CN115032611A - 一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统及方法，中心处理模块：用于将复合光信号传输至探测阵列模块；探测阵列模块：用于接收所述复合光信号，并处理得到接收光信号，将所述接收光信号返回至所述中心处理模块处理得到目标信息；所述中心处理模块和所述探测阵列模块同光光纤连接。本发明信号产生部分，基于光频梳选频实现太赫兹雷达信号的工作波段调节，基于光频梳的丰富频谱特性，可灵活实现太赫兹雷达回波信号在太赫兹波段宽调节，雷达工作带宽不受光频梳重复频率限制，保证谐波混频器参与下变频的射频基频信号与太赫兹雷达回波信号严格相干，从而可保证对太赫兹雷达回波信号的严格相干接收，提高雷达系统的稳定性及信噪比。

Description

一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种雷达探测技术领域，尤其涉及一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统及方法。

背景技术

雷达探测技术作为一种全天时、全天候、远距离的信息获取手段, 在防空预警、精确制导、无人驾驶等军事和民用领域有着非常广泛和重要的应用。传统微波雷达由于频率较低、带宽有限、角分辨率低, 难以对目标进行精细探测。近年来，随着太赫兹波产生、探测、传输器件和技术的逐步成熟，发展高分辨率、实时性、多功能一体的太赫兹雷达技术成为主要技术方向, 但目前太赫兹雷达系统主要基于微波基带信号的倍频及上变频实现，然而受限于射频放大、倍频、混频、传输链路在承载宽带信号的产生、采样、处理等功能时存在潜在的交调/谐波干扰、阻抗匹配，幅度/相位非线性等问题，严重影响太赫兹雷达系统的性能（参见[M. Caris, S. Stanko, S. Palm, et al. 300 GHz radar for highresolution SAR and ISAR applications. 2015 16th International RadarSymposium, Dresden, 2015, 577-580.]）。得益于微波光子技术的快速发展，微波信号的光域产生、传输、处理可解决传统电域无法处理的问题，如光子混频、光子倍频、光子真延时、光子相干接收等为克服传统雷达电子瓶颈问题，改善提高技术性能，提供了新的技术支撑，成为下一代雷达的关键技术（参见 [Ghelfi P, Laghezza F, Scotti F, et al. Afully photonics-based coherent radar system[J]. Nature, 2014, 507(7492): 341-345.]）。目前，基于微波光子学的太赫兹雷达信号产生及去调频技术已有报道，（参见[WangS, Lu Z, Nazar Idrees, et al. Photonic Generation and De-Chirping ofBroadband THz Linear-Frequency-Modulated Signals. Photonics Technologyletters. IEEE, 2019:881-884.]）。但目前基于光子技术实现信号产生和接收的太赫兹雷达探测方案因单一探测单元限制了雷达系统的探测范围，且信号产生方式限制了雷达信号接收方案大多难以通过相干接收实现基带目标回波信号的接收。

为此，我们提出一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统及方法以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统及方法，通过光频梳梳齿选择，实现波段可重构太赫兹雷达信号的产生，基于光载射频技术，实现太赫兹雷达探测单元分布式分布，基于基频同步锁定及光子相干接收技术，实现太赫兹雷达回波信号的实时正交去斜，系统灵活可调，抗干扰性能优异。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，包括：

中心处理模块：用于将复合光信号传输至探测阵列模块；

探测阵列模块：用于接收所述复合光信号，并处理得到接收光信号，将所述接收光信号返回至所述中心处理模块处理得到目标信息；

所述中心处理模块和所述探测阵列模块通过光纤连接。

进一步地，所述中心处理模块包括：

光频梳产生单元，用于生成光频梳信号；

光放大器，用于将所述光频梳信号放大得到放大光频梳信号；

波束整形单元，用于从所述放大光频梳信号中选出复合光梳齿信号以及光载波信号，所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号、光本振信号和光载波信号；

基带信号源，用于生成基带调频信号；

双平行马赫-曾德尔调制器，用于将所述基带调频信号调制到所述光载波信号，得到扫频光信号；

第一光耦合器，用于将所述扫频光信号分为两路，一路送入第二光耦合器，另一路作为参考光信号送入相干接收单元；

第二光耦合器，用于将所述第一光耦合器输出的所述扫频光信号与所述复合光梳齿信号合为复合光信号，并将所述复合光信号送入第一光环形器的第一端口；

第一光环形器，用于将第一光环形器的第一端口输入的所述复合光信号通过第一光环形器的第二端口送入1×N光开关的输入端，并将所述1×N光开关返回的接收光信号通过第一光环形器的第三端口送入相干接收单元；

