微波光子正交频分复用雷达信号收发方法及装置

1.本发明涉及一种雷达信号产生与接收方法，尤其涉及一种微波光子正交频分复用雷达信号收发方法及装置，属于微波光子技术领域。


背景技术：

2.近年来，正交频分复用技术被应用于雷达领域，正交频分复用的雷达信号体制作为兴起的一种新型体制雷达，具备波形设计灵活，频谱利用率较高，易于数字化处理等优势，因而被广泛应用于网间通信和目标探测等领域。相比于传统的雷达信号收发方法，正交频分复用信号的雷达收发方法引入的正交频分复用信号实现了雷达波形的载频离散化，可以有效提升雷达对目标探测的性能。然而，现有的正交频分复用雷达信号收发方法会受到电子瓶颈的限制，其性能随着频率的提高而下降，导致其带宽较小，不能实现较高的距离分辨率。
3.当前，微波光子技术得到飞速发展，利用光子学方法产生与处理宽带射频或微波信号，具有高频、宽带、多路并行处理能力强、传输损耗低、抗射频电磁干扰等优势，为突破传统雷达面临的瓶颈也提供了有效手段。但现有技术中并未出现基于微波光子技术的正交频分复用雷达信号收发技术方案。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子正交频分复用雷达信号收发方法，基于微波光子技术实现正交频分雷达信号收发，可有效兼顾信号的大带宽与信号的载频离散化处理，其工作的信号子载频离散化，频率更高，带宽更大，为发挥雷达载频域的自适应目标检测提供了基础。
5.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
6.微波光子正交频分复用雷达信号收发方法，
7.用线性调频信号对频率为f0的单频连续光信号进行载波抑制单边带iq调制，并将所得到的调制光信号与起始频率为f1的光频梳进行耦合，得到第一复合光信号，其中，f1＞f0+fc+πkt，fc、k分别为所述线性调频信号的中心频率、调频斜率；对所述第一复合光信号进行光电转换后滤除其中光频梳与自身拍频的频率分量，得到子载波正交的线性调频信号，作为雷达信号发射；
8.用接收到的雷达回波信号与一单频电信号分别对所述单频连续光信号的同源信号进行载波抑制双边带调制，并将所得到的两路调制光信号耦合，得到第二复合光信号，所述单频电信号的频率f2满足：(f
1-fc+δf)-(f0+f2)＞qδf，其中，q为所述光频梳的梳齿数量，δf为光频梳的梳齿间隔；滤除第二复合光信号的任意1阶边带后，对其进行光电探测，得到下变频后的正交频分复用的线性调频信号，滤除其中正交频分复用的线性调频信号与自身拍频的频率分量，然后进行模数转换并采样，得到正交频分复用的线性调频信号。
9.优选地，所述光频梳通过以下方法生成：使用可编程光滤波器对较宽频率范围的
光频梳信号的频率进行选择，得到所述光频梳。
10.进一步优选地，使用飞秒激光器生成所述较宽频率范围的光频梳信号。
11.优选地，使用双平行马赫曾德尔调制器进行所述载波抑制单边带iq调制。
12.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
13.微波光子正交频分复用雷达信号收发装置，包括发射端和接收端；
14.所述发射端包括第一复合光信号生成模块、第一光电转换及滤波模块；所述第一复合光信号生成模块用于用线性调频信号对频率为f0的单频连续光信号进行载波抑制单边带iq调制，并将所得到的调制光信号与起始频率为f1的光频梳进行耦合，得到第一复合光信号，其中，f1＞f0+fc+πkt，fc、k分别为所述线性调频信号的中心频率、调频斜率；所述第一光电转换及滤波模块用于对所述第一复合光信号进行光电转换后滤除其中光频梳与自身拍频的频率分量，得到子载波正交的线性调频信号，作为雷达信号发射；
15.所述接收端包括第二复合光信号生成模块、第二光电转换及滤波模块；所述第二复合光信号生成模块用于用接收到的雷达回波信号与一单频电信号分别对所述单频连续光信号的同源信号进行载波抑制双边带调制，并将所得到的两路调制光信号耦合，得到第二复合光信号，所述单频电信号的频率f2满足：(f
