CN115412172A - 一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，用于解决现有方法中，由于雷达探测信号的产生和回波信号的接收终端由独立的部分实现，导致链路体积大、难于集成和易受外界干扰的问题。本发明利用偏振复用双驱动马赫‑曾德尔调制器的两个正交偏振态分别实现雷达探测信号的产生与目标回波信号的接收操作。通过调谐直流偏置电压，使上路子调制器工作在最大传输点，完成二倍频线性调频信号的产生，并为回波信号的去斜接收操作提供了必要的参考光信号。接下来，利用下路子调制器将目标回波信号调制到光载波上，并调谐其直流偏置电压，使其工作在正交偏置状态，为后续的光域去斜操作提供了前期基础。最后，利用偏振控制器和起偏器将参考光信号与回波光信号的偏振态混合，完成目标回波信号的去斜处理，实现目标距离信息的求解。

Description

一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法

技术领域

本发明提出了一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，该方法属于微波光子与雷达相交叉的技术领域。

背景技术

雷达作为一种全天时、全天候的探测方法，已广泛应用于远距离、大范围内目标的搜索、跟踪、成像和识别。为了满足军事和民用领域的性能要求，雷达系统需要具有更大的瞬时带宽、更快的数据处理能力和更高的集成度。然而，传统雷达系统受限于“电子瓶颈”，在宽带信号的产生与处理方面具有很大的劣势，这使得系统在分辨率和实时性方面具有难以突破的瓶颈。微波光子技术的主要特点就是在光域进行微波信号的产生、处理、传输、控制和接收等操作，受益于光域处理的大带宽优势，将微波光子技术与雷达技术相结合，是目前解决传统雷达系统“电子瓶颈”问题行之有效的办法之一，目前已经成为雷达领域的重要研究内容。

现有微波光子雷达系统，探测信号产生与回波信号的接收终端通常是利用不同调制器实现的，这使得现有方法具有链路体积较大、难于集成和易受外界干扰等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，利用光波的两个正交偏振态分别实现雷达探测信号的产生与目标回波信号的接收操作，完成发射终端和接收终端的功能集成，从而解决现有方法中，由于雷达探测信号的产生和回波信号的接收终端由独立的部分实现，导致现有方法存在链路体积较大、难于集成和易受外界干扰的问题。

本发明具体技术方案如下：

一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，所述方法的具体实现链路包括激光器、偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器PM-DMZM、任意波形信号发生器、第一180°电桥、50:50保偏耦合器OC、第一偏振控制器PC1、第一起偏器Pol1、第一光电探测器PD1、电功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、第二180°电桥、第二偏振控制器PC2、第二起偏器Pol2、第二光电探测器PD2、电低通滤波器和数据采集与处理模块。所述方法包括以下步骤：

激光器产生的光信号注入偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器PM-DMZM，作为光载波。所述光载波功率等分的进入PM-DMZM的X-DMZM和Y-DMZM子调制器中，其中X-DMZM子调制器输出信号的偏振态和Y-DMZM子调制器输出信号的偏振态相互正交，分别设为X偏振态和Y偏振态。

步骤一：利用PM-DMZM的X偏振态产生雷达探测信号，具体如下：

将任意波形发生器产生的基频线性调频信号注入第一180°电桥，并把所述电桥产生的相位相差180°的两路信号分别作为X-DMZM的驱动信号。调谐直流偏置电压，使X-DMZM工作在最大传输点，此时X-DMZM的输出光信号仅包含载波和偶次边带，奇次边带被抑制。

利用50:50保偏耦合器OC将PM-DMZM的输出信号分为两路。一路依次注入第一偏振控制器和第一起偏器，选择与X-DMZM相同偏振态的信号注入第一光电探测器，得到二倍频线性调频信号。

最后，利用发射天线将二倍频线性调频信号发射到自由空间，完成雷达探测信号的发射。

步骤二：利用PM-DMZM的Y偏振态实现回波信号的接收功能，具体如下：

将接收天线所接收到的目标回波信号经过低噪声放大器放大后，注入第二180°电桥，并把电桥产生的相位相差180°的两路回波信号作为Y-DMZM的驱动信号。调谐直流偏置电压，使Y-DMZM处于正交偏置点。

下面，将50:50保偏耦合器OC输出的另一路信号依次注入第二偏振控制器PC2和第二起偏器Pol2，并保持起偏角为45°实现两个正交偏振态的混合。利用X偏振态产生的二倍频线性调频信号作为参考，对Y偏振态所接收到的回波信号进行去斜处理。

利用第二光电探测器对Pol2输出的信号进行光电转换，并注入低通滤波器，滤除掉较高频率的无用信息。得到与目标距离相关的中频信号。

最后，结合发射二倍频线性调频信号的特性，实现待测目标距离信息的解算。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，利用光的偏振特性，将雷达系统的发射终端和接收终端集成在单个调制器中。相比于收发终端分立式技术，本发明所述方法具有以下有益之处：