相干接收单元，用于将所述参考光信号与所述接收光信号在光域实现相干融合检测，得到携带目标信息的两路正交中频信号；

采集处理单元，用于将所述中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息；

所述光频梳产生单元的输出端通过光纤连接所述光放大器的输入端，所述光放大器的输出端通过光纤连接所述波束整形单元，所述波束整形单元的输出端通过光纤分别连接所述双平行马赫-曾德尔调制器的输入端和所述第二光耦合器的输入端，所述基带信号源的输出端通过光纤连接所述双平行马赫-曾德尔调制器，所述双平行马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接所述第一光耦合器，所述第一光耦合器的输出端通过光纤分别连接所述第二光耦合器的输入端和所述相干接收单元的输入端，所述第二光耦合器的输出端通过光纤连接所述第一光环形器的第一端口，所述第一光环形器的第二端口通过光纤连接所述1×N光开关，所述第一光环形器的第三端口通过光纤连接所述相干接收单元的输入端，所述相干接收单元的输出端通过光纤连接所述采集处理单元，所述1×N光开关通过光纤连接所述探测阵列模块。

进一步地，所述探测阵列模块包括若干个探测单元，每个所述探测单元均与所述中心处理模块通过光纤连接，所述探测单元用于接收所述复合光信号，并处理得到接收光信号，将所述接收光信号返回至所述中心处理模块处理得到目标信息。

进一步地，所述探测单元包括：

第二光环形器，用于将第二光环形器的第二端口输入的所述复合光信号通过第二光环形器的第三端口送入第一滤波器，并将第二光环形器的第一端口输入的接收光信号通过第二光环形器的第二端口返回至所述中心处理模块；

第一滤波器，用于从所述复合光信号滤出承载射频基频信号的光梳齿信号，并将所述承载射频基频信号的光梳齿信号送入光电探测器，剩余所述复合光信号送入第二滤波器；

光电探测器，用于将所述承载射频基频信号的光梳齿信号转换为射频基频信号，并将所述射频基频信号送入接收组件；

第二滤波器，用于从剩余所述复合光信号滤出光载波信号和发射光信号，并将所述光载波信号送入马赫-曾德尔调制器，将所述发射光信号送入发射组件；

发射组件，用于将所述发射光信号转换成太赫兹雷达信号并通过目标环境的反射得到太赫兹雷达回波信号发射给接收组件；

接收组件，用于所述太赫兹雷达回波信号的接收，并基于射频基频信号将所述太赫兹雷达回波信号下变频到基带目标回波信号；

低噪声放大器，用于将所述基带目标回波信号放大得到放大基带目标回波信号；

马赫-曾德尔调制器，用于将所述放大基带目标回波信号调制到光载波信号上得到接收光信号，并将所述接收光信号送入第二光环形器的第一端口；

所述第二光环形器的第三端口通过光纤连接所述第一滤波器的输入端，所述第一滤波器的输出端通过光纤连接所述光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端通过光纤连接所述接收组件的输入端，所述接收组件的输出端通过光纤连接所述低噪声放大器的输入端，所述低噪声放大器的输出端通过光纤连接所述马赫-曾德尔调制器的输入端，所述马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接所述第二光环形器的第一端口，所述第二滤波器的输出端通过光纤分别连接所述发射组件的输入端和所述马赫-曾德尔调制器的输入端。

进一步地，所述发射组件包括：

单向载流子探测器，用于将所述发射光信号转化为太赫兹雷达信号；

太赫兹雷达一，用于将所述太赫兹雷达信号发射到目标环境中，遇到目标环境反射得到太赫兹雷达回波信号；

所述单向载流子探测器的输出端连接所述太赫兹雷达一的输入端。

进一步地，所述接收组件包括：

太赫兹雷达二，用于将所述太赫兹雷达回波信号汇聚到谐波混频器；

谐波混频器，用于将所述射频基频信号发生倍频得到谐波太赫兹信号，所述谐波太赫兹信号与所述太赫兹雷达回波信号混频后得到下变频的基带目标回波信号；

微波放大器，用于对所述射频基频信号功率放大；

所述太赫兹雷达二的输出端和所述微波放大器的输出端均连接所述谐波混频器的输入端。

进一步地，所述第一滤波器和所述第二滤波器为布拉格光栅滤波器。

进一步地，所述光频梳产生单元为锁模激光器。

进一步地，所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号为相邻的两个梳齿，所述复合光梳齿信号用于承载的光本振信号和所述复合光梳齿信号用于承载的光本振信号为两个不同位置的梳齿。

本发明还提供一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测方法，应用于上述实施例中任一项所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，包括以下步骤：

步骤S1：光频梳产生单元生成光频梳信号，经过放大器放大得到放大光频梳信号，波束整形单元从所述放大光频梳信号中选出复合光梳齿信号以及光载波信号，所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号、光本振信号和光载波信号；

