CN115128589B

CN115128589B - 一种微波光子mimo雷达探测方法及系统

Info

Publication number: CN115128589B
Application number: CN202211060761.7A
Authority: CN
Inventors: 郭清水; 尹坤; 刘硕; 吉晨
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2042-09-01
Also published as: CN115128589A

Abstract

本发明公开了一种微波光子MIMO雷达探测系统，包括：第一光频梳产生模块，用于产生第一光频梳信号；雷达发射组件，用于将M路所述探测光信号分别完成光电转换得到M个载频依次等间隔增加差频

的雷达发射信号进行发射；雷达接收组件，用于将N路所述接收光载波信号通过延时阵列依次增加等间隔延时

，同时对雷达回波信号分别调制到N路所述接收光载波信号得到N路接收光信号，并将N路所述接收光信号传输至信号处理组件；信号处理组件，用于将所述扫频光频梳信号和N路所述接收光信号波分复用为一路的复合接收光信号进行处理，提取出探测目标信息。本发明基于两级差频复用，可在单个信号周期内实现MIMO雷达探测，可有效提高雷达系统目标探测时间效率。

Description

一种微波光子MIMO雷达探测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种雷达探测技术领域，尤其涉及一种微波光子MIMO雷达探测方法及系统。

背景技术

多输入多输出技术广泛应用于雷达系统中以提高雷达等效天线孔径，从而提高目标角度探测精度（参见[De Wit J J M, Van Rossum W L, De Jong A J. Orthogonalwaveforms for FMCW MIMO radar. IEEE, 2011.]）。受限于电子技术固有的高损耗问题，目前电子MIMO雷达系统多集中于单片系统或低频分布式系统，限制了MIMO技术在雷达系统中的优势。得益于微波光子技术的快速发展，基于光子技术大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，微波光子技术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[J. Yao, "Microwave Photonics," Journalof Lightwave Technology, vol. 27, no. 3, pp. 314-335, 2009.]）。例如，一种基于微波光子技术的频分复用MIMO雷达已详细研究了微波光子技术及MIMO技术带来的雷达系统性能提升（参见[F. Zhang, B. Gao, and S. Pan, "Photonics-based MIMO radar withhigh-resolution and fast detection capability," Optics Express, vol. 26, no.13, pp. 17529-17540, 2018.]）。但频分复用因为频率资源有限，系统通道数受限，从而限制了系统的等效孔径大小。此外一种基于微波光子时分复用MIMO雷达采用发射信号时域分级实现发射信号的正交（[F. Berland, T. Fromenteze, D. Boudescoque, P. Bin, H.Elwan, C. Berthelemot, C. Decroze, "Microwave Photonic MIMO Radar for Short-Range 3D Imaging," IEEE Access, vol. 8, pp. 107326-107334, 2020.]）。虽然该方法提高了雷达系统的频带利用率，但雷达信号产生与接收由独立功能模块实现，且光链路只实现了接收信号的传输，仍需高速光电探测器及高速模数转换器实现信号的光电转换及采集，导致系统实时处理能力受限。

为此，我们提供一种微波光子MIMO雷达探测方法及系统以解决上述技术问题。

发明内容

本发明为了解决如何在MIMO雷达发射端基于双光频梳实现发射信号差频复用从而提高雷达系统频谱利用率，在MIMO雷达接收端基于延时阵列实现接收信号的差频复用，基于两级差频复用技术的优势，在保证雷达系统频带利用率及性能的同时，大幅降低雷达系统单周期工作时间，提高雷达系统工作时效的问题，在于提供一种微波光子MIMO雷达探测方法及系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种微波光子MIMO雷达探测系统，包括：

第一光频梳产生模块，用于产生第一光频梳信号，并将所述第一光频梳信号分别传输至雷达发射组件和雷达接收组件；

雷达发射组件，用于将扫频基带信号调制所述第一光频梳信号得到扫频光频梳信号，并将所述扫频光频梳信号分为两路，一路传输至信号处理组件，另一路与第二光频梳产生模块产生的第二光频梳信号合为一路后解复用为M路探测光信号，M路所述探测光信号分别完成光电转换得到M个载频依次等间隔增加差频