本方法具有更小的体积和更轻的重量，且更易于集成化操作；因此，更适用于高机动性雷达系统的组建。

参考光信号与回波光信号在同一个集成调制器中产生，且在光电探测前所经光路完全一致，因此具有更好的抗干扰能力和更高的稳定性。

附图说明

图1为基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法的链路结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有方法中雷达探测信号的产生和回波信号的接收终端由独立的部分实现，从而导致现有方法具有链路体积较大、难于集成和易受外界干扰的问题。本发明提出了一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，利用偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器PM-DMZM的两个正交偏振态分别实现雷达探测信号的产生与目标回波信号的接收操作。通过调谐直流偏置电压，使PM-DMZM上路子调制器工作在最大传输点，保留载波和正负二阶边带，完成二倍频线性调频信号的产生，并为回波信号的去斜接收操作提供了必要的参考光信号。接下来，利用PM-DMZM的下路子调制器将目标回波信号调制到光载波上，并调谐其直流偏置电压，使其工作在正交偏置状态，为后续的光域去斜操作提供了前期基础。最后，利用偏振控制器和起偏器将参考光信号与回波光信号的偏振态混合，完成目标回波信号的去斜处理，并实现目标距离信息的求解。

为了便于公众理解，下面结合附图和数学推导对本发明做进一步说明：

图1为本发明的基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法的链路结构示意图，包括激光器、偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器PM-DMZM、任意波形信号发生器、第一180°电桥、50:50保偏耦合器OC、第一偏振控制器PC1、第一起偏器Pol1、第一光电探测器PD1、电功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、第二偏振控制器PC2、第二起偏器Pol2、第二光电探测器PD2、第二180°电桥、电低通滤波器和数据采集与处理模块。利用图1所示的链路结构，完成基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法的过程如下：

激光器输出的光信号可表示为：

E(t)＝E₀ exp(jω_ct) (1)

式中，E₀为光信号的幅值，ω_c为光信号的中心频率。

激光器产生的光信号被注入PM-DMZM做其光载波。PM-DMZM由Y分支、双驱动马赫-曾德尔调制器X-DMZM、双驱动马赫-曾德尔调制器Y-DMZM、90°偏振旋转器和偏振合束器组成；因此，PM-DMZM的输出信号为具有正交偏振状态(X偏振态和Y偏振态)的偏振复用光信号。下面，光载波功率等分的进入X-DMZM和Y-DMZM中。则注入X-DMZM和Y-DMZM的光信号均可表示为：

步骤一：利用PM-DMZM的X偏振态产生雷达探测信号，具体过程如下：

设由任意波形发生器产生的基频线性调频信号可表示为：

E_BF-LFM(t)＝V_LFMcos(2πf₀t+πkt²) (3)

式中，V_LFM、f₀和k分别为基频线性调频信号的幅值、初始频率和调频斜率。对基频线性调频信号的相位项求导，可得该信号的瞬时频率为：

f_BF-LFM(t)＝f₀+kt (4)

为了在光域实现线性调频信号的二倍频操作，将任意波形发生器产生的基频线性调频信号注入第一180°电桥，并把第一180°电桥产生的相位相差180°的两路信号分别作为X-DMZM的驱动信号。调谐直流偏置电压，使X-DMZM工作在最大传输点，此时X-DMZM的输出光信号仅包含载波和偶次边带，奇次边带被抑制。则X-DMZM的输出可表示为：

式中m_X＝πV_LFM/V_π为X-DMZM的调制系数，V_π为X-DMZM的半波电压。X-DMZM的输出信号与进行90度偏振旋转的Y-DMZM的输出信号通过偏振合束器实现偏振复用。

利用50:50保偏耦合器OC将PM-DMZM的输出信号分为两路。一路依次注入第一偏振控制器和第一起偏器，通过调整入射光信号与第一起偏器的夹角，选择与X-DMZM相同偏振态的信号注入第一光电探测器，完成光电转换，其结果为

对光电探测所得信号的相位项求导，可得到倍频后线性调频信号的瞬时频率为：

f_LFM(t)＝2(f₀+kt)+4(f₀+kt) (7)

从上式中我们可以看出，倍频信号中既包含二倍频线性调频信号2(f₀+kt)，又包括四倍频线性调频信号4(f₀+kt)；其中，二倍频信号为我们所需要的信号，此处只需合理选择电功率放大器的工作范围，即可使其输出信号仅包括放大后的二倍频线性调频信号。

最后，利用发射天线将二倍频线性调频信号发射到自由空间，完成雷达探测信号的发射。当目标处于雷达探测信号的传播路径上时，将会产生后向散射信号，即目标回波信号。此时，我们仅需对回波信号的特征进行提取，便可得到目标的距离信息。