步骤S2：基带信号源生成基带调频信号，双平行马赫-曾德尔调制器将所述基带调频信号调制到所述光载波信号，得到扫频光信号，第一光耦合器将所述扫频光信号分为两路，一路送入第二光耦合器，另一路作为参考光信号送入相干接收单元；

步骤S3：第二光耦合器将所述扫频光信号与所述复合光梳齿信号合为复合光信号，并将所述复合光信号送入第一光环形器的第一端口，第一光环形器将第一光环形器的第一端口输入的所述复合光信号通过第一光环形器的第二端口送入1×N光开关的输入端；

步骤S4：1×N光开关将所述复合光信号输入第二光环形器的第二端口，并通过第二光环形器的第三端口送入第一滤波器，第一滤波器从所述复合光信号滤出承载射频基频信号的光梳齿信号，并将所述承载射频基频信号的光梳齿信号送入光电探测器，剩余所述复合光信号送入第二滤波器，第二滤波器从剩余所述复合光信号滤出光载波信号和发射光信号，并将所述光载波信号送入马赫-曾德尔调制器，将所述发射光信号送入发射组件，发射组件将发射光信号转换成太赫兹雷达信号并通过目标环境的反射得到太赫兹雷达回波信号发射给接收组件，光电探测器将所述承载射频基频信号的光梳齿信号转换为射频基频信号，并将所述射频基频信号送入接收组件，接收组件用于所述太赫兹雷达回波信号的接收，并基于射频基频信号将所述太赫兹雷达回波信号变频到基带目标回波信号；

步骤S5：低噪声放大器将所述基带目标回波信号放大得到放大基带目标回波信号，马赫-曾德尔调制器将所述放大基带目标回波信号调制到光载波信号上得到接收光信号，并将所述接收光信号送入第二光环形器的第一端口，第二光环形器的第一端口输入的接收光信号通过第二光环形器的第二端口返回至1×N光开关，1×N光开关返回的接收光信号通过第一光环形器的第三端口送入相干接收单元；

步骤S6：相干接收单元将所述参考光信号与所述接收光信号在光域实现相干融合检测，得到携带目标信息的两路正交中频信号，采集处理单元所述中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息。

本发明的有益效果是：

1、本发明信号产生部分，基于光频梳选频实现太赫兹雷达信号的工作波段调节，基于光频梳的丰富频谱特性，可灵活实现太赫兹雷达回波信号在太赫兹波段宽调节，雷达工作带宽不受光频梳重复频率限制。

2、本发明基于单个高性能参考信号同时为光频梳产生器与谐波混频器提供参考信号，保证谐波混频器参与下变频的射频基频信号与太赫兹雷达回波信号严格相干，从而可保证对太赫兹雷达回波信号的严格相干接收，提高雷达系统的稳定性及信噪比。

3、本发明基于光载射频技术，在中心处理模块将基带调频信号加载到光载波信号上，并与承载基频信号的光梳齿信号、光本振信号、光载波信号的复合光梳齿信号，通过光开关选通到连接不同长度光纤的雷达探测单元，实现太赫兹雷达探测单元分布式分布。

附图说明

图1为本发明一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统的结构示意图；

图2为本发明一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统的探测单元示意图；

图3为本发明一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统的发射组件示意图；

图4为本发明一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统的接收组件示意图；

图5为本发明实施例太赫兹雷达探测系统的示意图及对应节点处的信号频谱示意图；

图6为本发明实施例太赫兹雷达探测系统的探测模块示意图及对应节点处的信号频谱示意图；

图7为本发明实施例太赫兹雷达探测系统的发射组件示意图和信号频谱示意图；

图8为本发明实施例太赫兹雷达探测系统的接收组件示意图和信号频谱示意图。

具体实施方式

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，包括：

中心处理模块：用于将复合光信号传输至探测阵列模块；

所述中心处理模块包括：

光频梳产生单元，用于生成光频梳信号；

所述光频梳产生单元为锁模激光器。

光放大器，用于将所述光频梳信号放大得到放大光频梳信号；

波束整形单元，用于从所述放大光频梳信号中选出复合光梳齿信号以及光载波信号，所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号、光本振信号和光载波信号；

所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号为相邻的两个梳齿，所述复合光梳齿信号用于承载的光本振信号和所述复合光梳齿信号用于承载的光本振信号为两个不同位置的梳齿。