的雷达发射信号进行发射，对目标进行探测；

雷达接收组件，用于将所述第一光频梳信号解复用为N路接收光载波信号，N路所述接收光载波信号通过延时阵列依次增加等间隔延时

，同时对雷达回波信号分别调制到N路所述接收光载波信号得到N路接收光信号，并将N路所述接收光信号传输至信号处理组件；

信号处理组件，用于将所述扫频光频梳信号和N路所述接收光信号波分复用为一路的复合接收光信号进行处理，提取出探测目标信息。

进一步地，所述雷达发射组件包括：

基带信号，用于产生扫频基带信号，并将所述扫频基带信号传输至双平行马赫-曾德尔调制器；

双平行马赫-曾德尔调制器，用于将所述扫频基带信号抑制载波单边带调制到所述第一光频梳信号上，得到扫频光频梳信号，并将所述扫频光频梳信号传输至第一光耦合器；

第一光耦合器，用于将所述扫频光频梳信号分为两路，分别送入第二光耦合器与所述信号处理组件；

第二光频梳产生模块，用于产生第二光频梳信号，并将所述第二光频梳信号传输至第二光耦合器；

第二光耦合器，用于将所述扫频光频梳信号与所述第二光频梳信号合为复合光信号，并将所述复合光信号传输至第一解复用器；

第一解复用器，用于将所述复合光信号解复用为M路探测光信号，并将M路所述探测光信号传输至发射阵列；

发射阵列，包含M个发射单元，用于将M路所述探测光信号分别完成转换为M个载频依次等间隔增加差频

的雷达发射信号进行发射，对目标进行探测。

进一步地，每个所述发射单元包括：

光电探测器，用于将对应所述探测光信号转换为雷达发射信号，并传输至功率放大器；

功率放大器，用于将所述雷达发射信号进行放大，得到放大的雷达发射信号，并将所述放大的雷达发射信号传输至发射天线；

发射天线，用于将所述放大的雷达发射信号进行发射，对目标进行探测，所述发射天线的天线排布方式为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵或分布式阵列。

进一步地，所述雷达接收组件包括：

第二解复用器，用于将所述第一光频梳信号解复用为N路接收光载波信号，并将N路所述接收光载波信号传输至延时阵列；

延时阵列，用于以第一路所述接收光载波信号为参考，其余N-1路所述接收光载波信号依次整数倍增加延时

，输出N路延时光载波信号，并将N路所述延时光载波信号传输至光电接收阵列；

光电接收阵列，包含N个光电接收单元，用于对雷达回波信号分别调制到N路所述延时光载波信号，得到N路接收光信号，并将N路所述接收光信号传输至信号处理组件。

进一步地，每个所述光电接收单元包括：

接收天线，用于接收雷达回波信号，并将所述雷达回波信号传输至低噪声放大器，所述接收天线的天线排布方式为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵或分布式阵列；

低噪声放大器，用于对所述雷达回波信号进行低噪声放大，得到放大的雷达回波信号，并将放大的雷达回波信号传输至电光调制器；

电光调制器，用于将放大的雷达回波信号调制到所述延时光载波信号上，得到对应的接收光信号。

进一步地，所述信号处理组件包括：

波分复用器，用于将N路所述接收光信号波分复用为一路复合接收光信号，并将所述复合接收光信号传输至相干接收模块；

相干接收模块，用于基于所述扫频光频梳信号对所述复合接收光信号实现相干接收，得到包含MN个频率分量的复中频信号，并将所述复中频信号传输至信号采集与处理模块；

信号采集与处理模块，用于对所述复中频信号进行数据采集及雷达数字信号处理，提取出探测目标信息。

进一步地，所述等间隔延时为：

=2L/c，第二路至第N路所述接收光载波信号相比第一路所述接收光载波信号延时依次增加

=2L/c，其中，L为雷达有效探测距离，c为大气中的光速，对应光纤长度为依次增加ΔL=2L/n，其中，n为光纤的折射率。

进一步地，所述差频

≥N

B/T，其中，B为所述扫频基带信号的带宽，T为所述扫频基带信号的周期。

进一步地，所述第一光频梳产生模块和所述第二光频梳产生模块为光频梳产生器、微谐振腔、锁模激光器、多波长激光器或单频信号外调制电光调制器，且所述第一光频梳信号与所述第二光频梳信号的中心频率相同。

本发明还提供一种微波光子MIMO雷达探测方法，包括以下步骤：

步骤S1：第一光频梳产生模块产生第一光频梳信号，并将所述第一光频梳信号分别传输至雷达发射组件和雷达接收组件；

步骤S2：雷达发射组件将扫频基带信号调制所述第一光频梳信号得到扫频光频梳信号，并将所述扫频光频梳信号分为两路，一路传输至信号处理组件，另一路与第二光频梳产生模块产生的第二光频梳信号合为一路后解复用为M路探测光信号，M路所述探测光信号分别完成光电转换得到M个载频依次等间隔增加差频