1-fc+δf)-(f0+f2)＞qδf，其中，q为所述光频梳的梳齿数量，δf为光频梳的梳齿间隔；所述第二光电转换及滤波模块用于滤除第二复合光信号的任意1阶边带后，对其进行光电探测，得到下变频后的正交频分复用的线性调频信号，滤除其中正交频分复用的线性调频信号与自身拍频的频率分量，然后进行模数转换并采样，得到正交频分复用的线性调频信号。
16.优选地，所述光频梳通过以下方法生成：使用可编程光滤波器对较宽频率范围的光频梳信号的频率进行选择，得到所述光频梳。
17.进一步优选地，使用飞秒激光器生成所述较宽频率范围的光频梳信号。
18.优选地，使用双平行马赫曾德尔调制器进行所述载波抑制单边带iq调制。
19.相比现有技术，本发明技术方案及其改进及优选方案具有以下有益效果：
20.1)本发明实现了正交频分复用的线性调频信号在光域进行，避免了电器件对工作带宽的限制与电磁干扰；本发明引入的正交频分复用信号实现了雷达波形的载频离散化，为发挥雷达载频域的自适应目标检测提供了基础；
21.2)本发明进一步利用可编程光滤波器对飞秒脉冲激光器的飞秒脉冲进行重构，可以通过调节可编程光带通滤波器简单调节正交频分复用的线性调频信号的中心频率与带宽。
附图说明
22.图1为本发明微波光子正交频分复用雷达信号收发装置一种具体实现结构的结构框图；
23.图2为本发明微波光子正交频分复用雷达信号收发装置一种具体实现结构的原理示意图；
24.图3为本发明发射的正交频分复用线性调频信号的时频图；
25.图4为本发明接收的正交频分复用线性调频信号的时频图。
具体实施方式
26.为了克服现有技术所产生的正交频分复用雷达信号带宽小的不足；本发明的解决思路是：利用中心频率和频率范围可重构的光频梳，增大发射电信号的带宽；利用微波光子混频，突破电混频器对接收信号频率与带宽的限制；结合可重构的光频梳和微波光子混频，实现微波光子正交频分复用雷达大带宽信号收发。
27.本发明所提出的微波光子正交频分复用雷达信号收发方法，具体如下：用线性调频信号对频率为f0的单频连续光信号进行载波抑制单边带iq调制，并将所得到的调制光信号与起始频率为f1的光频梳进行耦合，得到第一复合光信号，其中，f1＞f0+fc+πkt，fc、k分别为所述线性调频信号的中心频率、调频斜率；对所述第一复合光信号进行光电转换后滤除其中光频梳与自身拍频的频率分量，得到子载波正交的线性调频信号，作为雷达信号发射；
28.用接收到的雷达回波信号与一单频电信号分别对所述单频连续光信号的同源信号进行载波抑制双边带调制，并将所得到的两路调制光信号耦合，得到第二复合光信号；滤除第二复合光信号的任意1阶边带后，对其进行光电探测，得到下变频后的正交频分复用的线性调频信号，滤除其中正交频分复用的线性调频信号与自身拍频的频率分量，然后进行模数转换并采样，得到正交频分复用的线性调频信号。
29.本发明所提出的微波光子正交频分复用雷达信号收发装置，包括发射端和接收端；
30.所述发射端包括第一复合光信号生成模块、第一光电转换及滤波模块；所述第一复合光信号生成模块用于用线性调频信号对频率为f0的单频连续光信号进行载波抑制单边带iq调制，并将所得到的调制光信号与起始频率为f1的光频梳进行耦合，得到第一复合光信号，其中，f1＞f0+fc+πkt，fc、k分别为所述线性调频信号的中心频率、调频斜率；所述第一光电转换及滤波模块用于对所述第一复合光信号进行光电转换后滤除其中光频梳与自身拍频的频率分量，得到子载波正交的线性调频信号，作为雷达信号发射；
31.所述接收端包括第二复合光信号生成模块、第二光电转换及滤波模块；所述第二复合光信号生成模块用于用接收到的雷达回波信号与一单频电信号分别对所述单频连续光信号的同源信号进行载波抑制双边带调制，并将所得到的两路调制光信号耦合，得到第二复合光信号，所述单频电信号的频率f2满足：(f