步骤二：利用PM-DMZM的Y偏振态实现回波信号的接收功能，具体过程如下：

接收天线所探测到的目标回波信号可表示为

E_echo(t)＝V_echocos[4πf₀(t-τ)+2πk(t-τ)²] (8)

式中，V_echo为回波信号的振幅，τ＝2R/c为探测信号从雷达发射机到目标往返传播所产生的时间延迟，R为目标到雷达系统之间的距离，c为真空中的光速。

该回波信号经过低噪声放大器后，注入第二180°电桥，并把电桥产生的相位相差180°的两路回波信号作为Y-DMZM的驱动信号。调谐直流偏置电压，使Y-DMZM处于正交偏置点，则Y-DMZM的输出可表示为：

中，m_Y＝πV_echo/V_π为Y-DMZM的调制系数，此处假设Y-DMZM的半波电压与X-DDMZM的半波电压一致。

下面，利用90度偏振旋转器将Y-DMZM输出信号的偏振态旋转90°后与X-DMZM的输出信号同时注入偏振合束器实现偏振复用。此时，PM-DMZM的输出的可表示为

为了减小系统对于后续ADC采样率的要求，并实现实时数据处理，系统中采用了调频连续波雷达系统常用的去斜处理方法。利用X偏振态产生的二倍频信号作为参考，对Y偏振态所接收到的回波信号进行去斜处理。由于X和Y为正交偏振态，因此为了实现相干探测，将50:50保偏耦合器OC输出的另一路信号依次注入第二偏振控制器PC2和第二起偏器Pol2，并保持起偏角为45°实现两个正交偏振态的混合，则Pol2的输出可表示为

利用第二光电探测器对Pol2输出的信号进行光电转换，由于目标的距离信息仅与去斜后频率较低的中频信号有关，故在光电探测后利用低通滤波器，滤除掉较高频率的无用信息。则经过低通滤波后，得到的中频信号可表示为

对中频信号的相位项求导，可得到该信号的频率为：

Δf＝2kτ (13)

最后，结合发射二倍频线性调频信号的周期(T)和带宽(B)，即可得到待测目标相对于探测天线的距离信息(R)，解算过程可表示为

综上所述，本发明提出了一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，此方法利用光波的两个正交偏振态分别实现雷达探测信号的产生与目标回波信号的接收操作，完成发射终端和接收终端的功能集成。最后，通过结合探测信号的特性，实现未知目标的距离测定。

Claims (1)

1.一种基于偏振复用的微波光子雷达收发终端功能集成方法，所述方法的具体实现链路包括激光器、偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器PM-DMZM、任意波形信号发生器、第一180°电桥、50:50保偏耦合器OC、第一偏振控制器PC1、第一起偏器Pol1、第一光电探测器PD1、电功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、第二180°电桥、第二偏振控制器PC2、第二起偏器Pol2、第二光电探测器PD2、电低通滤波器和数据采集与处理模块，其中，PM-DMZM包括X-DMZM和Y-DMZM子调制器，其中，两个子调制器所产生信号具有正交的偏振状态，分别令其为X偏振态和Y偏振态。其特征在于包括以下步骤：

激光器产生的光信号注入偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器PM-DMZM，作为光载波，所述光载波功率等分的进入PM-DMZM的X-DMZM和Y-DMZM子调制器中，

步骤一：利用PM-DMZM的X偏振态产生雷达探测信号，具体如下：

将任意波形发生器产生的基频线性调频信号注入第一180°电桥，并把第一180°电桥产生的相位相差180°的两路信号分别作为X-DMZM的驱动信号，调谐直流偏置电压，使X-DMZM工作在最大传输点，此时X-DMZM的输出光信号仅包含载波和偶次边带，奇次边带被抑制；

利用50:50保偏耦合器OC将PM-DMZM的输出分为两路，一路利用第一偏振控制器和第一起偏器，选择与X-DMZM相同偏振态的信号注入第一光电探测器，得到二倍频线性调频信号；

最后，利用发射天线将二倍频线性调频信号发射到自由空间，完成雷达探测信号的发射；

步骤二：利用PM-DMZM的Y偏振态实现回波信号的接收功能，具体如下：

将接收天线所接收到的目标回波信号经过低噪声放大器放大后，注入第二180°电桥，并把第二180°电桥产生的相位相差180°的两路回波信号作为Y-DMZM的驱动信号，调谐直流偏置电压，使Y-DMZM处于正交偏置点；

将50:50保偏耦合器OC输出的另一路信号依次注入第二偏振控制器PC2和第二起偏器Pol2，并保持起偏角为45°实现两个正交偏振态的混合；利用X偏振态产生的二倍频线性调频信号作为参考，对Y偏振态所接收到的回波信号进行去斜处理。

利用第二光电探测器对Pol2输出的信号进行光电转换，并注入低通滤波器，滤除掉高频率的无用信息，得到与目标距离相关的中频信号；

最后，结合发射二倍频线性调频信号的特性，实现待测目标距离信息的解算。

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