本发明涉及一种微波光子雷达探测方法，尤其涉及一种微波光子mimo(multiple-inputmultiple-output，多输入多输出)雷达探测方法及微波光子mimo雷达系统。
背景技术：
雷达是人类进行全天候目标探测与识别的主要手段，多功能、高精度、实时探测一直是雷达研究者追求的目标。为了实现高性能的目标监测和高分辨率的成像，探测物体需要大带宽的发射信号以及快速的数字信号处理。传统雷达系统由于电子器件的带宽限制导致直接产生的信号只有几千兆赫兹(参见[p.ghelfi,f.laghezza,f.scotti,g.serafino,s.pinna,d.onori,e.lazzeri,anda.bogoni,“photonicsinradarsystems,”ieeemicrow.mag.,16(8),74-83(2015).])，很难实现大带宽信号的产生、控制和处理。随着下一代雷达对更高载波频率、更大工作带宽等的需求也逐渐迫切，传统雷达很难满足未来应用的需求。
多输入多输出(mimo)雷达是一种新型雷达技术，采用多输入多输出的阵列配置，可以得到更加全面的目标散射信息，从而提高雷达系统的目标探测能力。但是mimo雷达同样受电子器件的带宽限制，难以实现高分辨率的探测。另一方面，得益于微波光子技术的快速发展以及它大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，能够提供高频率、大带宽的任意波形产生，因此能很好地克服若干电子瓶颈问题，改善和提高传统雷达多项技术性能，成为下一代雷达的关键技术。虽然引入微波光子技术后可以得到高载频、大带宽的发射信号，提升了雷达的距离分辨率(参见[f.zhang,q.guo,ands.pan,“photonics-basedreal-timeultra-high-range-resolutionradarwithbroadbandsignalgenerationandprocessing,”sci.rep.,7,13848,(2017).])，但是雷达的方位分辨率需要通过目标和雷达的相对转动实现，这就意味着需要大的相干处理间隔(cpi)或者需要较长的测量时间才能获得较高的方位分辨率。在探测运动轨迹和参数未知的非合作目标的实际应用中，这并不总是可行的，因为目标的速度和姿势的波动会使雷达的目标检测能力下降。因此，如何同时提高雷达系统的距离分辨率和方位分辨率对目标的检测能力的提升和改善非常有意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有雷达技术不足，提供一种微波光子mimo雷达探测方法及微波光子mimo雷达系统，同时具有光子技术和mimo雷达技术的优势，能够大大提高雷达系统的距离向分辨率和方位向分辨率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种微波光子mimo雷达探测方法，
在发射端，将m路带宽、啁啾率相同且频率互不重叠的中频线性调频信号一一对应地调制于m路波长不同的光载波上，生成m路只保留正负二阶边带的调制光信号；将这m路调制光信号通过光波分复用器合并后分为两路；将其中一路分为n束参考光；对另外一路光信号进行光电转换，得到包含m个相互正交的线性调频信号的电信号，然后将这m个线性调频信号分离出来作为发射信号，通过m个发射天线分别发射出去；
在接收端，利用n个接收天线分别接收目标反射信号；然后基于所述n束参考光，对所接收的n路目标反射信号进行去斜处理和波长解复用，对所得到的m路光信号分别进行光电转换、低通滤波和模数转换，得到m×n路携带目标信息的数字信号，最后对所述数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述m、n均为正整数，且两者之和大于2；每个线性调频信号的带宽远大于去斜后的信号频率，且雷达信号的载频大于相邻通道线性调频信号的初始频率差。
优选地，所述去斜处理具体为：将每个接收天线所接收的目标反射信号相位调制于一束参考光上，生成仅有光载波和正负一阶边带的相位调制信号。
优选地，利用工作于四倍频工作状态的双平行马赫曾德尔调制器将中频线性调频信号调制于光载波上，生成只保留正负二阶边带的调制光信号。
进一步地，m路调制光信号通过光波分复用器合并后，先进行光信号放大后再分为两路；对所述包含m个相互正交的线性调频信号的电信号先进行放大，再将这m个线性调频信号分离出来；所接收的n路目标反射信号先进行低相噪放大后再进行去斜处理。
优选地，通过直接数字频率合成器生成所述中频线性调频信号。
根据相同的发明思路还可以得到相应的装置技术方案如下：