1-fc+δf)-(f0+f2)＞qδf，其中，q为所述光频梳的梳齿数量，δf为光频梳的梳齿间隔；所述第二光电转换及滤波模块用于滤除第二复合光信号的任意1阶边带后，对其进行光电探测，得到下变频后的正交频分复用的线性调频信号，滤除其中正交频分复用的线性调频信号与自身拍频的频率分量，然后进行模数转换并采样，得到正交频分复用的线性调频信号。
32.所述光频梳可采用现有技术生成，例如基于激光外调的光频梳产生方法，基于循环频移结构的光频梳产生方法和基于超短脉冲激光器的光频梳产生方法；优选地，所述光频梳通过以下方法生成：使用超短脉冲激光器产生较宽频率范围的光频梳信号，再使用可编程光滤波器对较宽范围的光频梳信号进行频率选择，得到所述光频梳；该方案相比于其他方案产生的光学频率梳具有载波数目多、梳齿间隔窄、中心频率与频率范围可重构的优点。
33.其中，所述较宽频率范围的光频梳信号可使用飞秒激光器、皮秒激光器等超短脉冲激光器产生；优选地，使用飞秒激光器生成所述较宽频率范围的光频梳信号。
34.所述载波抑制单边带iq调制可采用现有技术实现，例如结合马赫曾德尔调制器与光带通滤波器实现单边带调制和使用双平行马赫曾德尔调制器实现单边带iq调制这两种方法；优选地，使用双平行马赫曾德尔调制器进行所述载波抑制单边带iq调制。
35.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：
36.图1显示了本发明微波光子正交频分复用雷达信号收发装置的一种具体实现结构。如图1所示，本实施例使用飞秒脉冲激光器产生较宽频率范围的光频梳信号；使用可编程光滤波器对较宽频率范围的光频梳信号的频率进行选择，滤波得到中心频率与频率范围确定的光频梳；同时使用窄线宽激光器产生窄线宽单频连续光信号；通过iq调制器将线性调频信号调制到所述窄线宽单频连续光信号上；通过控制iq调制器的偏置电压，抑制载波并选择调制信号的任意1阶边带光信号；然后将光频梳和调制信号的任意1阶边带光信号耦合相加，得到一个复合光信号；将所述复合光信号经过光电转换并滤除光学频率梳与自身拍频的频率部分，便可得到子载波正交的线性调频信号；可通过发射天线将信号发射至探测空间中，即实现了正交频分复用雷达信号的发射功能；
37.使用接收天线接收雷达回波信号(正交频分复用的线性调频信号)；同时将单频电信号与所接收的正交频分复用的线性调频信号分别调制到所述窄线宽单频连续光信号的同源光信号上；控制电光调制器的偏置电压，抑制载波并得到两路+1阶与-1阶边带的光信号；通过光耦合器两路调制后的光信号叠加，得到一个复合光信号；然后使用光带通滤波器选取出所述复合光信号的任意1阶边带，使用光电探测器将任意1阶边带内的正交频分复用的线性调频信号与单频信号拍频，得到下变频后的正交频分复用的线性调频信号；使用带通滤波器滤除正交频分复用的线性调频信号与自身拍频的部分；最后通过模拟数字转换电路采样得到正交频分复用的线性调频信号，即实现了正交频分复用雷达信号的接收功能。
38.图2显示了图1微波光子正交频分复用雷达信号收发装置的一种具体实现结构及其基本原理，如图2所示，该装置包括飞秒脉冲激光器(femtosecond pulse laser,fpl)、激光器(laser diode,ld)、可编程光滤波器(waveshaper)、双平行马赫曾德尔调制器(dual-parallel mach-zehnder modulator,dpmzm)、第一任意波形发生器(arbitrary waveform generator)awg1、第二任意波形发生器awg2、第一马赫曾德尔调制器(mach-zehnder modulator)mzm1、第二马赫曾德尔调制器mzm2、第一光耦合器(optical coupler)oc1、第二光耦合器～第四光耦合器oc2～oc4、光带通滤波器(optical