信号，避免使用高性能本振源进行多次频率变换的过程；在接收端采用光子采样前端与传统电子模数转换器后端结合的方案，可直接对高频段、大带宽回波信号进行处理，在雷达通信一体化系统中实现具有大带宽、低抖动优势的光模数转换技术。该系统装置有望成为更大带宽、更高速率、更低延时、传输稳定性更强的一体化应用场景下的设计方案。此外，光器件具有体积小、重量轻、损耗小的特性，有利于雷达通信一体化系统朝着微小型一体化硬件系统的方向发展。
本发明的技术方案如下：
一方面，本发明公开了一种基于光学信息处理的宽带雷达通信一体化装置，包括发射端和接收端，其特点在于，
所述的发射端包括一体化信号源、光频梳模块、电光调制模块、光放大模块、光电转换模块、第一带通滤波器、第一电放大模块、发射天线模块；
所述的接收端包括接收天线模块、第二电放大模块、第二带通滤波器、光采样时钟源、光子采样门、N路解复用模块、由N个PD单元并列构成的光电探测器阵列、由N个电子模数转换器构成的电子模数转换器阵列；
发射端：所述的光频梳模块的输出端与所述的电光调制模块的第一输入端相连，所述的一体化信号源为由信号产生与处理模块产生的包含通信信息和具备目标探测功能的电模拟信号，该一体化信号源输出端与该电光调制模块的第二输入端相连，该电光调制模块的输出端与所述的光放大模块的输入端相连，该光放大模块的输出端与所述的光电转换模块的输入端相连，该光电转换模块的输出端与所述的第一带通滤波器的输入端相连，该第一带通滤波器的输出端与所述的第一电放大模块的输入端相连，该第一电放大模块的输出端与所述的发射天线模块的输入端相连；
接收端：所述的接收天线模块的输出端与所述的第二电放大模块的输入端相连，该第二电放大模块的输出端与所述的第二带通滤波器的输入端相连，该第二带通滤波器的输出端与所述的光子采样门的第二输入端相连，该光子采样门的第一输入端与所述的光采样时钟源相连，该光子采样门的输出端与所述的N路解复用模块的输入端相连，该N路解复用模块的N个输出端分别与所述的N个PD单元的输入端相连，该N个PD单元的输出端分别与所述的N个电子模数转换器的输入端相连，该N个电子模数转换器的输出端分别和所述的信号产生与处理模块的输入端相连；该信号产生与处理模块的输出端与所述的一体化信号源的输入端相连。
所述的电子模数转换器阵列由N个电子模数转换器组成；
所述的一体化信号产生与处理模块的输出端与所述的雷达通信一体化发射系统中的一体化信号源的输入端相连，所述的雷达通信一体化接收系统的电子模数转换器阵列的输出端与一体化信号产生与处理模块的输入端相连；
在所述的雷达通信一体化发射系统中：所述的光频梳模块的输出端与所述的电光调制模块的第一输入端相连，所述的一体化信号源的输出端与所述的电光调制模块的第二输入端相连，该电光调制模块的输出端与所述的光放大模块的输入端相连，该光放大模块得输出端与所述的光电转换模块的输入端相连，该光电转换模块的输出端与所述的带通滤波器1的输入端相连，该滤波器1的输出端与所述的电放大模块1的输入端相连，该电放大模块1的输出端与所述的发射天线模块的输入端相连；
在所述的雷达通信一体化接收系统中：所述的接收天线模块的输出端与所述的电放大模块2的输入端相连，该电放大模块的输出端与所述的带通滤波器2的输入端相连，该带通滤波器2的输出端与所述的光子采样门的第二输入端相连，所述的光采样时钟源与该光子采样门的第一输入端相连，该光子采样门的输出端与所述的N路解复用模块的输入端相连，该N路解复用模块的N个输出端分别与所述的光电探测器阵列中N个PD单元的输入端相连，该光电探测器阵列中N个PD单元的输出端分别与所述的电子模数转换器阵列中N个电子模数转换器的输入端相连，该电子模数转换阵列的输出端分别和雷达信息处理模块和通信信息处理模块的输入端相连。
所述的一体化信号产生与处理模块包括雷达通信一体化信号产生模块和雷达通信一体化信号处理模块，可采用但不限于电脑、单片机、信息处理板卡等。
所述的一体化信号源为一体化信号产生与处理模块产生的电模拟信号，可采用但不限于基于OFDM的一体化信号、基于LFM的一体化信号。
所述的光频梳模块生成的频率梳满足频率间隔可调谐，单根梳齿幅度可调谐，所产生的光频梳作为射频本振信号。
所述的电光调制模块可以采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。调制方式采用但不限于载波抑制的双边带调制、载波抑制的单边带调制、相位调制或强度调制。
所述的光放大模块采用但不限于掺铒光纤放大器、拉曼放大器、半导体放大器、四分之一波长的DFB或可饱和吸收体。
所述的光电转换模块用于将调制光脉冲信号和光频梳本振信号拍频转换为电信号。可采用但不限于PIN管或APD管等方式实现。