一种微波光子mimo雷达系统，包括发射端和接收端，
所述发射端包括：
调制单元，用于将m路带宽、啁啾率相同且频率互不重叠的中频线性调频信号一一对应地调制于m路波长不同的光载波上，生成m路只保留正负二阶边带的调制光信号；
光波分复用器，用于合并调制单元所生成的m路调制光信号；
光耦合器，用于将光波分复用器输出的光信号分为两路；
光分束器，用于将光耦合器所输出的其中一路光信号分为n束参考光；
光电探测器，用于对光耦合器所输出的另外一路光信号进行光电转换，得到包含m个相互正交的线性调频信号的电信号；
信号发射阵列，用于将这m个线性调频信号分离出来；
发射天线阵列，其包括m个发射天线，用于将信号发射阵列所分离出的m个线性调频信号分别发射出去；
所述接收端包括：
接收天线阵列，其包括n个接收天线，用于分别接收目标反射信号；
信号接收阵列，用于基于所述n束参考光，对接收天线阵列所接收的n路目标反射信号进行去斜处理和波长解复用，对所得到的m路光信号分别进行光电转换、低通滤波和模数转换，得到m×n路携带目标信息的数字信号；
数字信号处理模块，用于对所述数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述m、n均为正整数，且两者之和大于2；每个线性调频信号的带宽远大于去斜后的信号频率，且雷达信号的载频大于相邻通道线性调频信号的初始频率差。
优选地，所述信号接收阵列包括用于对接收天线阵列所接收的n路目标反射信号进行去斜处理的n个相位调制器，每个相位调制器的光信号输入端、微波信号输入端分别连接一束参考光和一路目标反射信号；每个相位调制器生成仅有光载波和正负一阶边带的相位调制信号。
优选地，调制单元利用m个工作于四倍频工作状态的双平行马赫曾德尔调制器，将m路带宽、啁啾率相同且频率互不重叠的中频线性调频信号一一对应地调制于m路波长不同的光载波上，生成m路只保留正负二阶边带的调制光信号。
进一步地，所述发射端还包括接于光波分复用器和光耦合器之间的光放大器，以及接于信号发射阵列与光电探测器之间的电放大器；所述接收端还包括接于接收天线阵列与信号接收阵列之间的n个低相噪放大器。
优选地，所述调制单元包括m个直接数字频率合成器，用于生成m路带宽、啁啾率相同且频率互不重叠的中频线性调频信号。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用基于光子技术的信号产生方案和去斜的处理方法，大大提高了雷达系统的操作，能实现更高的雷达距离分辨率；
2)本发明采用mimo雷达多输入多输出的阵列结构，能够多角度多方位的观测目标，得到更加全面的目标散射信息，同时还能获得远多于实际收发阵元数目的数据通道以及系统自由度，从而可在较短的测量时间内实现更高的雷达方位分辨率；
3)本发明的信号接收部分中，仅利用低速的模数转换器和数字处理算法即可对去斜后的信号进行处理，不需要数字匹配滤波器，从而降低了对数据存储的需求且增大了信号处理的速度，实现实时的信号处理。
附图说明
图1为本发明微波光子mimo雷达系统一个具体实施例的结构原理示意图；
图2为具体实施例中信号发射阵列的具体结构示意图；
图3为具体实施例中信号接收阵列的具体结构示意图；
图4为信号接收阵列里一个阵元的wdm输出的第m个通道的光谱示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的思路是利用微波光子技术结合多输入多输出雷达结构实现雷达距离向分辨率和方位向分辨率的提升以克服传统雷达目标探测能力受限的问题。
具体地，在发射端，将m路带宽、啁啾率相同且频率互不重叠的中频线性调频信号一一对应地调制于m路波长不同的光载波上，生成m路只保留正负二阶边带的调制光信号；将这m路调制光信号通过光波分复用器合并后分为两路；将其中一路分为n束参考光；对另外一路光信号进行光电转换，得到包含m个相互正交的线性调频信号的电信号，然后将这m个线性调频信号分离出来作为发射信号，通过m个发射天线分别发射出去；
在接收端，利用n个接收天线分别接收目标反射信号；然后基于所述n束参考光，对所接收的n路目标反射信号进行去斜处理和波长解复用，对所得到的m路光信号分别进行光电转换、低通滤波和模数转换，得到m×n路携带目标信息的数字信号，最后对所述数字信号进行处理，得到目标探测结果；
所述m、n均为正整数，且两者之和大于2；每个线性调频信号的带宽远大于去斜后的信号频率，且雷达信号的载频大于相邻通道线性调频信号的初始频率差。
