一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法

本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，该方法属于微波光子与雷达相交叉的。

背景技术：

1、雷达是20世纪电子工程领域内最重要的发明之一，利用无线电对目标进行探测。相比于光学以及红外探测手段，雷达具有的全天时、全天候、远距离工作的能力，在日常生活和军事领域中都具有广泛的应用。雷达需要对目标进行快速探测，为接下来的远距离预警、高精度定位、高分辨率成像等工作做好铺垫，这些都要求雷达系统具有更大的瞬时带宽以及更高的功能集成度。当前基于传统电子技术的雷达系统面临“电子瓶颈”的困扰，探测性能受到诸多限制，系统结构复杂，体积庞大。微波光子技术具有大带宽、抗电磁干扰、体积小、传输损耗低等优势，可在光域实现宽带雷达信号的产生及处理工作，为增强雷达探测系统性能提供了有效手段。

2、在对目标进行探测时，不仅要求雷达系统能够获得不同目标的距离信息以及方向信息，还要具有大范围的方向探测能力以同时探测来自各个方向的目标。能够同时对目标进行测距测向的微波光子雷达探测方法目前虽然已有报道，但多目标同时探测能力较差，方向探测范围较小。现有的微波光子雷达探测手段难以胜任在较大的方向探测范围内对多目标同时进行测距测向的任务。

技术实现思路

1、为了解决现有微波光子雷达探测技术难以在大方向范围内同时对多个目标进行距离、方向测量，从而导致现有方法不利于在实际的军事及民用环境中应用的问题，本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的天线阵列接收回波并对回波进行去斜处理。对去斜处理得到的去斜信号频率进行对称性分析，实现对不同目标的距离、方向探测信息的区分，最终完成对多目标的同时测距测向工作。

2、本发明具体技术方案如下：

3、一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，所述方法的具体实现链路包括激光源、马赫-曾德尔调制器、任意波形发生器、50:50光耦合器、第一光电探测器、前置功率放大器、发射天线、偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器、第一接收天线、第一低噪声放大器、第二接收天线、第二低噪声放大器、第三接收天线、第三低噪声放大器、偏振控制器、偏振分束器、第二光电探测器、第三光电探测器和信号采集与处理模块，其中，偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器包括上臂子调制器和下臂子调制器。d为第一接收天线和第二接收天线之间的基线长度，其长度与第二接收天线和第三接收天线之间的基线长度相等，所述方法包括以下步骤：

4、步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号，具体如下：

5、激光源产生的连续光信号输入马赫-曾德尔调制器作为光载波，马赫-曾德尔调制器的射频驱动信号为由任意波形发生器产生的中频线性调频信号，设置直流偏置电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，抑制载波和偶数阶边带，只保留奇数阶边带；

6、接下来，利用50:50光耦合器将马赫-曾德尔调制器的输出信号分成两路，其中一路输入第一光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号；

7、最后，先将该信号输入前置功率放大器进行放大，再利用发射天线发射，作为雷达探测信号。

8、步骤二：目标距离和方向的探测

9、利用50:50光耦合器将马赫-曾德尔调制器输出信号分出的另一路作为参考信号输入偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器做其载波。通过设置偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其上下两个子调制器均工作在正交偏置点。上下两臂的子调制器各有两个驱动信号，其中上臂子调制器的驱动信号为由第一接收天线接收、第一低噪声放大器放大的微波信号以及由第二接收天线接收、第二低噪声放大器放大的微波信号；下臂子调制器的驱动信号为由第二接收天线接收、第二低噪声放大器放大的微波信号以及由第三接收天线接收、第三低噪声放大器放大的微波信号。使用偏振控制器与偏振分束器对偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号。偏振分束器的两路输出信号分别经过第二光电探测器、第三光电探测器进行光电转换后，输出的电信号经过信号采集与处理模块采集与处理，可得到与目标距离、方向相关的低频信号。对低频信号进行求解以及频率分析，便可同时得到每一个目标的距离和方向信息，实现多目标的同时测距测向。

10、所述与第n个目标距离、方向有关的低频信号频率表示为：

11、

12、式中，

13、f1,n为第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，

14、f2,n为第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，

15、f3,n为第三接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，k为任意波形发生器所产生的中频线性调频信号的调频斜率，

16、·表示乘法运算，

17、n＝1、2、…、n，n为目标数量总数，

18、τ1,n为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到第一接收天线时，所经历的时间延迟，

19、τ2,n为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到第二接收天线时，所经历的时间延迟，

20、τ3,n为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到第三接收天线时，所经历的时间延迟，

21、所述第n个目标的距离信息rn和方向信息θn分别表示为

22、

23、其中，c为空气中的光速，d为天线的基线长度，k为任意波形发生器所产生中频线性调频信号的调频斜率，f1,n为第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f3,n为第三接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率。

24、本发明在发射端，利用马赫-曾德尔调制器对任意波形发生器产生的中频线性调频信号进行二倍频操作，产生具有大瞬时带宽的线性调频信号，并作为探测信号发射到自由空间用于目标探测。在接收端，利用三个对称放置的天线(第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线)组成接收天线阵列，共同接收目标反射的回波信号。将三个接收天线接收到的回波信号作为偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号。使用偏振控制器和偏振分束器对偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号。最后，利用不同接收天线接收到的回波信号之间的关系以及回波信号与参考信号之间的关系实现多个目标方向和距离的同时探测，完成多目标的同时测距测向工作。

25、本发明的有益效果：

26、本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，将微波光子技术和雷达探测技术结合，利用对称结构的天线阵列接收目标回波信号，根据接收回波与参考信号的关系实现目标距离和方向的探测，根据不同天线接收回波去斜结果之间的频率关系，实现不同目标探测结果的区分，实现在大方向探测范围内对多个目标距离、方向的同时探测。相比于现有技术，本发明所述方法在很大程度上提高了基于微波光子技术的雷达对多目标同时探测的有效性，扩大了方向探测范围，使其更利于在军事及民用环境中的应用。

27、现有微波光子测向方法主要是根据回波信号的相位信息解算目标方向或通过在空间中进行波束扫描探测目标的方向。根据回波信号的相位信息解算目标方向时，测量精度易受激光器功率波动和调制器偏置点漂移的影响而下降；且为了实现无模糊方向测量，要求天线基线长度小于接收信号波长的一半，当接收信号频率较高波长较短时，过短的天线长度也会降低测量精度。通过在空间中进行波束扫描探测目标的方向时，受限于天线阻抗匹配、波束宽度随扫描角度增大而展宽等因素影响，波束扫描范围通常较小；且为提高方位探测分辨率，要求波束宽度很窄，导致扫描完整的空域需要较长的时间，无法做到大方向探测范围内多目标的实时探测。本发明基于接收回波信号与参考信号的频率差完成多个目标的距离、方向同时探测，对激光器功率波动和调制器偏置点漂移不敏感，因此具有更好的稳定性；接收天线的基线长度不必小于半波长，因此可以使用大孔径的接收天线阵列，以获得更高的探测精度；接收天线同时接收来自各个方向目标的回波信号，无需波束扫描而可以实现对大方向范围内空间的实时监测。经实验验证，本发明可以在-83.59°至83.19°的方向范围内有效进行多目标探测，而常见微波光子波束扫描雷达探测系统仅能在-60°至60°内对多目标进行有效探测。因此本发明具有更大的方向探测范围。