所述的带通滤波器用于滤除所需频段的发射或者接收的电模拟信号。
所述的发射天线模块用于向终端发射经无线传输的一体化信号，所述的接收天线模块接收来自核心网经有线传输的一体化信号，该发射天线模块和接收天线模块可以采用但不限于喇叭天线、微带天线、相控阵天线等，与可以采用但不限于甲乙类互补对称功率放大电路、功率BJT等组合的方式实现。
所述的光采样时钟源，可采用但不限于被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳等方法实现。
所述的光子采样门利用调制器实现对电模拟信号的采样，光子采样门的输出为携带被采样电模拟信号信息的光脉冲信号，所述的光子采样门可采用铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。
所述的N路解复用模块用于将光子采样门输出的光脉冲信号分解为N路光脉冲信号，所述的N路解复用模块可采用但不限于波分复用器、模分复用器、光开关阵列、双输出调制器阵列等方法实现。
所述的光电探测器阵列由N个PD单元组成，用于将光信号转换为电信号，PD单元采用PIN管或APD管。
所述的电子模数转换器阵列由N个电子模数转换器组成，用于将电信号进行量化与编码，电子模数转换器采用示波器、ADC芯片或信号开发板。
所述的通信信息处理模块，用于对采样得到的一体化回波信号进行处理，得到通信信息；
所述的雷达信息处理模块，用于对采样得到的一体化回波信号进行处理，得到雷达探测信息。
另一方面，本发明还提供一种基于光学信息处理的宽带雷达通信一体化方法，其特点在于，包括步骤如下：
在发射端：
光频梳模块产生一系列不同频率的射频本振信号，作为光载波；
将包含通信信息和具备目标探测功能的一体化信号源电光调制于光载波上；
将所得的加载微波信号的调制光信号进行功率放大、拍频、滤波处理；
将处理后形成的一体化电信号通过发射天线模块发射；
在接收端：
光采样时钟源模块产生重复频率为fs、周期为Ts＝1/fs的光脉冲序列，作为光采样时钟；
将接收天线模块所接收的一体化电信号进行放大与滤波处理后，电光调制于光采样时钟上；
通过多通道解复用模块将原本速率为fs的光脉冲序列按时序分解为并行N个速率为fs/N的通道；
将N个速率为fs/N的通道的输出信号分别通过光电转换模块被转换为并行的电信号，然后被并行N个的电子模数转换器以fs/N的速率采集和转化为数字信号；
通过信号产生与处理模块将N个并行数字信号恢复成为速率为fs的串行数字输出，完成射频信号的光子模数转换过程；
最后，对恢复后的串行数字进行通信信息恢复和目标特征信息提取。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.在雷达通信一体化收发系统中，结合微波光子技术的宽带优势，可实现具有高信息传输速率和高分辨率目标探测的雷达通信一体化收发系统。该装置在发射端利用光频率梳模块生成频率间隔可调的频率梳作为本振信号，通过光子外差混合技术产生毫米波乃至太赫兹频率的信号，避免了信号源需要利用高性能本振源进行多次频率变换的过程；在接收端，采用光子模数转换方案，在前端可以实现对回波信号的射频直采，再结合电子后端进行并行数据处理，打破了电模数转换器的带宽限制和采样率限制。
2.针对于雷达目标探测功能，相比于去斜方案，在光子模数转换接收系统的后端通过结合校正雷达测试范围中心偏移的相关算法处理流程来避免分辨率恶化的问题。
3.微波光子的宽带优势，为通信信息传输提供了更大的可用带宽，对一体化信号进行相应的预编码等技术处理，可提升信息传输的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明基于全光信息处理的雷达通信一体化装置实施例的整体架构图；
图2为本发明接收端对一体化信号处理方式框架图；
图3为本发明发射端对一体化信号产生方式框架图
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参见图1，图1为本发明基于全光信息处理的雷达通信一体化装置实施例的整体架构实施例图，如图所示，一种基于光学信息处理的宽带雷达通信一体化系统装置，包括发射端1、接收端2和信号产生与处理模块3。发射端1包括一体化信号源1-1、光频梳模块1-2、电光调制模块1-3、光放大模块1-4、光电转换模块1-5、第一带通滤波器1-6、第一电放大模块1-7、发射天线模块1-8。所述的接收端2包括接收天线模块2-1、第二电放大模块2-2、第二带通滤波器2-3、光采样时钟源2-4、光子采样门2-5、N路解复用模块2-6、由N个PD单元并列构成的光电探测器阵列2-7、由N个电子模数转换器构成的电子模数转换器阵列2-8。
