一种微波光子雷达实现方法及系统与流程

本发明涉及雷达技术领域，具体的，涉及一种微波光子雷达实现方法及系统。

背景技术：

雷达由于独特的全天候、全天时技术优势，在军事和民事用途中发挥了越来越重要的作用。无人技术的兴起结合隐身、超高声速等武器已有发展特征，使得天空威胁样式更加多样化，这就迫使雷达装备要需要同时有效的探测多种目标的能力。此外，战场环境实时感知和遥感测绘也需要高分辨率和多频段融合图像，这向空天平台雷达提出更高精度和多频段工作要求。以上需求对雷达实现技术提出了功能可重构和高分辨率，即频段宽调谐和带宽大且可调谐的要求。传统雷达由于“电子瓶颈”限制，在频段调谐和带宽上难以突破。近年来，作为微波技术和光子技术交叉领域的微波光子技术快速发展，该技术具有高频、超宽带、低相噪等先天优势，其在雷达系统中的应用一直是研究热点，基于该技术的雷达系统实现即微波光子雷达更是得到多个国家和研究团队的重视。

为了解决微波光子雷达的这个问题，早在2014年意大利研究小组已经在《nature》上报道了国际首台微波光子技术雷达(f.scotti,f.laghezza,d.onori,anda.bogoni,"fieldtrialofaphotonics-baseddual-bandfullycoherentradarsysteminamaritimescenario,"ietradarsonarnav11(3),420-425(2017).)，之后相继将该雷达系统升级为双频段一体化探测雷达、双频段融合成像雷达，该系列雷达在收发两端基于同一锁模激光器所输出的光频梳实现线性调频波形产生回波信号光采样接收，展示了微波光子雷达优异的调谐能力和频段兼容能力。由于其带宽受限于光频梳间隔，而大模式间隔的被动锁模激光器实现仍存在挑战，因此该方法无法实现大带宽信号的产生，其带宽仅在百兆赫兹量级，无法实现更高精度探测。之后，中科院电子所(r.li,w.li,m.ding,z.wen,y.li,l.zhou,s.yu,t.xing,b.gao,y.luan,y.zhu,p.guo,y.tian,andx.liang,"demonstrationofamicrowavephotonicsyntheticapertureradarbasedonphotonic-assistedsignalgenerationandstretchprocessing,"opt.express25(13),14334-14340(2017).)、南京航空航天大学(f.zhang,q.guo,z.wang,p.zhou,g.zhang,j.sun,ands.pan,"photonics-basedbroadbandradarforhigh-resolutionandreal-timeinversesyntheticapertureimaging,"opt.express25(14),16274-16281(2017).)、空军预警学院(a.wang,j.wo,x.luo,y.wang,w.cong,p.du,j.zhang,b.zhao,j.zhang,y.zhu,j.lan,andl.yu,"ka-bandmicrowavephotonicultra-widebandimagingradarforcapturingquantitativetargetinformation,"opt.express26,20708-20717(2018).)、清华大学(s.peng,s.li,x.xue,x.xiao,d.wu,x.zheng,andb.zhou,"high-resolutionw-bandisarimagingsystemutilizingalogic-operation-basedphotonicdigital-to-analogconverter,"opt.express26,1978-1987(2018).)相关研究小组基于单频激光器分别构建了基于光上倍频和光下变频的微波光子雷达系统，其基本结构均是：在发射支路利用不同的光上变频技术获得高频大带宽发射信号，在接收端利用不同光下变频技术实现对宽带回波信号的有效接收。空军预警学院利用所构建的微波光子超宽带雷达样机实现了民航客机、无人机及雷峰塔等目标的高分辨成像，展示了微波光子雷达的超宽带优势。南京航空航天大学随后又进一步提出了一种芯片化的微波光子成像雷达架构，利用双路光分别调制实现基于光四倍频技术的信号产生。针对前述探测需求，以上所报道系统还存在两方面不足：一是无论是光上变频还是下变频均是通过对马赫增德尔调制器的偏置状态控制实现的，而其状态精确长时间稳定控制仍是一个挑战，导致系统状态存在漂移情况，影响微波光子雷达的实用价值；二是上述系统在实现带宽倍频的同时也对中心频率进行了倍频，中心频率和带宽无法做到独立可调谐，大气对高频信号的强衰减作用限制了其探测距离。