的雷达发射信号进行发射，对目标进行探测；

步骤S3：雷达接收组件将所述第一光频梳信号解复用为N路接收光载波信号，N路所述接收光载波信号通过延时阵列依次增加等间隔延时

步骤S4：信号处理组件将所述扫频光频梳信号和N路所述接收光信号波分复用为一路的复合接收光信号进行处理，提取出探测目标信息。

本发明的有益效果是：

1、本发明在信号发射部分基于双光频梳差频复用技术实现差频复用的多通道雷达发射信号产生，在保证MIMO雷达发射信号正交的同时，可有效提高雷达信号频率利用效率。

2、本发明在信号接收部分采用延时光载波分别对雷达回波信号进行接收，结合信号发射部分设置，可在单个信号周期内实现MIMO雷达探测。

3、本发明基于波分复用技术，结合两级差频复用，通过单个光电探测器即可得到携带所有目标信息的中频信号，可有效降低雷达系统复杂度及成本。

附图说明

图1为本发明微波光子MIMO雷达探测系统的结构示意图；

图2为本发明微波光子MIMO雷达探测方法的流程示意图；

图3为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例的结构示意图；

图4为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例发射阵列天线与接收阵列天线的天线分布示意图；

图5为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施发射单元的结构示意图；

图6为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例光电接收阵列中光电接收单元的结构示意图；

图7为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例第一光频梳信号、第二光频梳信号及扫频光频梳信号的频谱分布示意图；

图8为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例系统各节点信号时频关系图；

图9为本发明微波光子MIMO雷达探测系统一个具体实施例复中频信号的频谱分布示意图。

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1，一种微波光子MIMO雷达探测系统，包括：

的雷达发射信号进行发射，对目标进行探测；

所述第一光频梳产生模块和所述第二光频梳产生模块为光频梳产生器、微谐振腔、锁模激光器、多波长激光器或单频信号外调制电光调制器，且所述第一光频梳信号与所述第二光频梳信号的中心频率相同。

所述差频

≥N

所述雷达发射组件包括：

的雷达发射信号进行发射，对目标进行探测。

每个所述发射单元包括：

所述等间隔延时为：

所述雷达接收组件包括：

每个所述光电接收单元包括：

所述信号处理组件包括：

实施例：

雷达探测系统包括：激光器、2个微谐振腔（第一微谐振腔MR1、第二微谐振腔MR2）、2个光放大器（第一光放大器OA1、第二光放大器OA2）、双平行马赫-曾德尔调制器（DPMZM）、基带信号、4个光耦合器（第一光耦合器OC1、第二光耦合器OC2、第三光耦合器OC3、第四光耦合器OC4）、第一解复用器、第二解复用器、波分复用器、延时阵列、发射阵列、光电接收阵列、相干接收模块、信号采集与处理模块。

需要说明的是，所述第一光频梳产生模块、第二光频梳产生模块可采用各种现有技术，优选地，如图3所示，所述第一光频梳产生模块与第二光频梳产生模块通过单频激光器注入微谐振腔产生孤子态光频梳实现。

光电接收阵列由N个光电接收单元组成，每个光电接收单元包括：接收天线、低噪声放大器、电光调制器；

发射阵列由M个发射单元组成，每个发射单元包括：光电探测器、功率放大器、发射天线。

发射天线和接收天线的阵列排布方式为集总式一维均匀阵，如图4所示，其中图4中的（A）发射阵列天线的天线单元间距为Nd，图4中的（B）接收阵列天线的天线单元间距为d，N为接收阵列天线的天线单元个数，为避免阵列栅瓣影响，优选地，图4中的（C）和图4中的（D）d等于

，

为雷达中心工作波长。

首先激光器输出的单频激光信号通过第一光耦合器OC1分为两路，并分别送入两个半径不同的微谐振腔，在两个微谐振腔内分别激发出光孤子光频梳，第一微谐振腔MR1输出的第一光频梳信号选择其中M个梳齿作为光载波，则包含M个梳齿的第一光频梳信号表示为：

(1)

其中，A_1m为第一光频梳信号不同梳齿的幅度。同理第二微谐振腔MR2输出的第二光频梳信号选择相同位置的梳齿得到第二光频梳信号，则包含M个梳齿的第二光频梳信号表示为：

(2)

其中，A_2m为第二光频梳信号不同梳齿的幅度，

为第二光频梳信号与第一光频梳信号的重复频率差。第二光频梳信号通过第二光放大器OA2放大后送入第四光耦合器OC4的一个光输入端。第一光频梳信号通过第一光放大器OA1放大后送入第二光耦合器OC2的光输入端并分为两路，一路送入第二解复用器，另一路送入双平行马赫-曾德尔调制器，基带信号输出的扫频基带信号通过双平行马赫-曾德尔调制器对输入的第一光频梳信号实现抑制载波单边带调制得到扫频光频梳信号。设扫频基带信号的瞬时频率f_LFM(t)为：

f_LFM(t)=f₀-kt(0≤t≤T)(3)