基带信号源，用于生成基带调频信号；

双平行马赫-曾德尔调制器，用于将所述基带调频信号调制到所述光载波信号，得到扫频光信号；

第一光耦合器，用于将所述扫频光信号分为两路，一路送入第二光耦合器，另一路作为参考光信号送入相干接收单元；

第二光耦合器，用于将所述第一光耦合器输出的所述扫频光信号与所述复合光梳齿信号合为复合光信号，并将所述复合光信号送入第一光环形器的第一端口11；

第一光环形器，用于将第一光环形器的第一端口11输入的所述复合光信号通过第一光环形器的第二端口12送入1×N光开关的输入端，并将所述1×N光开关返回的接收光信号通过第一光环形器的第三端口13送入相干接收单元；

相干接收单元，用于将所述参考光信号与所述接收光信号在光域实现相干融合检测，得到携带目标信息的两路正交中频信号；

采集处理单元，用于将所述中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息；

所述光频梳产生单元的输出端通过光纤连接所述光放大器的输入端，所述光放大器的输出端通过光纤连接所述波束整形单元，所述波束整形单元的输出端通过光纤分别连接所述双平行马赫-曾德尔调制器的输入端和所述第二光耦合器的输入端，所述基带信号源的输出端通过光纤连接所述双平行马赫-曾德尔调制器，所述双平行马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接所述第一光耦合器，所述第一光耦合器的输出端通过光纤分别连接所述第二光耦合器的输入端和所述相干接收单元的输入端，所述第二光耦合器的输出端通过光纤连接所述第一光环形器的第一端口11，所述第一光环形器的第二端口12通过光纤连接所述1×N光开关，所述第一光环形器的第三端口13通过光纤连接所述相干接收单元的输入端，所述相干接收单元的输出端通过光纤连接所述采集处理单元，所述1×N光开关通过光纤连接所述探测阵列模块。

探测阵列模块：用于接收所述复合光信号，并处理得到接收光信号，将所述接收光信号返回至所述中心处理模块处理得到目标信息；

参见图2，所述探测阵列模块包括若干个探测单元，每个所述探测单元均与所述中心处理模块通过光纤连接，所述探测单元用于接收所述复合光信号，并处理得到接收光信号，将所述接收光信号返回至所述中心处理模块处理得到目标信息。

所述探测单元包括：

第二光环形器，用于将第二光环形器的第二端口22输入的所述复合光信号通过第二光环形器的第三端口23送入第一滤波器，并将第二光环形器的第一端口21输入的接收光信号通过第二光环形器的第二端口22返回至所述中心处理模块；

第一滤波器，用于从所述复合光信号滤出承载射频基频信号的光梳齿信号，并将所述承载射频基频信号的光梳齿信号送入光电探测器，剩余所述复合光信号送入第二滤波器；

光电探测器，用于将所述承载射频基频信号的光梳齿信号转换为射频基频信号，并将所述射频基频信号送入接收组件；

第二滤波器，用于从剩余所述复合光信号滤出光载波信号和发射光信号，并将所述光载波信号送入马赫-曾德尔调制器，将所述发射光信号送入发射组件；

所述第一滤波器和所述第二滤波器为布拉格光栅滤波器。

参见图3，发射组件，用于将所述发射光信号转换成太赫兹雷达信号并通过目标环境的反射得到太赫兹雷达回波信号发射给接收组件；

所述发射组件包括：

单向载流子探测器，用于将所述发射光信号转化为太赫兹雷达信号；

太赫兹雷达一，用于将所述太赫兹雷达信号发射到目标环境中，遇到目标环境反射得到太赫兹雷达回波信号；

所述单向载流子探测器的输出端连接所述太赫兹雷达一的输入端。

参见图4，接收组件，用于所述太赫兹雷达回波信号的接收，并基于射频基频信号将所述太赫兹雷达回波信号下变频到基带目标回波信号；

所述接收组件包括：

太赫兹雷达二，用于将所述太赫兹雷达回波信号汇聚到谐波混频器；

谐波混频器，用于将所述射频基频信号发生倍频得到谐波太赫兹信号，所述谐波太赫兹信号与所述太赫兹雷达回波信号混频后得到下变频的基带目标回波信号；

微波放大器，用于对所述射频基频信号功率放大；

所述太赫兹雷达二的输出端和所述微波放大器的输出端均连接所述谐波混频器的输入端。

低噪声放大器，用于将所述基带目标回波信号放大得到放大基带目标回波信号；

马赫-曾德尔调制器，用于将所述放大基带目标回波信号调制到光载波信号上得到接收光信号，并将所述接收光信号送入第二光环形器的第一端口21；

所述第二光环形器的第三端口23通过光纤连接所述第一滤波器的输入端，所述第一滤波器的输出端通过光纤连接所述光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端通过光纤连接所述接收组件的输入端，所述接收组件的输出端通过光纤连接所述低噪声放大器的输入端，所述低噪声放大器的输出端通过光纤连接所述马赫-曾德尔调制器的输入端，所述马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接所述第二光环形器的第一端口21，所述第二滤波器的输出端通过光纤分别连接所述发射组件的输入端和所述马赫-曾德尔调制器的输入端。