通过以上对比分析，目前微波光子雷达系统还无法实现中心频率和带宽的独立可调谐及无状态偏移的持续工作，还难以应对高精度及多功能可重构探测需求。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种微波光子雷达系统实现方法及系统，在系统中利用多级相位调制加光组合滤波方式实现载频与带宽均可调谐雷达信号的发射与接收，相位调制无需状态控制使得本系统工作状态稳定且结构简单，将由独立器件构成的系统进行集成化设计可实现低成本微波光子雷达系统芯片。

一种微波光子雷达实现系统，其特征在于，包括：

发射链路、发射天线、接收链路、接收天线和数据处理与控制模块，其中，

所述发射链路，其一端与所述数据处理与控制模块连接，另一端与所述发射天线连接，用于提供所需要的雷达发射信号；

所述发射天线，其与所述发射链路连接，用于发射雷达信号；

所述接收链路，其一端与所述数据处理与控制模块连接，另一端与所述接收天线连接，用于从接收到的雷达信号中提取目标信息；

所述接收天线，其与所述接收链路连接，用于接收雷达信号；

所述数据处理与控制模块，其与所述发射链路和所述接收链路连接，用于控制所述雷达系统的时序、通信及回波信号中目标信号的提取。

进一步地，所述发射链路包括：激光器的输入接口与所述数据处理与控制模块连接，所述激光器的输出接口与第一相位调制器的输入接口连接，所述第一相位调制器的输出接口与双带通光滤波器的输入接口连接，所述双带通光滤波器的输出接口与第二相位调制器的输入接口连接，所述第二相位调制器的输出接口与带通光滤波器的输入接口连接，所述带通光滤波器的输出接口与1×2耦合器的输入接口连接，所述1×2耦合器的输出接口分两个，所述1×2耦合器的第一个输出接口与第一光电探测器的输入接口连接，所述1×2耦合器的第二个输出接口与所述接收链路的可调光延时线的输入接口连接，所述第一光电探测器的输出接口与功放的输入接口连接，其中，微波信号源与所述第一相位调制器和所述第二相位调制器连接，并为其提供相位调制信号；所述激光器为所述发射链路提供光信号源。

进一步地，所述接收链路包括：低噪放的输出接口与第三相位调制器的输入接口连接，所述第三相位调制器的输出接口与光滤波器的输入接口连接，所述光滤波器的输出接口与第二光电探测器的输入接口连接，所述第二光电探测器的输出接口与中频滤波放大器的输入接口连接，所述中频滤波放大器的输出接口与模数转换器的输入接口连接，所述模数转换器的输出接口与所述数据处理与控制模块连接，其中，所述可调光延时线的输出接口与所述第三相位调制器连接。

进一步地，所述数据处理与控制模块与所述发射链路的所述激光器连接，所述数据处理与控制模块与所述接收链路的所述模数转换器连接，所述数据处理与控制模块通过信号传输线与所述发射链路的所述微波信号源、所述双带通光滤波器、所述带通光滤波器和所述功放以及所述接收链路中的所述低噪放、所述光滤波器、所述中频滤波放大器和所述模数转换器连接，进行参数及工作状态控制。

进一步地，所述发射天线的输入接口与所述发射链路的所述功放连接，用于传送雷达信号，所述接收天线的输出接口与所述接收链路的所述低噪放连接，用于接收雷达信号。

进一步地，所述微波信号源为直接数字频率合成器或光生微波源、光电振荡器或光电混合微波源中的任意一种。

进一步地，所述激光器为分布式反馈激光器。

进一步地，所述双带通光滤波器、带通光滤波器和光滤波器由3个分立光纤光栅滤波器实现，或由一个多进多出可编程光滤波器实现，或由以上两种组合。

进一步地，所述系统中光器件的连接的光纤连接均为保偏光纤，所述光器件均为保偏光器件。

进一步地，包括，所述发射链路的所述激光器由所述数据处理与控制模块控制发射连续光作为光信号，所述第一相位调制器对所述激光器发射的光信号进行调制，经调制后的光信号进入所述双带通光滤波器提取所需光信号，经提取后的光信号进入所述第二相位调制器进行二次调制，所述第一相位调制器和第二相位调制器的调制信号由数据处理与控制模块控制的所述微波信号源提供，经二次调制后的光信号进入所述带通光滤波器提取所需光信号，经提取后光信号进入所述1×2耦合器分为两路，第一路进入所述第一光电探测器转换为电信号，经转换后的电信号经所述功放放大后进入发射天线进行雷达信号的发射；

