激光与射频复合雷达探测方法及装置

1.本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达与射频雷达相结合的复合雷达探测方法。


背景技术：

2.雷达通过发射电磁波并接收、处理目标回波信号，可以获取目标的距离、方向、速度等信息。因其全天时、全天候、复杂环境下探测目标的能力，被广泛应用于交通监测、气象预报、资源探测、军事制导、目标跟踪、战场监视等领域，在民用和军事中都发挥着重要的作用。
3.雷达系统的探测性能与其发射波形的特性密切相关，雷达波形带宽越大，距离分辨率越高，时宽越大，探测距离越远。随着雷达距离分辨率的不断优化和探测距离的不断提高，要求发射的雷达波形具有大的时宽带宽积(tbwp)。因此，如何产生大时宽带宽积的雷达波形是当前雷达领域的研究重点。传统雷达波形主要通过压控振荡器产生或者在电域通过数模转换器(dac)，根据所需信号的相位或幅度信息生成。随着新技术的高速发展，雷达的工作频段已经上升到ka波段以及w波段，发射信号和接收信号的带宽可达40ghz甚至100ghz。然而，传统电学方法受时钟速率和数模转换速率等限制，所产生信号的频率、带宽均较低，要产生带宽达到数ghz乃至数十ghz的高频宽带信号，则需要多次倍频和上变频处理并采取电磁隔离措施，功耗大、稳定性差、结构复杂、无法满足未来雷达的发展需求。
4.微波光子技术凭借频率高、带宽大、可重构、抗电磁干扰等优势，无需经过多次倍频及上变频操作，即可产生高频、宽带、可调谐的宽带信号，且通过合理设计还可以实现高载频、超宽带多路并行信号的产生，能够有效克服纯电子技术产生宽带信号面临的中心频率低、带宽小等瓶颈，是当前微波光子学领域的研究热点之一。利用光域频谱资源丰富的优点，在光域对信号的频率、幅度和相位进行操纵，所产生的信号带宽可高达几十ghz。因此，利用光子技术产生宽带信号具有巨大优势，是突破电子瓶颈，实现高频、高速、宽带信号产生的必然发展方向。将微波光子技术与射频雷达系统相结合以大幅提升雷达探测性能已成为研究热点，出现了将光生微波技术、微波光延时与移相技术、微波光子滤波技术和全光采样量化技术等微波光子技术应用于传统射频雷达的不同研究方向；这一类雷达探测系统也被称为微波光子雷达。
5.在雷达的实际应用中，射频雷达具有探测距离远、范围广等优势，而且不受雨雪天气影响，具有全天候的特点，在战场中生存能力强，是目前军事活动中最常用的雷达系统，但其分辨率受信号时宽、带宽制约，普遍不如激光雷达。激光雷达虽然容易受雨雪天气的影响，但是其方向性好、隐蔽性强、抗有源干扰能力强、亮度高且具有更高的测距精度和分辨率，所以被广泛应用在遥感、自动驾驶等诸多领域。激光雷达系统和射频雷达系统一定程度上均有着各自的优缺点。因此，实际应用中需要一种可以兼顾全天候、探测范围广、分辨率高、方向性好、抗干扰能力强的多功能复合雷达探测系统。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种激光与射频复合雷达探测方法，其兼具微波光子雷达与激光雷达的优点，且系统结构简单，实现成本较低。
7.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
8.一种激光与射频复合雷达探测方法，生成同源的两路连续光载波；对其中一路连续光载波进行移频，生成参考光信号；对另一路连续光载波，先用线性调频电脉冲信号对其进行载波抑制单边带调制，生成线性调频光脉冲信号，然后通过循环移频将所生成的线性调频光脉冲信号拼接为大时宽、大带宽的线性调频光信号；将所述线性调频光信号分为两路，一路作为激光雷达探测光信号向目标发射，另一路与所述参考光信号的一路分束信号拍频得到双啁啾的电信号s1；将目标的激光雷达反射光信号与所述参考光信号的另一路分束信号耦合并转换为电信号s2，然后将其分为两路，将其中一路作为射频雷达的射频探测信号向目标发射，将另一路与电信号s1进行互相关操作从而得到激光雷达对目标的探测信息；将目标的射频雷达回波信号s3与电信号s2进行互相关操作从而得到射频雷达对目标的探测信息。