所述中心处理模块和所述探测阵列模块用光纤连接。

实施例：本实施例一种基于光子技术的太赫兹雷达探测系统具体包括，如图5中的（a）所示，包括：光频梳产生单元（采用锁模激光器）、光放大器、波束整形单元、基带信号源、双平行马赫-曾德尔调制器（双平行MZM）、第一光耦合器采用1×2光耦合器（OC1）、第二光耦合器采用2×1光耦合器（OC2）、第一光环形器、1×N光开关、N个探测单元、相干接收单元、采集处理单元等。

见图6中的（a），探测单元包括：第二光环形器，第一布拉格光栅滤波器（FBG1），第二布拉格光栅滤波器（FBG2）、光电探测器（PD）、低噪声放大器（LNA）、马赫-曾德尔调制器（MZM）、发射组件、接收组件。

见图7中的（a），发射组件包括：单向载流子探测器（UTC-PD）和太赫兹雷达一；太赫兹雷达一包括太赫兹放大器、太赫兹天线和发射太赫兹透镜（TxLen）。

见图8中的（a），接收组件包括：谐波混频器、微波放大器和太赫兹雷达二；太赫兹雷达二包括太赫兹放大器、太赫兹天线和接收太赫兹透镜（RxLen）。

本实施例的太赫兹分布式雷达探测系统，工作在锁模状态的锁模激光器输出频率间隔为f_PRF的光频梳信号，光放大器对光频梳信号放大后送入波束整形器，波束整形器从光频梳信号中分别选出光载波信号及承载射频基频信号的光梳齿信号f_PRF、本振信号f_LO和光载波信号f_C的复合光梳齿信号，其中复合光梳齿信号如图5中的（b）中的A所示，承载射频基频信号的光梳齿信号f_PRF为相邻的两个梳齿，本振信号f_LO和光载波信号f_C为两个不同位置的梳齿，且本振信号f_LO和光载波信号f_C频率差为Mf_PRF。复合光梳齿信号表示为：

S_5-A (t) = A_F1exp[j2πf _F1t]+A_F2exp[j2πf _F2t]+ A_Cexp[j2πf_Ct] + A_LOexp[j2πf_LOt]

其中，A_F1、A_F2、A_C、A_LO分别为不同梳齿信号的幅度，f _F1与f _F2为承载射频基频信号的光梳齿信号的相邻两根梳齿对应的频率。光载波信号送入双平行马赫-曾德尔调制器，基带信号源产生的频率为f_LFM=f₀+kt (0≤t≤T)的基带调频信号通过双平行马赫-曾德尔调制器对光载波信号进行抑制载波单边带调制，获得正一阶扫频边带或负一阶扫频边带的扫频，此处以正一阶扫频边带为例，其瞬时频率为f_C + f_LFM，时域表示为：

S_{5_B} (t) = A_Sexp[j2π(f_C+ f₀+0.5kt)t] (0≤t≤T)

其中，A_S为信号电场幅度。其光谱如图5中的（b）中的B所示。经调制后的正一阶扫频边带信号送入第一光耦合器（OC1），一路作为参考光信号进入相干接收单元，另一路与复合光梳齿信号融合，扫频光信号与复合光梳齿信号合波的复合光信号的频谱分布如图5中的（b）中的C所示，时域表示为：

S_{5_C}(t) = A_F1exp[j2πf _F1t]+A_F2exp[j2πf _F2t]+ A_Cexp[j2πf_Ct] + A_LOexp[j2πf_LOt]+A_Sexp[j2π(f_C+f₀+0.5kt)t] (0≤t≤T)

复合光信号送入第一光环形器的第一端口11并通过第一光环形器的第二端口12输出，继而通过1×N光开关输入到某个探测单元，从第二光环形器的第二端口22输入并从第二光环形器的第三端口23输出到第一布拉格光栅滤波器（FBG1），第一布拉格光栅滤波器（FBG1）从复合光信号中滤出承载射频基频信号的光梳齿信号并送给光电探测器（PD），光谱如图6中的（b）中的A所示，时域表示为：

S_{6_A} (t) = A_F1exp[j2πf _F1t]+A_F2exp[j2πf _F2t] (0≤t≤T)

光电探测器（PD）将承载射频基频信号的光梳齿信号转换为频率为f_PRF射频基频信号，并送给接收单元，第一布拉格光栅滤波器（FBG1）将剩余复合光信号送入第二布拉格光栅滤波器（FBG2），如图6中的（b）中的B所示，时域表示为：