其中，f₀为扫频基带信号的起始频率，T为扫频基带信号的周期，k=B/T为扫频基带信号的调频斜率，B为所述扫频基带信号的带宽，这里以正一阶边带为例，则扫频光频梳信号表示为：

(0≤t≤T,m=0,1,2,…,M-1)(4)

其中，A_{m_s}为扫频光频梳信号不同梳齿信号的幅度。扫频光频梳信号通过第三光耦合器OC3分为两路，其中一路扫频光频梳信号作为参考光信号送入相干接收模块，另一路与第二光频梳信号通过第四光耦合器OC4合为一路复合光信号，第一光频梳信号、第二光频梳信号及扫频光频梳信号的频谱分布示意图7所示。复合光信号通过第一解复用器分为M路探测光信号，探测光信号表示为：

(0≤t≤T)(5)

M个探测光信号分别送入发射阵列中的M个发射单元，发射单元结构示意图如图5所示。M个探测光信号在发射单元中分别完成光电转换及放大后，得到M个雷达发射信号，M个雷达发射信号按照发射阵列天线的排布方式通过M个发射天线同时发射到包含目标的空间中，M个雷达发射信号时频关系图如图8中的（A）所示。雷达发射信号表示为：

(0≤t≤T)(6)

其中A_{T_s}为雷达发射信号幅度。另一路第一光频梳信号通过第二解复用器分为N路接收光载波信号，N路接收光载波信号通过延时阵列依次增加等间隔延时，设定雷达有效探测距离为L，对应时延为

=2L/c，则第二路至第N路接收光载波信号相比第一路接收光载波信号延时依次增加

=2L/c，对应频差为

=k

，其中c为大气中的光速，对应光纤长度为依次增加ΔL=2L/n，其中n为光纤的折射率。延时后的接收光载波信号表示为：

(0≤t≤T,n=0,1,2,…,N-1)(7)

其中，A_{C_s}为每个接收光载波信号的幅度。延时后的接收光载波信号分别与光电接收阵列中的N个光电接收单元连接，将发射阵列天线与接收阵列天线联合组成天线阵列，假设天线阵列远场处一个点目标和天线阵列相位中心的连线与天线阵列法线的夹角为

，辐射到空间中的信号遇到探测目标后发生反射，雷达回波信号通过光电接收阵列接收，光电接收阵列由N个光电接收单元组成，每个光电接收单元的结构示意图如图6所示。雷达回波信号经接收阵列天线接收并放大后，作为驱动信号在光电接收单元中马赫-曾德尔调制器处调制N路所述延时光载波信号。相对雷达发射信号，雷达回波信号有一个时延

，则第n个光电接收单元接收的雷达回波信号表示为：

(0≤t≤T,n=0,1，2,…N-1)(8)

其中，A_{R_nm}为对应不同雷达发射信号的雷达回波信号幅度。不同光电接收单元接收的雷达回波信号通过对应马赫-曾德尔调制器调节对应所述延时光载波信号得到N路接收光信号。N路接收光信号通过波分复用器合为一路复合接收光信号。复合接收光信号送入相干接收模块与另一路作为参考光信号的扫频光频梳信号实现相干接收，可得到下变频后的复中频信号，表示为：

(0≤t≤T；n=0,1，2,…N-1；m=0,1,2,…,M-1)(9)

其中，A_{RI_nm}表示不同复中频信号的幅度，表示复中频信号包含MN个中频分量，等效对应MN个通道，

对应为MN个通道的附加相位信息。对复中频信号完成采集后，在数字域数据重组及数字域频率补偿校准后，可得到M×N路包含目标信息的信号；对此信号通过MIMO雷达相关算法即可提取出目标的距离、方位角度、相对散射强度等信息。

当M=4，N=4时，第1路到第4路接收光信号相对作为参光信号的扫频光频梳信号时频关系图如图8中的（B）第一路接收光信号相对作为参光信号的扫频光频梳信号时频关系图、图8中的（C）第二路接收光信号相对作为参光信号的扫频光频梳信号时频关系图、图8中的（D）第三路接收光信号相对作为参光信号的扫频光频梳信号时频关系图、图8中的（E）第四路接收光信号相对作为参光信号的扫频光频梳信号时频关系图所示；相应的包含MN个频率分量的复中频信号的频谱分布示意图如图9所示。

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。