发射端1：所述的光频梳模块1-2的输出端与所述的电光调制模块1-3的第一输入端相连，所述的一体化信号源1-1的输出端与该电光调制模块1-3的第二输入端相连，该电光调制模块1-3的输出端与所述的光放大模块1-4的输入端相连，该光放大模块1-4的输出端与所述的光电转换模块1-5的输入端相连，该光电转换模块1-5的输出端与所述的第一带通滤波器1-6的输入端相连，该第一带通滤波器1-6的输出端与所述的第一电放大模块1-7的输入端相连，该第一电放大模块1-7的输出端与所述的发射天线模块1-8的输入端相连。
接收端2：所述的接收天线模块2-1的输出端与所述的第二电放大模块2-2的输入端相连，该第二电放大模块2-2的输出端与所述的第二带通滤波器2-3的输入端相连，该第二带通滤波器2-3的输出端与所述的光子采样门2-5的第二输入端相连，该光子采样门2-5的第一输入端与所述的光采样时钟源2-4相连，该光子采样门2-5的输出端与所述的N路解复用模块2-6的输入端相连，该N路解复用模块2-6的N个输出端分别与所述的N个PD单元的输入端相连，该N个PD单元的输出端分别与所述的N个电子模数转换器的输入端相连，该N个电子模数转换器的输出端分别和所述的信号产生与处理模块3的输入端相连；该信号产生与处理模块3的输出端与所述的一体化信号源1-1的输入端相连。
上述基于全光信息处理的雷达通信一体化系统的探测和通信方法如下：
1)基于等间距和相干的特性，光频梳模块1-2产生一系列不同频率的射频本振信号，同时也作为光载波输入电光调制模块。其中光频梳模的产生目前有以下几种方案；基于激光外调制发的光频梳产生、基于IQ调制器的循环频移器产生光频梳、基于布里渊循环频移的光频梳产生、基于锁模激光器产生光频梳，以及利用微腔结构产生光频梳等。具体的光频梳产生方案可结合实际应用需求进行选择。
2)信号产生与处理模块3在数字端产生设计好的包含通信信息和具备目标探测功能的一体化信号源(比如但不限于OFDM一体化信号，基于LFM的一体化信号)，该部分可通过但不限于单片机、信息处理板卡来实现，同样将信号输入到电光调制模块中，加载到光载波上，将一体化信号在光域上进行传输；
3)由电光调制模块输出的加载微波信号的光信号经过光放大模块进行功率放大，输入到光电探测模块；
4)在信号经过光电探测模块时，会通过外差混频技术产生毫米波，其具体原理是两束分别来自于发送激光器和本振激光器的光波通过一个光耦合器合并，然后在光电探测器中执行外差拍频探测，从而直接产生毫米波信号。由于产生的毫米波频率等于两个光波的频率之差，因此，通过频率间隔可调的光频梳模块即可改变产生的毫米波频率，具有很好的可调谐性和可扩展性。具有一定频率间隔的光频梳可作为本振信号，在光频梳本振源上加载的微波信号，在经过光电探测模块时，会对信号进行拍频处理，产生不同频率的射频信号，输入到带通滤波器一；
5)在带通滤波器一中滤出所需频段的射频信号，输入到电放大模块一进行功率放大；
6)将功率放大后的信号输入到发射天线模块，经由发射天线模块发射出去实现信息传输和目标探测功能；
7)接收天线模块将接收的一体化信号输入电放大模块二进行功率放大；
8)将功率放大后的一体化信号输入至带通滤波器二，滤出所传输频段的信号，并将其他干扰信号进行滤除；
9)通过光采样时钟源模块产生重复频率为fs、周期为Ts＝1/fs的光脉冲序列作为光采样时钟，其时域和频域表达式为：
其中p(t)表示单个光脉冲的强度，P(f)为p(t)傅里叶变换后的结果。
10)将带通滤波器二输出的模拟一体化信号通过作为光子采样门的电光调制器加载至光采样时钟，从而使得光脉冲序列携带上了模拟输入的信息。此时采样脉冲的幅度可以反应被采样信号的信息，其光场表达式为：
11)将光子采样门输出的信号通过多通道解复用模块，原本速率为fs的光脉冲序列按时序分解为并行N个速率为fs/N的通道。假定解复用后系统的通道数为N(一般为2的幂次方)，则各通道的光场表达式为：
……
上述等式成立的前提是作为电光开关的电光调制器恰好工作在正交偏置点。
12)而后将N个速率为fs/N的通道的输出信号分别通过光电转换模块被转换为并行的电信号。理想情况下，N个光电探测器的响应特性等参数应一致。为了实现高效增益，光电探测器一般采用跨阻放大的方式：
vPD(t)＝GTiPIN＝GTRPINIin(t)
其中iPIN(t)表示PD光电转换后的光电流，GT表示跨阻放大增益，Iin(t)表示PD输入的光信号，RPIN表示PD的响应率。