S_{6_B}(t) = A_Cexp[j2πf_Ct] + A_LOexp[j2πf_LOt] + A_Sexp[j2π(f_C+ f₀+0.5kt)t](0≤t≤T)

第二布拉格光栅滤波器（FBG2）将从剩余复合光信号滤出的光载波信号送入马赫-曾德尔调制器（MZM），如图6中的（b）中的C所示， 时域表示为：

S_{6_C}(t) = A_Cexp[j2πf_Ct] (0≤t≤T)

第二布拉格光栅滤波器（FBG2）将从剩余复合光信号滤出的发射光信号送入发射组件，如图6中的（b）中的D所示，时域表示为：

S_T (t) = A_LOexp[j2πf_LOt] + A_Sexp[j2π(f_LO+Mf_PRF+f₀+0.5kt)t] (0≤t≤T)

送入发射组件的发射光信号经过单向载流子探测器（UTC-PD）进行光电转化后得到太赫兹雷达信号并通过太赫兹放大器和太赫兹天线辐射到目标环境中，发射太赫兹透镜（TxLen）对太赫兹雷达信号进行会聚并辐射到目标环境中，发射组件如图7中的（a）所示，太赫兹雷达信号的频谱如图7中的（b）所示，时域可表示为：

S_{T_T} (t) = A_{M_T}exp[j2π(Mf_PRF+f₀+0.5kt)t] (0≤t≤T)

其中，A_{M_T}为太赫兹雷达信号幅度，遇到目标环境的太赫兹雷达信号发生反射得到太赫兹雷达回波信号，太赫兹雷达回波信号通过接收组件的接收太赫兹透镜（RxLen）会聚通过太赫兹放大器、太赫兹天线到谐波混频器处。送入接收组件的射频基频信号输入谐波混频器处，在谐波混频器中发生倍频得到频率为Mf_PRF的谐波太赫兹信号，谐波太赫兹信号与太赫兹雷达回波信号混频后，得到下变频的基带目标回波信号，接收组件如图8中的（a）所示，基带目标回波信号的频谱如图8中的（b）所示，时域表示为：

S_{T_R} (t) = A_{M_R}exp[j2π(f₀(t-τ)+0.5k(t-τ)²)] (0≤t≤T)

其中，A_{M_R}是信号电场幅度，τ是太赫兹雷达回波信号相对太赫兹雷达信号的延时。基带目标回波信号通过低噪声放大器（LNA）放大后通过马赫-曾德尔调制器（MZM）调制到光载波信号，得到接收光信号。当忽略高阶调制边带，只考虑正负一阶调制边带时，接收光信号光谱图如图6中的（b）中的E所示，其时域可以表示为：

S_{L_R}(t)=A_Dexp[j2π(f_C+(f₀-0.5k(t-τ))) (t-τ)]+ A₀exp[j2π((f_C+f₀)(t-τ))] +A_Uexp[j2π(f_C+ (f₀+0.5k(t-τ))) (t-τ)] (0≤t≤T)

其中，A_D、A₀及A_U为负一阶、载波、正一阶边带信号幅度。接收光信号送入第二光环形器的第一端口21并从第二光环形器的第二端口22输出，继而通过1×N光开关送入第一光环形器的第一端口11并从第一光环形器的第三端口13，送入相干接收单元的另一个光接收端，接收光信号与参考光信号在光域实现相干融合检测，且其正一阶边带与参考光信号重合，其光谱如图5中的（b）中的D所示。重合部分瞬时频率差为f_IF =kτt，接收光信号与参考光信号在相干接收单元实现相干接收后，在相干接收单元的两个输出端得到两路正交中频信号，中频信号表示为：

(0≤ t ≤T)

即携带目标信息的中频信号的两个正交分量S_I(t)、S_Q(t)，其中ϕ为中频信号的相位信息，对应信号复数形式为：

S_IF (t) = S_I (t)+ jS_Q(t)= Cexp[j2πkτt+jϕ] (0≤t≤T)

其中，C为中频信号的幅度，将中频信号通过采集处理单元模数转换后，基于雷达信号处理算法即可得到目标距离、速度、散射特性等信息，其频谱如图5中的（b）中的E所示。

本实施例在通过同一时钟源锁定锁模激光器及为谐波混频器提供射频基频信号，可保证雷达系统良好的相干性；基于光载射频技术，实现太赫兹雷达探测单元分布式分布；通过选定光频梳不同梳齿可实现太赫兹雷达工作波段的灵活调节；并基于光子相干接收技术，在保证雷达系统工作在太赫兹波段的同时实现实时相干接收，得到复数中频信号。相比实数中频信号不仅多一个维度的信息，且具有更强的抵抗镜频干扰的能力。接收机信噪比整体也可大大提升。