9.优选地，所述循环移频满足以下条件：
10.所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度等于循环移频的环路延时；
11.所述线性调频光脉冲信号的脉冲周期为脉冲宽度的整数倍；
12.所述线性调频光脉冲信号的信号带宽等于循环移频的移频频率；
13.所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度与循环移频的移频频率的乘积为整数。
14.优选地，使用工作于载波抑制单边带调制模式的双平行马赫曾德尔调制器对其中一路连续光载波进行移频，生成参考光信号。
15.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
16.一种激光与射频复合雷达探测装置，包括：
17.光载波模块，用于生成同源的两路连续光载波；
18.参考光模块，用于对其中一路连续光载波进行移频，生成参考光信号；
19.循环移频模块，用于对另一路连续光载波，先用线性调频电脉冲信号对其进行载波抑制单边带调制，生成线性调频光脉冲信号，然后通过循环移频将所生成的线性调频光脉冲信号拼接为大时宽、大带宽的线性调频光信号；
20.发射与接收模块，用于将所述线性调频光信号分为两路，一路作为激光雷达探测光信号向目标发射，另一路与所述参考光信号的一路分束信号拍频得到双啁啾的电信号s1；并将目标的激光雷达反射光信号与所述参考光信号的另一路分束信号耦合并转换为电信号s2，然后将其分为两路，将其中一路作为射频雷达的射频探测信号向目标发射；信号处理模块，用于将另一路电信号s2与电信号s1进行互相关操作从而得到激光雷达对目标的探测信息，并将目标的射频雷达回波信号s3与电信号s2进行互相关操作从而得到射频雷达对目标的探测信息。
21.优选地，所述循环移频满足以下条件：
22.所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度等于循环移频的环路延时；
23.所述线性调频光脉冲信号的脉冲周期为脉冲宽度的整数倍；
24.所述线性调频光脉冲信号的信号带宽等于循环移频的移频频率；
25.所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度与循环移频的移频频率的乘积为整数。
26.优选地，所述移频模块为工作于载波抑制单边带调制模式的双平行马赫曾德尔调制器。
27.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
28.本发明将微波光子雷达技术与激光雷达相结合，利用循环移频方式生成大时宽带宽积的线性调频光信号作为激光雷达探测光信号，并复用激光雷达的回波信号与参考光信号拍频转化为的电信号用作射频天线发射信号，从而将激光雷达和射频雷达巧妙地应用在同一系统中，取长补短，使雷达系统具有探测距离远、范围广、全天候特点的同时也兼具距离分辨率和速度分辨率高的优点；与此同时，也简化了系统结构，节约了器件使用，降低了系统对信号功率的要求。
29.本发明进一步通过调节循环移频模块中线性调频光脉冲信号的脉冲宽度、脉冲周期、信号带宽以及环路延时、移频频率等参数，使其满足特定要求，从而实现所产生的大时宽带宽积的线性调频光信号在时间、频率和相位上是连续的，相比于现有的时频域拼接法和循环移频法，所需成本低，结构更加简单，可调谐性更好。