所述接收天线对雷达信号进行接收，接收后的雷达信号进入所述低噪放放大，经放大的雷达信号可由所属可调光延时线进行延时，经延时的雷达信号进入所述第三相位调制器进行调制，所述第三相位调制器的调制信号经所述1×2耦合器的第二路提供，经调制后的雷达信号进入所述光滤波器进行提取，经提取后的雷达信号输出到第二光电探测器进入转换，经转换后的信号输出到中频滤波放大器进行放大，经放大后的信号输出到模数转换器转换，转换后的信号输出到所述数据处理与控制模块，所述数据处理与控制模块进行信号的处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于微波光子技术构建了一套中心载频和带宽均可独立调谐且能满足高精度探测的微波光子雷达系统，采用相位调制器、相位调制器和相位调制器对发射链路与接收链路的信号进行不同的调制，实现了发射链路雷达波形的产生和接收链路回波信号的接收处理，采用多级相位调制器加光组合的滤波方式实现了载频与带宽均可调谐雷达信号，相位调制器不需要状态控制，能够使微波光子雷达实现方法的系统工作状态稳定，而且结构简单，可以由独立器件的系统进行集成化设计，实现低成本的微波光子雷达系统芯片，使系统能够稳定运行。

本发明提出了基于分立器件微波光子雷达系统实现方法，对其集成化和微组装化形态进行了描述，集成化后的芯片和微组装后的微型系统有利于减少尺寸、重量和功耗。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为本发明实施例的微波光子雷达实现方法的结构原理图；

图2为本发明实施例的激光器发射光信号的光谱示意图；

图3为本发明实施例的双带通光滤波器选出的光信号的光谱示意图；

图4为本发明实施例的带通光滤波器选出的光信号的光谱示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

本发明中，提供了一种微波光子雷达实现方法，本发明同时涉及一种微波光子雷达实现系统，在下面的实施例中逐一进行详细说明。

参阅图1所示，本发明提供的一种微波光子雷达实现方法包括发射链路、发射天线、接收链路、接收天线和数据处理与控制模块。

其中，发射链路包括激光器、第一相位调制器、双带通光滤波器、第二相位调制器、带通光滤波器、1×2耦合器、第一光电探测器和功放。具体而言，在发射链路的连接中，激光器通过光波导的连接方式与第一相位调制器连接，第一相位调制器通过光波导的连接方式与双带通光滤波器连接，第一相位调制器的调制信号由微波信号源提供，微波信号源通过射频波导的连接方式与第一相位调制器连接，双带通光滤波器通过光波导的连接方式与第二相位调制器连接，第二相位调制器通过光波导的连接方式与带通光滤波器连接，第二相位调制器与微波信号源通过射频波导的连接方式连接，经过第二相位调制器调制后的光进入带通光滤波器的光边带对通过1×2光耦合器分成两路，第一路通过光波导的连接方式与第一光电探测器连接，第二路通过光波导的连接方式与接收链路的可调光延时线的输入端连接，第一光电探测器通过光波导的连接方式与功放连接。

本发明实施例中，发射链路采用单频激光器作为整个雷达实现方法的光源，激光器输出的连续光信号，光信号进入第一相位调制器被第一相位调制器调制，其中，第一相位调制器的调制信号由微波信号源提供，微波信号源提供给第一相位调制器的调制信号为低频窄带信号，调制后的光信号经过双带通光滤波器，双带通光滤波器滤出需要阶段的光边带对，光边带对进入第二相位调制器进行调制，第二相位调制器的调制信号由微波信号源提供，微波信号源提供给第二相位调制器的信号为另一单频信号，调制后的光信号经过带通光滤波器滤出第二光边带对，第二光边带对由1×2耦合器分成两路，其中，第一路进入第一光电探测器中，第二路进入接收链路的可调光延时线，第一路的光边带对由第一光电探测器利用拍频原理将上述光边带对转化为所需要的雷达发射信号，送入功放，由此实现过程可看到所产生信号的载频与第一相位调制器和第二相位调制器所用的射信号中心频率相关，最终信号带宽倍频数由滤波器参数控制实现。