通过控制波束整形单元工作状态可以控制复合光梳齿信号中的光载波信号和光本振信号两根频率不同梳齿的位置，继而粗调太赫兹雷达信号的工作波段，即太赫兹雷达信号Mf_PRF＋f_LFM或Mf_PRF -f_LFM中M种的大小；基带调频信号f_LFM的频率不受光频梳信号重复频率f_PRF的限制，即通过控制基带调频信号f_LFM的频率可以细调太赫兹雷达信号的工作频率及带宽。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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)

1.一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，包括：

中心处理模块：用于将复合光信号传输至探测阵列模块；

探测阵列模块：用于接收所述复合光信号，并处理得到接收光信号，将所述接收光信号返回至所述中心处理模块处理得到目标信息；

所述中心处理模块和所述探测阵列模块通过光纤连接。

2.如权利要求1所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述中心处理模块包括：

光频梳产生单元，用于生成光频梳信号；

光放大器，用于将所述光频梳信号放大得到放大光频梳信号；

波束整形单元，用于从所述放大光频梳信号中选出复合光梳齿信号以及光载波信号，所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号、光本振信号和光载波信号；

基带信号源，用于生成基带调频信号；

双平行马赫-曾德尔调制器，用于将所述基带调频信号调制到所述光载波信号，得到扫频光信号；

第一光耦合器，用于将所述扫频光信号分为两路，一路送入第二光耦合器，另一路作为参考光信号送入相干接收单元；

第二光耦合器，用于将所述第一光耦合器输出的所述扫频光信号与所述复合光梳齿信号合为复合光信号，并将所述复合光信号送入第一光环形器的第一端口（11）；

第一光环形器，用于将第一光环形器的第一端口（11）输入的所述复合光信号通过第一光环形器的第二端口（12）送入1×N光开关的输入端，并将所述1×N光开关返回的接收光信号通过第一光环形器的第三端口（13）送入相干接收单元；

相干接收单元，用于将所述参考光信号与所述接收光信号在光域实现相干融合检测，得到携带目标信息的两路正交中频信号；

采集处理单元，用于将所述中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息；

所述光频梳产生单元的输出端通过光纤连接所述光放大器的输入端，所述光放大器的输出端通过光纤连接所述波束整形单元，所述波束整形单元的输出端通过光纤分别连接所述双平行马赫-曾德尔调制器的输入端和所述第二光耦合器的输入端，所述基带信号源的输出端通过光纤连接所述双平行马赫-曾德尔调制器，所述双平行马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接所述第一光耦合器，所述第一光耦合器的输出端通过光纤分别连接所述第二光耦合器的输入端和所述相干接收单元的输入端，所述第二光耦合器的输出端通过光纤连接所述第一光环形器的第一端口（11），所述第一光环形器的第二端口（12）通过光纤连接所述1×N光开关，所述第一光环形器的第三端口（13）通过光纤连接所述相干接收单元的输入端，所述相干接收单元的输出端通过光纤连接所述采集处理单元，所述1×N光开关通过光纤连接所述探测阵列模块。

3.如权利要求1所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述探测阵列模块包括若干个探测单元，每个所述探测单元均与所述中心处理模块通过光纤连接，所述探测单元用于接收所述复合光信号，并处理得到接收光信号，将所述接收光信号返回至所述中心处理模块处理得到目标信息。

4.如权利要求3所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述探测单元包括：

第二光环形器，用于将第二光环形器的第二端口（22）输入的所述复合光信号通过第二光环形器的第三端口（23）送入第一滤波器，并将第二光环形器的第一端口（21）输入的接收光信号通过第二光环形器的第二端口（22）返回至所述中心处理模块；