13)将N通道的电信号输入电模数转换器阵列，并行N通道的电信号被并行N个的电子模数转换器以fs/N的速率采集和转化为数字信号；
14)最后N路信号通过多通道交织算法恢复成为速率为fs的串行数字输出，从而完成了射频信号的光子模数转换过程；
15)对恢复后的串行数字出在信号产生与处理模块进行通信信息恢复和目标特征信息提取的处理，来实现设备与设备间的信息传输以及目标的探测任务(可通过信息的误比特率和目标的一维距离像和二维成像来进行分析)。

Claims (4)

1.一种基于光学信息处理的宽带雷达通信一体化装置，包括发射端（1）和接收端（2）其特征在于，
所述的端（1）包括一体化信号源（1-1）、光频梳模块（1-2）、电光调制模块（1-3）、光放大模块（1-4）、光电转换模块（1-5）、第一带通滤波器（1-6）、第一电放大模块（1-7）、发射天线模块（1-8）；
所述的接收端（2）包括接收天线模块（2-1）、第二电放大模块（2-2）、第二带通滤波器（2-3）、光采样时钟源（2-4）、光子采样门（2-5）、N路解复用模块（2-6）、由N个PD单元并列构成的光电探测器阵列（2-7）、由 N 个电子模数转换器构成的电子模数转换器阵列（2-8）；
发射端（1）：所述的光频梳模块（1-2）的输出端与所述的电光调制模块（1-3）的第一输入端相连，所述的一体化信号源（1-1）为由信号产生与处理模块（3）产生的包含通信信息和具备目标探测功能的电模拟信号，该一体化信号源（1-1）输出端与该电光调制模块（1-3）的第二输入端相连，该电光调制模块（1-3）的输出端与所述的光放大模块（1-4）的输入端相连，该光放大模块（1-4）的输出端与所述的光电转换模块（1-5）的输入端相连，该光电转换模块（1-5）的输出端与所述的第一带通滤波器（1-6）的输入端相连，该第一带通滤波器（1-6）的输出端与所述的第一电放大模块（1-7）的输入端相连，该第一电放大模块（1-7）的输出端与所述的发射天线模块（1-8）的输入端相连；
接收端（2）：所述的接收天线模块（2-1）的输出端与所述的第二电放大模块（2-2）的输入端相连，该第二电放大模块（2-2）的输出端与所述的第二带通滤波器（2-3）的输入端相连，该第二带通滤波器（2-3）的输出端与所述的光子采样门（2-5）的第二输入端相连，该光子采样门（2-5）的第一输入端与所述的光采样时钟源（2-4）相连，该光子采样门（2-5）的输出端与所述的N路解复用模块（2-6）的输入端相连，该N路解复用模块（2-6）的N个输出端分别与所述的N个PD单元的输入端相连，该N个PD单元的输出端分别与所述的N个电子模数转换器的输入端相连，该N个电子模数转换器的输出端分别和所述的信号产生与处理模块（3）的输入端相连；该信号产生与处理模块（3）的输出端与所述的一体化信号源（1-1）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于光学信息处理的宽带雷达通信一体化装置，其特征在于，所述的信号产生与处理模块（3）包括雷达通信一体化信号产生，以及雷达通信一体化信号处理模块，采用电脑、单片机或信息处理板卡。
3.根据权利要求1所述的基于光学信息处理的宽带雷达通信一体化装置，其特征在于，所述的一体化信号源为基于OFDM的电模拟信号，或基于LFM的电模拟信号。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于光学信息处理的宽带雷达通信一体化装置的一体化方法，其特征在于，包括步骤如下：
在发射端：
光频梳模块产生一系列不同频率的射频本振信号，作为光载波；
将包含通信信息和具备目标探测功能的一体化信号源电光调制于光载波上；
将所得的加载微波信号的调制光信号进行功率放大、拍频、滤波处理；
将处理后形成的一体化电信号通过发射天线模块发射；
在接收端：
光采样时钟源模块产生重复频率为 fs、 周期为 Ts=1 / fs的光脉冲序列，作为光采样时钟；
将接收天线模块所接收的一体化电信号进行放大与滤波处理后，电光调制于光采样时钟上；
通过多通道解复用模块将原本速率为fs的光脉冲序列按时序分解为并行N个速率为fs/ N 的通道；
将N个速率为fs / N 的通道的输出信号分别通过光电转换模块被转换为并行的电信号，然后被并行N个的电子模数转换器以fs / N的速率采集和转化为数字信号；
通过信号产生与处理模块将N个并行数字信号恢复成为速率为 fs 的串行数字输出，完成射频信号的光子模数转换过程；
最后，对恢复后的串行数字进行通信信息恢复和目标特征信息提取。
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