band pass filter,obpf)、第一光电探测器(photonic detector)pd1、第二光电探测器pd2、第一带通滤波器(band pass filter)bpf1、第二带通滤波器bpf2、低噪放大器(low-noise amplifier,lna)、第一功率放大器(power amplifier)pa1、第二功率放大器pa2、发送天线(tx)、接收天线(rx)、模拟数字转换电路(analog-to-digital conversion,adc)；所述飞秒脉冲激光器产生较宽频率范围的光频梳信号；所述可编程光滤波器的输入的连接飞秒脉冲激光器的输出端，用于重构较宽频率范围的光频梳信号频谱的中心频率与频率范围；所述激光器用于产生窄线宽单频连续光信号；所述第一光耦合器将窄线宽单频连续光信号分成两路，一路作为双平行马赫曾德尔调制器的光输入，另一路引出用于接收信号的处理；所述双平行马赫曾德尔调制器的输入端连接第一光耦合器的输出端，且两个射频端分别连接第一任意波形发生器的输出端的i路信号与q路信号，用于调制第一任意波形发生器产生的i路与q路线性调频信号；通过
调节双平行马赫曾德尔调制器的偏置电压，得到调制在光载波任意1阶边带的线性调频信号；所述第二光耦合器的输入端连接可编程光滤波器的输出端和双平行马赫曾德尔调制器的输出端，用于将调制在光载波的任意1阶边带的线性调频信号与重构后的光频梳信号叠加输出；所述第一电光调制器连接第二光耦合器的输出端，用于将调制后的线性调频信号与重构后光信号的每一根梳齿进行拍频，以便得到正交频分复用的线性调频信号；第一带通滤波器的输入端与第一电光调制器的输出端连接，用于滤除正交频分复用的线性调频信号的光学频率梳与自身拍频的频率部分；第一功率放大器的输入端连接第一带通滤波器的输出端，用于放大正交频分复用的线性调频信号的输出功率；所述发射天线的输入端连接第一功率放大器的输出端，用于将处理完的正交频分复用的线性调频信号发射到空间中；
39.所述接收天线用于接收空间中的射频信号；所述低噪放大器的输入端连接接收天线，将接收到的射频信号功率放大输出，便于进一步的信号处理；所述第二任意波形发生器用于产生某一确定频率的单频电信号，此单频电信号的频率与接收到的射频信号的起始频率或结束频率之间的频率差值大于接收信号的带宽，且此单频信号能在频域中与接收到的射频信号明显区分出来；所述第三光耦合器的输入端连接第一光耦合器的输出端，用于将窄线宽单频连续光信号分成两路分别作为第一马赫曾德尔调制器与第二马赫曾德尔调制器的输入光信号；所述第一马赫曾德尔调制器的输入端连接第三光耦合器的输出端，同时将低噪放大器的正交频分复用的线性调频信号调制到光载波上并输出；所述第二马赫曾德尔调制器的输入端连接第三光耦合器的输出端，同时将第二任意波形发射器输出的单频电信号调制到光载波上并输出；所述第四光耦合器连接第一马赫曾德尔调制器的输出端与第二马赫曾德尔调制器的输出端，用于将调制后的正交频分复用线性调频信号与调制后的单频信号叠加输出；所述光带通滤波器的输入端连接第四光耦合器的输出端，用于提取叠加输出后光信号的任意1阶边带，滤除其余边带的光信号；所述第二光电探测器的输入端连接光带通滤波器，用于将叠加输出光信号的任意1阶边带拍频输出，得到下变频后的正交频分复用的线性调频信号；所述第二功率放大器的输入端连接第二光电探测器的输出端，用于放大拍频后信号的功率；所述第二带通滤波器的输入端连接第二功率放大器，用于滤除正交频分复用的线性调频信号与自身拍频的频率部分；所述模拟数字转换电路的输入端连接第二带通滤波器，用于将正交频分复用线性调频信号转换为数字信号，以便进一步的信号处理。
40.如图2所示，设激光器产生的连续光载波信号为e
ld
(t)，可表示为
[0041][0042]
其中，a为光信号幅度，f0为光载波频率，为相位。
[0043]