第一滤波器，用于从所述复合光信号滤出承载射频基频信号的光梳齿信号，并将所述承载射频基频信号的光梳齿信号送入光电探测器，剩余所述复合光信号送入第二滤波器；

光电探测器，用于将所述承载射频基频信号的光梳齿信号转换为射频基频信号，并将所述射频基频信号送入接收组件；

第二滤波器，用于从剩余所述复合光信号滤出光载波信号和发射光信号，并将所述光载波信号送入马赫-曾德尔调制器，将所述发射光信号送入发射组件；

发射组件，用于将所述发射光信号转换成太赫兹雷达信号并通过目标环境的反射得到太赫兹雷达回波信号发射给接收组件；

接收组件，用于所述太赫兹雷达回波信号的接收，并基于射频基频信号将所述太赫兹雷达回波信号下变频到基带目标回波信号；

低噪声放大器，用于将所述基带目标回波信号放大得到放大基带目标回波信号；

马赫-曾德尔调制器，用于将所述放大基带目标回波信号调制到光载波信号上得到接收光信号，并将所述接收光信号送入第二光环形器的第一端口（21）；

所述第二光环形器的第三端口（23）通过光纤连接所述第一滤波器的输入端，所述第一滤波器的输出端通过光纤连接所述光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端通过光纤连接所述接收组件的输入端，所述接收组件的输出端通过光纤连接所述低噪声放大器的输入端，所述低噪声放大器的输出端通过光纤连接所述马赫-曾德尔调制器的输入端，所述马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接所述第二光环形器的第一端口（21），所述第二滤波器的输出端通过光纤分别连接所述发射组件的输入端和所述马赫-曾德尔调制器的输入端。

5.如权利要求4所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述发射组件包括：

单向载流子探测器，用于将所述发射光信号转化为太赫兹雷达信号；

太赫兹雷达一，用于将所述太赫兹雷达信号发射到目标环境中，遇到目标环境反射得到太赫兹雷达回波信号；

所述单向载流子探测器的输出端连接所述太赫兹雷达一的输入端。

6.如权利要求4所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述接收组件包括：

太赫兹雷达二，用于将所述太赫兹雷达回波信号汇聚到谐波混频器；

谐波混频器，用于将所述射频基频信号发生倍频得到谐波太赫兹信号，所述谐波太赫兹信号与所述太赫兹雷达回波信号混频后得到下变频的基带目标回波信号；

微波放大器，用于对所述射频基频信号功率放大；

所述太赫兹雷达二的输出端和所述微波放大器的输出端均连接所述谐波混频器的输入端。

7.如权利要求4所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述第一滤波器和所述第二滤波器为布拉格光栅滤波器。

8.如权利要求2所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述光频梳产生单元为锁模激光器。

9.如权利要求2所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号为相邻的两个梳齿，所述复合光梳齿信号用于承载的光本振信号和所述复合光梳齿信号用于承载的光本振信号为两个不同位置的梳齿。

10.一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测方法，应用于权利要求1-9任一项所述的一种基于光子技术的分布式太赫兹雷达探测系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：光频梳产生单元生成光频梳信号，经过放大器放大得到放大光频梳信号，波束整形单元从所述放大光频梳信号中选出复合光梳齿信号以及光载波信号，所述复合光梳齿信号用于承载基频信号的光梳齿信号、光本振信号和光载波信号；

步骤S2：基带信号源生成基带调频信号，双平行马赫-曾德尔调制器将所述基带调频信号调制到所述光载波信号，得到扫频光信号，第一光耦合器将所述扫频光信号分为两路，一路送入第二光耦合器，另一路作为参考光信号送入相干接收单元；

步骤S3：第二光耦合器将所述扫频光信号与所述复合光梳齿信号合为复合光信号，并将所述复合光信号送入第一光环形器的第一端口（11），第一光环形器将第一光环形器的第一端口（11）输入的所述复合光信号通过第一光环形器的第二端口（12）送入1×N光开关的输入端；

步骤S4：1×N光开关将所述复合光信号输入第二光环形器的第二端口（22），并通过第二光环形器的第三端口（23）送入第一滤波器，第一滤波器从所述复合光信号滤出承载射频基频信号的光梳齿信号，并将所述承载射频基频信号的光梳齿信号送入光电探测器，剩余所述复合光信号送入第二滤波器，第二滤波器从剩余所述复合光信号滤出光载波信号和发射光信号，并将所述光载波信号送入马赫-曾德尔调制器，将所述发射光信号送入发射组件，发射组件将发射光信号转换成太赫兹雷达信号并通过目标环境的反射得到太赫兹雷达回波信号发射给接收组件，光电探测器将所述承载射频基频信号的光梳齿信号转换为射频基频信号，并将所述射频基频信号送入接收组件，接收组件用于所述太赫兹雷达回波信号的接收，并基于射频基频信号将所述太赫兹雷达回波信号变频到基带目标回波信号；

步骤S5：低噪声放大器将所述基带目标回波信号放大得到放大基带目标回波信号，马赫-曾德尔调制器将所述放大基带目标回波信号调制到光载波信号上得到接收光信号，并将所述接收光信号送入第二光环形器的第一端口（21），第二光环形器的第一端口（21）输入的接收光信号通过第二光环形器的第二端口（22）返回至1×N光开关，1×N光开关返回的接收光信号通过第一光环形器的第三端口（13）；

步骤S6：相干接收单元将所述参考光信号与所述接收光信号在光域实现相干融合检测，得到携带目标信息的两路正交中频信号，采集处理单元所述中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息。

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