发射天线与功放通过射频波导的连接方式连接，经过功放放大后的雷达发射信号经发射天线发射出去。

接收天线的输出接口与低噪放的输入接口通过射频波导的连接方式连接，接收天线接收到的雷达信号进入低噪放。

其中，接收链路包括低噪放、可调光延时线、第三相位调制器、光滤波器、第二光电探测器、中频滤波放大器、模数转换器；具体而言，接收链路的连接关系中，低噪放输出接口通过光波导的连接方式与第三相位调制器的输入接口连接，可调光延时线的输入接口与1×2耦合器的第二路的输出接口连接，可调光延时线的输出口与第三相位调制器的输入口连接；第三相位调制器的输出接口与光滤波器的输入接口连接，光滤波器的输出接口与第二光电探测器的输入接口连接，第二光电探测器的输出接口与中频滤波放大器的输入接口通过射频波导的连接方式连接，中频滤波放大器的输出接口与模数转换器的输入接口通过射频波导的连接方式连接。

本发明实施例中，接收链路中，由接收天线接收到目标回波信号，目标回波信号进入低噪放，经低噪放放大后的信号进入第三相位调制器中，第三相位调制器的调制信号由发射链路1×2耦合器的第二路光边带对信号为光本振信号，第三相位调制器对经低噪放的回波信号进行调制，在第三相位调制器进行信号调制前，可调光延时线可对该光本振信号进行相应的延时，经由第三相位调制器调制后的信号进入光滤波器进行滤波，完成相位调制后至强度调制转换，光滤波器输出的光信号经由第二光电探测器的输入端输入第二光电探测器，第二光电探测器进行拍频从而实现光混频过程，转化为含有目标位置和速度信息的中频电信号，该中频电信号进入中频滤波放大器，经放大后，进入模数转换器中。

数据处理与控制模块，其中，发射链路的激光器与数据处理与控制模块连接，接收链路中的模数转换器经由电adc采样量化后通过输出接口与数据处理与控制模块连接和传递；数据处理与控制模块通过信号传输线与发射链路的微波信号源、双带通光滤波器、带通光滤波器和功放以及接收链路中的低噪放、光滤波器、中频滤波放大器和模数转换器连接，进行参数及工作状态控制。

本发明实施例中，数据处理与控制模块主要通过软件对整个雷达系统的时序、通信进行控制以及实现对回波信号中目标信息的提取，具体方法为：当雷达系统开机后，首先使激光器工作，发射出所需的波长和功率，根据所要实现的中心频率和带宽设定微波信号源输出所需要的低频窄带信号的中心频率及带宽、单频信号频率及光滤波器的响应频谱，再根据目标大致位置来选择光延时长度；根据发射链路的选择，对混频和采样后的回波数据进行数据处理，提取出目标信息。

具体而言，微波信号源为直接数字频率合成器、光生微波源(光电振荡器等)或光电混合微波源。当然，本实施例并不限定微波信号源的具体类型，一切以实际应用为准；发射链路的激光器为分布式反馈激光器，同样不限定激光器的类型；在发射链路和接收链路的光滤波器中，双带通光滤波器、带通光滤波器和光滤波器可由3个分立光纤光栅滤波器实现，也可由一个多进多出可编程光滤波器实现，也可由以上两种组合，本发明并不限定光滤波器的具体实现方式，一切以实际应用为准；尤其是为保证系统有效工作，在光路各节点都可以添加光放大器进行光信号的放大，尤其是双带通光滤波器、带通光滤波器和光滤波器后可添加光放大器进行光信号放大。这个不做本发明的必要组成部件，并不属于本发明的限定，只是为了有更好的工作效果，具体添加与否以实际应用为准。在本发明实施例中，用于系统中光器件连接的光纤均为保偏光纤，光器件均为保偏光器件；而且，为了适应不同探测目标，可调光延时线可以是由光纤与开关构成的可调光延时线，也可为集成光延时线。本发明不限定可调光延时线的结构，一切以实际应用为准。