附图说明
30.图1为本发明激光与射频复合雷达探测装置一个具体实施例的结构原理示意图；
31.图2为具体实施例中光移频环路的结构原理示意图；
32.图3为具体实施例中光电探测器2拍频出的本振信号时频曲线；
33.图4为现有循环移频法产生的线性调频信号时域波形仿真；
34.图5为具体实施例中所产生的线性调频信号时域波形仿真；
35.图6为具体实施例中激光雷达测距系统在相对延时分别为0和500ps时回波与本振信号的互相关结果。
具体实施方式
36.针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于循环移频原理产生在时间、频率、特别是相位上连续的大时宽带宽积的线性调频光信号，以此作为激光雷达的探测光信号，并且通过信号复用，将激光雷达回波信号与参考光信号拍频的电信号用作射频雷达发射信号，将激光雷达和射频雷达应用在同一系统中，取长补短，使雷达系统具有探测距离远、范围广、全天候特点的同时也兼顾距离分辨率和速度分辨率高的优点；与此同时，也可简化系统结构，节约器件使用，降低系统对信号功率的要求。
37.本发明所提出的激光与射频复合雷达探测方法，具体包括以下步骤：
38.生成同源的两路连续光载波；对其中一路连续光载波进行移频，生成参考光信号；对另一路连续光载波，先用线性调频电脉冲信号对其进行载波抑制单边带调制，生成线性调频光脉冲信号，然后通过循环移频将所生成的线性调频光脉冲信号拼接为大时宽、大带宽的线性调频光信号；将所述线性调频光信号分为两路，一路作为激光雷达探测光信号向目标发射，另一路与所述参考光信号的一路分束信号拍频得到双啁啾的电信号s1；将目标的激光雷达反射光信号与所述参考光信号的另一路分束信号耦合并转换为电信号s2，然后将其分为两路，将其中一路作为射频雷达的射频探测信号向目标发射，将另一路与电信号
s1进行互相关操作从而得到激光雷达对目标的探测信息；将目标的射频雷达回波信号s3与电信号s2进行互相关操作从而得到射频雷达对目标的探测信息。
39.本发明所提出的激光与射频复合雷达探测装置，包括：
40.光载波模块，用于生成同源的两路连续光载波；
41.参考光模块，用于对其中一路连续光载波进行移频，生成参考光信号；
42.循环移频模块，用于对另一路连续光载波，先用线性调频电脉冲信号对其进行载波抑制单边带调制，生成线性调频光脉冲信号，然后通过循环移频将所生成的线性调频光脉冲信号拼接为大时宽、大带宽的线性调频光信号；
43.发射与接收模块，用于将所述线性调频光信号分为两路，一路作为激光雷达探测光信号向目标发射，另一路与所述参考光信号的一路分束信号拍频得到双啁啾的电信号s1；并将目标的激光雷达反射光信号与所述参考光信号的另一路分束信号耦合并转换为电信号s2，然后将其分为两路，将其中一路作为射频雷达的射频探测信号向目标发射；信号处理模块，用于将另一路电信号s2与电信号s1进行互相关操作从而得到激光雷达对目标的探测信息，并将目标的射频雷达回波信号s3与电信号s2进行互相关操作从而得到射频雷达对目标的探测信息。
44.线性调频信号(lfm)是目前雷达系统中常用的波形信号，目前基于微波光子技术产生线性调频信号的主要方法有频谱整形-频时映射法、倍频法、光注入半导体激光器法、调相法、时频域拼接法。频谱整形-频时映射法是根据所需信号的波形对宽谱光源的光谱进行整形，然后将频域的形状映射到时域，得到想要的波形。优点是带宽大且可调谐；缺点是受器件精度限制，产生信号的时宽小，且信号波形精细度很差，难以满足雷达需求。倍频法是利用电域产生的基带线性调频信号驱动电光调制器，由电光非线性效应激发出不同谐波边带，选取其中不同的边带拍频，得到中心频率和带宽为基频信号对应倍数的信号。