利用双平行马赫曾德尔调制器对连续光载波进行调制，第一波形发生器产生线性调频信号的i路与q路作为双平行马赫曾德尔调制器的驱动信号。且i路与q路是幅度、频率、斜率相同，但相位相差90度的线性调频信号。其中，两路信号均是斜率为负的线性调频信号s
i_lfm
(t)与s
q_lfm
(t)。假设v
lfm
表示线性调频信号的幅度，fc表示线性调频信号的中心频率，k为调频斜率，且k大于0，则
[0044]
[0045]
在加载有线性调频信号的双平行马赫曾德尔调制器中，激光器产生的连续光波被i路与q路线性调频信号调制。双平行马赫曾德尔调制器的输出可表示为
[0046][0047]
其中，和分别为双平行马赫曾德尔调制器i路与q路调制器的上下壁相位差。β1和β2分别为双平行马赫曾德尔调制器i路和q路调制器的调制系数。表示双平行马赫曾德尔调制器中i路输出光信号的90度相移。并应用下列bessel展开式进行进一步的化简
[0048][0049]
其中，jn表示n阶数第一类bessel函数。将(3)式第一电光调制器的输出化简为
[0050][0051]
通过调节双马赫曾德尔调制器的偏置电压，使双平行马赫曾德尔调制器工作在最小偏置点(minimum transmission bias point,mitb)，即调制信号中只包含奇数次边带，光载波和偶数次边带受到抑制，输出信号为
[0052]
[0053]
在小信号调制下，可以忽略1阶以上的边带，由于因此i路信号经过90度相移相当于乘以j，则公式(6)可以表示为
[0054][0055]
对上式进行傅里叶变换得到输出信号的频谱为
[0056][0057]
上式表明第一任意波形发生器产生的i路与q路线性调频信号分别经过双平行马赫曾德尔调制器调制后，-1阶边带在幅度上相消，而+1阶边带在幅度上叠加输出，最终，实现了线性调频信号的基带调制。
[0058]
在本实施例中，飞秒脉冲激光器所产生超短脉冲激光，可以表示为一系列等间隔的频谱，通过可编程滤波器对飞秒脉冲激光器产生的等间隔频谱进行滤波，得到中心频率和频率范围重构后的光频梳频谱为
[0059][0060]
其中，q表示频谱梳齿的数量，f1为重构后光频数梳齿的起始频率，δf为光频梳的梳齿间隔，整数q为光频梳的梳齿标号。假设重构后的光频梳信号与双平行马赫曾德尔调制器调制后输出信号的频谱没有混叠现象，即满足f1＞f0+fc+πkt的条件。将重构后的光频梳信号与双平行马赫曾德尔调制器基带调制后信号耦合相加，输出信号的频谱记为e2(f)，其表达式为
[0061][0062]
再将上式e2(f)的频域形式转换为时域形式，可以表示为e2(t)，其表达式为
[0063][0064]
e2(t)经过第一光电探测器转换后变为射频信号，再经过第一电滤波器h1(t)滤除光频梳与自身拍频的部分，此电信号可记为s
tx
(t)，其表达式为
[0065][0066]
上式表明，经过第一电滤波器后的电信号为正交频分复用的线性调频信号，且每个线性调频信号分别被调制在间隔频率为qδf的子载波上，子载波数量为q，线性调频信号
的调频斜率由负变为正值。上述信号再经过第一功率放大器后由发射天线发射至探测空间。
[0067]
接收天线接收到雷达的回波信号，此回波信号记为s
rx
(t)，可表示为
[0068]srx
(t)
∝stx
(t-τ)
ꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0069]
其中，τ为回波信号延时。雷达回波信号经低噪放大器放大后，作为第一电光调制器的驱动信号。与式(7)同理，控制第一电光调制器的偏置电压，使第一电光调制器工作在最小偏置点。其中，第一电光调制器的光输入为发送端的窄线宽激光器产生的窄线宽连续光信号。调制后得到的光信号记为e3(t)，其中调制系数为β3，可以表示为
[0070][0071]
第二任意波形发生器产生频率为f2的单频信号，作为第二电光调制器的驱动信号，此单频信号必须满足(f