为了便于公众理解，下面以一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了发明微波光子mimo雷达系统一个具体实施例的基本结构。如图1所示，该雷达系统包括：m个激光器、m个直接数字频率合成器、m个双平行马赫曾德尔调制器(dpmzm)、一个光波分复用器(wdm)、一个掺铒光纤放大器(edfa)、一个光耦合器、一个光分束器、一个光电探测器、一个电放大器、一个信号发射阵列、m个发射天线、n个接收天线、一个信号接收阵列和一个数字信号处理模块。
图2显示了具体实施例中信号发射阵列的具体结构。如图2所示，信号发射阵列包括：一个电功分器、m个电滤波器和m个电功率放大器。
图3显示了具体实施例中信号接收阵列的结构。如图3所示，该信号接收阵列结构中包括n个支路，其中每个支路结构中包括：一个低相位噪声放大器、一个相位调制器、一个光波分复用器、m个光电探测器(pd)、m个低通滤波器(lpf)和m个模数转换器(adc)。
m个激光器分别产生波长不同的直流光分别进入双平行马赫曾德尔调制器(dpmzm)上进行调制，m个直接数字频率合成器产生m个带宽和啁啾率相同但频率不重叠的中频线性调频信号分别驱动m个dpmzm，其中第m个中频线性调频信号的瞬时频率可以表示为：
fifm(t)＝um+kt(0≤t≤t)
其中um为起始频率，t为中频线性调频信号的时宽，k为其啁啾率，需要注意的是为了避免相邻通道之间存在频率交叠应该满足以下条件：
um+1＞fm(t)
然后通过调节适当的偏置点使m个dpmzm都工作在四倍频工作状态，调制器输出只有正负二阶边带的调制光信号；调制器输出的m路光信号经过波分复用器(wdm)后合为一路光信号，经过掺铒光纤放大器放大后通过光耦合器(oc)被分成两个支路；其中一个支路的光信号经过光电转换后可以得到包含m个相互正交的线性调频信号的电信号，且线性调频信号带宽为原来中频线性调频信号的4倍，其中第m个线性调频信号的瞬时频率可以表示为：
fm(t)＝4um+4kt(0≤t≤t)
相互正交的线性调频信号经过电放大器放大后进入信号发射阵列；另外一路光信号经过光分束器分成多路后分别进入信号接收阵列中，作为参考信号；在信号发射阵列中，输入的包含m个相互正交的线性调频信号的电信号经过电功分器分成m个支路，m个相互正交的线性调频信号经过m个中心频率不同的滤波器分别分离出来，然后经由m个发射天线分别发射出去；发射信号打到目标上被反射回来，被n个接收天线所接收，进入信号接收阵列中；在n个支路中接收的电信号经过低相噪放大后经由相位调制器进行相位调制，然后输出的调制光信号经过另一个光波分复用器进行解复用，需要注意的是这里的光波分复用器和发射端dpmzm后的光波分复用器具有相同的特性；解复用的m个光信号分别通过光电探测器转换为电信号，然后经过低通滤波器滤波和模数转换器转换后得到m路包含探测目标信息的数字信号；所以经过信号接收阵列后可以得到m×n路包含探测目标信息的数字信号；将这些信号送入数字信号处理模块中进行处理，最终得到目标探测的结果。
该装置中直接数字频率合成器产生的多个中频线性调频信号应该经过适当的设计，以使接收阵列里每个阵元中去啁啾信号能够被有效的分离。为了便于公众理解，下面以信号接收阵列中一个阵元的wdm输出的第m个通道的光谱为例来对其进行进一步详细说明，如图4所示。在该通道中，对来自第m个发射阵元的回波信号进行去啁啾和滤波。图4中，fm是波长为λm的光载波所对应的频率，光分束器进入相位调制器的参考光信号分别为f1和f2，可视为两个扫频光载波。第m个发射阵元发射后经目标反射的回波信号表示为4um+4k(t+τm)，其中τm为回波信号的时间延时。控制相位调制器的调制系数使其输出的信号仅有光载波和正负一阶边带。经过相位调制器后可以产生f3和f4、f5和f6两组边带。所以经过光电探测器后，通过f2和f3(或f1和f5)拍频可得到频率为δf＝4kτm的去啁啾信号。δf的值一般比较小，所以去啁啾信号可以通过低通滤波器(lpf)滤出。为了保证在大探测范围条件下去啁啾信号仍然保持在低频范围内，可以在光分束器前加入一段已知延时的光纤来抵消部分雷达脉冲的无线传输时间。需要注意的是，由于经目标反射的回波信号有m个，所以f1和f2同样会受到第m+1个发射阵元的回波信号的调制，其相对应产生的边带为f7、f8、f9和f10。为了保证经过光电探测器拍频后去啁啾信号可以不受来自第m+1个发射阵元回波信号的干扰从低通滤波器中滤出，应该满足以下两个条件：
4(um+1-um)＞＞δf
fm(t)-4(um+1-um)＞＞δf
即每个线性调频信号的带宽应该远远大于去斜后的信号频率，且雷达信号的载频应该大于相邻通道线性调频信号的初始频率差。另外，当满足上述两个条件时，频率为δf的去啁啾信号可以在没有来自所有其他信道的干扰的情况下被分离出来。