优点是结构简单、易于操作；缺点是对基带雷达波形发生器要求很高，杂散急剧增加。光注入半导体激光器法是根据在主激光器和从激光器之间的频率失谐保持不变的情况下，主、从激光器之间拍频得出的微波信号频率(或波长)与主激光器的光注入强度成线性关系的原理。它的缺点是相噪以指数级恶化、杂散急剧增加、效率随带宽和倍频系数指数降低。调相法是通过使用光学手段对微波信号引入二次抛物线型的相位变化，得到所需的线性调频信号。缺点是受调制器功率限制，所产生线性调频信号的时宽带宽积小，难以满足需求。时频域拼接法结合光域频谱资源丰富和电域信号产生灵活的特点，通过电的方法产生线性调频信号，利用光频梳对其进行变频和延时线延时后在时频域拼接得到大带宽、大时宽的线性调频信号。时频域拼接法相比其它方法具有带宽大、灵活性高、频率可调谐、波形可重构等优势；缺点是需要对不同频率间隔的双光频梳进行相位锁定，结构复杂，并且用到的可编程光滤波器价格高昂。
45.为了生成在时间、频率、特别是相位上连续的大时宽带宽积的线性调频光信号，本发明进一步在现有循环移频法基础上进行改进，具体为令所述循环移频满足以下条件：
46.所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度等于循环移频的环路延时；
47.所述线性调频光脉冲信号的脉冲周期为脉冲宽度的整数倍；
48.所述线性调频光脉冲信号的信号带宽等于循环移频的移频频率；
49.所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度与循环移频的移频频率的乘积为整数。
50.为了便于公众理解，下面通过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：
51.本实施例的激光与射频复合雷达探测装置基本结构如图1所示。首先由一个窄线宽激光器产生一束连续光载波进入到光耦合器1中，被分束为两路，其中一路进入到dpmzm(双平行马赫曾德尔调制器)1，通过令dpmzm1工作在抑制载波单边带调制模式，实现对输入光信号的移频，移频频率可通过改变所加射频信号的频率而任意调谐，移频后的光信号作为参考光信号；另外一路光载波信号进入到由马赫曾德尔调制器和滤波器级联所构建的光开关中，用任意波形发生器(awg)给马赫曾德尔调制器调制一个线性调频电脉冲信号，并使马赫曾德尔调制器工作在最小传输点抑制载波和偶数次边带，然后经过滤波器选择正负1阶边带之一输出，这样光开关便产生了一个线性调频光脉冲信号，并且该线性调频光脉冲信号的脉冲宽度和周期与线性调频电脉冲信号相一致。
52.接着，将光开关输出的线性调频光脉冲信号输入到移频环路中进行循环移频。常见的对光信号进行移频的器件有声光调制器(aom)和双平行马赫曾德尔调制器。声光调制器是利用声光效应使激光发生衍射的原理达到移频的效果，优点是移频精度高，移频效果好；缺点是受限于晶体材料，移频量严重受限，通常在几十兆赫兹到几百兆赫兹之间，并且其移频方向是固定的，不能更改。双平行马赫曾德尔调制器是利用电光强度调制激发高阶边带，并通过调节边带之间的相位关系达到移频的效果，优点是移频频率可通过改变所加射频信号的频率而任意调谐，并且移频方向可通过调节偏置电压来改变；缺点是需要控制的变量过多，偏置点容易漂移，对载波和边带抑制不够大。这两种方法各有优势和劣势。