1-fc+δf)-(f0+f2)＞qδf。该射频信号满足与式(7)同理，控制第二电光调制器的偏置电压，使第二电光调制器工作在最小偏置点。其中，第二电光调制器的光输入为发送端的窄线宽激光器产生的窄线宽连续光信号。调制后得到的光信号记为e4(t)，其中调制系数为β4，可以表示为
[0072]
e4(t)
∝eld
(t)[-2j1(β4)cos(2πf2t)]
ꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0073]
上述调制后的光信号e3(t)与e4(t)连接至第四光耦合器的输入端耦合输出得到光信号e5(t)，由于调制后的信号是余弦信号的形式，因此，信号存在-1阶边带与+1阶边带。本实施例中，通过光带通滤波器h2(t)滤除-1阶边带，得到复合光信号e5(t)的+1阶边带，e5(t)可表示为
[0074][0075]
上式表明，经第二带通滤波器后的光信号e5(t)主要存在两部分频率的信号，其中一部分为调制在光载波上频率为f0+f2的信号，另一部分为调制在光载波上频率为f
1-fc+qδf的信号。在使用第二光电探测器对光信号e5(t)进行下变频处理，并依次通过第二功率放大器、第二带通滤波器，对信号经功率放大与滤除正交频分复用的线性调频信号与自身拍频的频率部分处理后，得到下变频后的信号s
out
(t)，即为接收到的正交频分复用的线性调频信号，可表示为
[0076][0077]
上式表明接收到的正交频分复用信号存在q个子载波，子载波的频率可以表示为f
1-f
0-f
c-f2+qδf,q＝1,2,...,q，每个子载波上调制了窄带线性调频信号，且彼此之间正交。最后，可通过模拟数字转换电路将接收到的信号采集，以便进行信号处理。
[0078]
为了说明本发明技术方案的有效性，对本发明技术方案进行了仿真实验。实验所用器件的参数如下：
[0079]
激光器输出连续光波频率f0为193thz；锁模激光器的重复频率间隔δf为100mhz；可编程光滤波器的中心频率193.014thz，带宽为4.1ghz；第一任意波形发生器产生的线性调频信号为余弦信号，起始频率fc为4ghz，带宽为80mhz；第一带通滤波器的中心频率为10.1ghz，带宽为4.1ghz；光带通滤波器的中心频率为193.008thz，带宽为8.4ghz；第二任意波形发生器产生频率f2为4ghz的单频信号；第二带通滤波器的中心频率为6.1ghz，带宽为4.1ghz。
[0080]
通过可编程光滤波器对锁模激光器产生的光频数重构后，可得到起始频率f1为193.012thz，梳齿数量为q＝40的光频数。经过调制、耦合、拍频、放大、滤波处理后，将得到工作在x波段的射频信号，该信号的起始频率f
1-f
0-fc+δf为8.1ghz，频率范围为8.1ghz至12.1ghz的正交频分复用的线性调频信号。
[0081]
图3为本发明发射的正交频分复用线性调频信号的时频图，该信号的起始频率为8.1ghz，频率范围为8.1ghz至12.1ghz的正交频分复用的线性调频信号。
[0082]
上述正交频分复用的线性调频信号通过发送至空间中，再通过接收天线接收，进行调制、滤波、拍频、放大等处理后，将得到起始频率f
1-f
0-f
c-f2+qδf为4.1ghz，频率范围4.1ghz至8.1ghz的正交频分复用的线性调频信号。
[0083]
图4为本发明接收的正交频分复用线性调配信号的时频图，该信号的起始频率为4.1ghz，频率范围为4.1ghz至8.1ghz的正交频分复用的线性调频信号。综上所述，本发明利用中心频率和频率范围可重构的光频梳，增大发射电信号的带宽；利用微波光子混频，突破电混频器对接收信号频率与带宽的限制；结合可重构的光频梳和微波光子混频，实现大带宽的正交频分复用信号收发；引入的正交频分复用信号实现了雷达波形的载频离散化，为发挥雷达载频域的自适应目标检测提供了基础。