为了便于公众理解，下面从理论上对本发明技术方案进行进一步详细说明。

请参阅图2所示，激光器输出的连续光信号为：

其中ec、ωc分别为连续光信号的幅度及角频率。

微波信号源输出的低频窄带信号可表示为：

vl(t)＝vlsin(ω0t+πkt²)

其中vl、ω0、k分别为低频窄带信号的幅度、载频及啁啾率。将其施加到第一相位调制器，第一相位调制器所输出的光信号可表示为：

其中ml＝πvl/vπ1为第一相位调制器的调制指数,vπ1为第一相位调制器的半波电压，jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。

请参阅图3所示，利用双带通光滤波器选取±n阶啁啾光边带，选出的光信号可表示为：

将上述光信号送入第二相位调制器，在另一由微波信号源产生的幅度为vs、角频率为ω1的单频射频信号vs(t)＝vssin(ω1t)调制下，第二相位调制器的输出光信号可表示为：

其中ms＝πvs/vπ2为第二相位调制器的调制指数,vπ2为第二相位调制器的半波电压。

请参阅图4所示，利用另一带通光滤波器的选取-n阶啁啾光边带的+1阶单频光边带和+n阶啁啾光边带的-1阶单频光边带作为输出光信号，

该光信号送至响应度为的第一光电探测器，经拍频后所产生的雷达信为：

可看到所产生信号的载频与两次调制用射频信号中心频率相关，最终信号带宽倍频数由滤波器参数控制实现。

假设由目标后向散射回的回波信号为：

ve(t)＝vecos[2(nω0-ω1)(t-τe)+2nπk(t-τe)²]

其中ve为目标回波幅度，τe为目标回波延时。第三相位调制器输入的本振光信号(发射机耦合过来的-n阶啁啾光边带的+1阶单频光边带和+n阶啁啾光边带的-1阶单频光边带)为：

其中τo为可调光延时线对光本振信号的延时。令t1＝t-τe，

t2＝t-τo第三相位调制器输出的光信号为：

其中me＝πve/vπ3为第三相位调制器的调制指数,vπ3为第三相位调制器的半波电压。利用光滤波器从上述光信号中选取+n阶啁啾光边带的-1阶单频光边带及-n阶啁啾光边带的+1阶单频光边带的+1阶回波啁啾光边带，反之亦然，其输出可表示为：

输入到第二光电探测器进行拍频，通过if取出低频分量为：

将的t1、t2表达式代入，上式可化简为：

此时高频宽带信号变为了频率为2nk(τe-τo)的单频信号，通过调节延时τo可使该信号频率较低，方便后续数字信号处理。

第一相位调制器输出的多阶啁啾光边带互相之间不能频谱重叠，以选取n阶啁啾光边带为例，约束关系应为：

因此为防止光谱混叠，低频窄带信号中心频率与带宽的关系应为

带通光滤波器输出的光边带不能混叠：

上式为单频信号的频率与低频窄带信号的中心频率之间的关系。

上述为本实施例的一种微波光子雷达实现方法的示意性方案。需要说明的是，该雷达实现方法系统的技术方案与上述的雷达实现方法的技术方案属于同一构思。

具体而言，一种微波光子雷达实现系统，包括微波光子雷达实现方法的发送链路和接收链路的器件集成化或微组装化处理得到。其中，集成化是指利用异质集成技术对除发射、接收天线与数据处理和控制模块以外的器件进行单片集成或多片异质集成，集成后芯片通过匹配接口与发射天线、接收天线和数据处理和控制模块连接；微组装化是指利用微组装技术将分立器件进行微组装化处理，使系统体积更小。本发明并不限定具体采用哪种处理方式实现这个系统，一切以具体应用为准。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。本发明实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本发明实施例的内容，可作很多的修改和变化。本发明选取并具体描述的这些实施例，是为了更好地解释本发明实施例的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。