53.本实施例中选择双平行马赫曾德尔调制器作为移频环路中的移频器件；如图2所示，该移频环路包括光耦合器6、双平行马赫曾德尔调制器2、光耦合器7、光放大器四部分。通过调节参数使以下条件得到满足：所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度等于循环移频的环路延时；所述线性调频光脉冲信号的脉冲周期为脉冲宽度的整数倍；所述线性调频光脉冲信号的信号带宽等于循环移频的移频频率；所述线性调频光脉冲信号的脉冲宽度与循环移频的移频频率的乘积为整数。在这种情况下，移频环路的输出为一个在时间、频率、相位上连续拼接起来的大时宽、大带宽的线性调频光信号；用公式可表示为：
[0054][0055]
其中，τ为线性调频光脉冲信号的脉冲宽度，t
l
为循环移频的环路延时，ts为线性调频光脉冲信号的脉冲周期，fs为循环移频的移频频率，b为线性调频光脉冲信号的带宽，m、n为非零整数。
[0056]
然后经过光滤波器，滤除所述线性调频光信号中的噪声以及不需要的光边带，之后经过耦合器2被分为两路，其中一路进入光环形器作为激光雷达的探测光信号，另外一路用作激光雷达的本振信号。
[0057]
其中探测光信号输入到光环形器的1端口，由2端口输出，然后进入到一个光学天线中，光纤中的光被转换为空间光发射出去。探测光信号探测到目标之后原路返回，返回光信号经由光学天线从光环形器的2端口输入，光环形器将其和原来的光信号分离，返回光信
号在3端口输出，该返回光信号即携带了激光雷达的探测信息。
[0058]
如图1所示，本发明复用了激光雷达的回波信号，即将环形器3端口输出的激光雷达回波信号与光耦合器3分出的一路参考光信号输入光耦合器4进行耦合，在光电探测器1处拍频，得到携带激光雷达探测信息的电信号s2，将该线性调频电信号输入到发射天线发射出去，经目标反射并接收，接收天线便得到了携带射频雷达探测信息的电信号s3。
[0059]
将光耦合器3分出的另一路参考光信号与光耦合器2分出的线性调频光本振信号输入到光耦合器5处耦合，在光电探测器2处拍频，得到激光雷达探测的参考电信号s1。
[0060]
将光电探测器2产生的参考信号s1、光电探测器1产生的携带激光雷达探测信息的电信号s2、接收天线接收的携带射频雷达探测信息的电信号s3输入到实时示波器进行采集；将s1、s2两路信号做互相关处理之后可得到激光雷达对目标的探测信息，将s2、s3两路信号做互相关处理之后可得到射频雷达对目标的探测信息。
[0061]
对于一个运动的目标，当双平行马赫曾德尔调制器1对光耦合器1分出的光载波不进行调制时，经互相关处理之后的脉冲只有一个峰值，仅携带了目标的距离和速度的耦合信息。而当双平行马赫曾德尔调制器1对光耦合器1分出的光载波进行调制，并满足与循环移频模块所产生的线性调频光信号拍频产生v型双啁啾信号(将光载波移频到线性调频光信号中间的某个频率处)或x型双啁啾信号(调制输出为两个落在线性调频光信号频率范围两侧的光载波)的条件时，经过互相关处理之后的脉冲信号包含两个峰值，经计算之后可分别解得目标的速度信息和距离信息。因此，应通过调整dpmzm1使得其所输出的移频光信号与循环移频模块所产生的线性调频光信号拍频产生双啁啾的电信号。
[0062]
下面从原理上进行进一步分析：
[0063]
激光器发出的一路光载波信号进入由马赫曾德尔调制器级联滤波器实现的光开关中，若进入调制器的光载波表达式为e0＝cos(ω0t)，用任意波形发生器(awg)给调制器输入一个线性调频脉冲s(t)可表示为：
[0064][0065]
其中ωm是信号的起始频率，τ是信号的脉冲宽度，ts＝pτ为信号周期，k＝b/4τ为信号的啁啾率,b是带宽，rect[x]是一个矩形窗函数，具体为：
[0066][0067]
根据马赫曾德尔调制器工作原理，输出可被表示为：
[0068][0069]
其中，v
π
是调制器的半波电压，v
dc
是偏置电压，用贝塞尔级数展开得：
[0070][0071]
其中m＝π/2v
π
，若控制v
dc
使并且只考虑小信号调制，那么式(5)可以被改写为：
[0072][0073]
可见调制器的输出仅有正负一阶边带，然后用光滤波器滤除掉其中一根边带之后，式(6)可以写为：
[0074][0075]
由此可见，一个线性调频光脉冲信号便产生了，其脉冲宽度和周期与加在调制器上的单频脉冲信号的脉冲宽度和周期是一致的。
[0076]
光耦合器1分出的另外一路信号进入到双平行马赫曾德尔调制器1进行调制，双平行马赫曾德尔调制器是由两个推挽式的马赫曾德尔调制器(mzm)平行放置构成，若输入的光载波表达式为：ea(t)＝acos(ω0t)，其中ω0为光载波的角频率，a为输入光载波的振幅，根据双平行马赫曾德尔调制器工作原理可知，输出信号为：
[0077][0078]
其中，射频信号幅度为2va，角频率为ω，v
π
为半波电压，为射频信号引入的相位差，为三个偏置电压引入的相位差，m＝πva/2v
π
为调制系数。
[0079]
将式(8)用贝塞尔级数展开得：
[0080]
[0081]
通过控制三个偏置电压，使输出信号可化简为：
[0082][0083]
式(10)表明，输出仅剩一个一阶边带和一个三阶边带，而三阶边带可通过调节射频信号电压2va来使j1(m)＞＞j3(m)进行抑制。
[0084]
因此，通过改变三个偏置电压以及射频信号的相位差和输出电压，可以抑制载波单边带，使输出仅有一个一阶边带，从而实现对输入光信号的移频，移频频率可通过改变所加射频信号的频率而任意调谐。
[0085]
将光开关输出的线性调频光脉冲输入到光移频环路进行循环移频，并使系统满足
[0086]
式(1)。在这种情况下，循环移频模块的输出可以表示为：
[0087][0088]
式(11)代表着一个大时宽带宽积的光线性调频信号产生，它的起始频率为ω0+ωm，带宽为pb。可以看出，信号为原光开关产生的信号在时间和频率上的拼接，并且由于τfs＝n，因此拼接处相位差为说明相位也是连续的。这一点是尤其重要的，相较于目前方法：时频域拼接法需要对不同频率间隔的双光频梳进行相位锁定，成本高、结构复杂；常见的循环移频法通常只能保证拼接产生的线性调频信号在时间和频率上是连续的，而相位并不一定连续；本发明所采用的方案具有很大优势。
[0089]
取ts＝5μs，τ＝500ns，fs＝1ghz，ωm＝2ghz时，通过matlab仿真做出其时频曲线如图3所示，拼接后的带宽范围是2ghz-26ghz，说明本方案经循环移频产生了时间和频率上连续的线性调频信号。同时，分别对现有循环移频法产生的线性调频信号和本方案产生的线性调频信号时域波形进行仿真，结果如图4、图5所示，可知该循环移频方案相较于现有的循环移频法有相位连续这一优势。
[0090]
最后将光电探测器2产生的参考信号s1、光电探测器1产生的携带激光雷达探测信息的电信号s2、接收天线接收的携带射频雷达探测信息的电信号s3输入到实时示波器进行采集；将s1、s2两路信号做互相关处理之后可得到激光雷达对目标的探测信息，将s2、s3两路信号做互相关处理之后可得到射频雷达对目标的探测信息。
[0091]
为了验证本发明技术方案的效果，对本发明激光与射频复合雷达探测装置的激光雷达和射频雷达的测距功能分别进行了仿真验证。激光雷达的仿真具体为采用加一个光延时的方法来模拟激光雷达探测物体的距离信息。分别在光延时为0和光延时为500ps时，做出回波信号与本振信号的互相关脉冲图像，其结果如图6所示，峰值对应的时间坐标分别为500.1ns和500.6ns，也就是说环路延时的变化量和互相关脉冲峰值时间坐标变化量一致，因此，可以证明激光雷达的测距能力。
[0092]
对于射频雷达测距的仿真，具体采用加一个电延时来模拟目标物体的距离信息。其验证方法与激光雷达测距系统一致，结果在一定误差范围内，同样也可验证系统的测距能力。