一种相干微波光子雷达探测方法及系统与流程

本发明涉及一种雷达探测方法，尤其涉及一种基于光子倍频与相干接收的相干微波光子雷达探测方法及系统。

背景技术：

1、随着雷达技术的发展，实时高分辨率探测能力成为现代雷达技术追求的主要性能之一。为了提高雷达探测精度及实时性，这就需要雷达系统具有较高的工作带宽及较强的抗干扰能力，并且信号可实时高精度处理分析。受限于目前电子技术射频放大、匹配、传输链路在承载宽带信号的产生、采样、处理等功能时，存在潜在的幅度/相位非线性效应、频率响应带宽窄等问题，传统基于电子技术的雷达系统已逐渐遇到瓶颈（参见[s. kim, n.myung, " wideband linear frequency modulated waveform compensation usingsystem predistortion and phase coefficients extraction method," ieeemicrowave and wireless components letters, vol. 17, no. 11, pp. 808-810,2007.]）。得益于微波光子技术的快速发展，微波信号的光域产生、传输、处理，如光子混频、光子采样、光子真延时等为克服传统雷达电子瓶颈问题，改善提高技术性能，提供了新的技术支撑，成为下一代雷达的关键技术（参见 [j. mckinney, " photonics illuminatesthe future of radar," nature, vol. 507, no. 7492, pp. 310-312, 2014.]）。如基于光子倍频技术的宽带雷达探测信号产生及基于光子混频技术的宽带雷达回波信号实时接收处理等技术已在新型雷达接收技术中使用（参见[f. zhang, q. guo, z. wang, etc, "photonics-based broadband radar for high-resolution and real-time inversesynthetic aperture imaging," optics express, vol. 25, no. 14, pp. 16274-16281, 2017.]）。但目前基于光子倍频技术实现宽带雷达信号产生与接收的雷达探测方案受限于系统架构多采用直接探测技术，无法实现高信噪比雷达信号接收。此外，无法直接获取中频信号相位信息，相比于相干探测在探测精度上没有优势。虽然也有部分基于光子倍频技术的相干微波光子雷达探测方案提出（参见[ye x, zhang f, yang y, et al.photonics-based radar with balanced i/q de-chirping for interference-suppressed high-resolution detection and imaging. photonics research, 2019, 7(3): 265-272.]），但该方案接收信号与参考信号分两路独立传输，会引入参考光信号与接收光信号路径差导致的去调频中频信号幅度、相位、频率不稳定抖动问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：克服现有技术不足，基于偏振复用电光调制器在正交偏振态上同时实现倍频雷达发射信号的产生与接收，基于偏振复用复合信号的偏振分离及相干接收技术实现宽带雷达回波信号的实时相干去调频。单个电光调制器即可实现宽带雷达信号的产生与接收，通过偏振复用实现相干接收中参考光信号与接收光信号的高稳定传输，系统紧凑，抗环境干扰性能优异，探测精度高。

2、本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

3、频率为flfm的基带线性扫频信号通过偏振复用电光调制器中x偏振态上的子电光调制器对光载波进行调制，得到包含载波与正负偶阶边带的第一发射调制光信号；目标回波信号通过偏振复用电光调制器中y偏振态上的子电光调制器对光载波进行调制，得到包含正负一阶边带的第一接收调制光信号；偏振态正交的第一发射调制光信号与第一接收调制光信号合为偏振复用复合光信号从偏振复用电光调制器输出；

4、偏振复用复合光信号分为两路，一路送入检偏器，检偏器的偏振轴与第一发射调制光信号的偏振态相同，通过检偏器检偏得到第二发射调制光信号，第二发射调制光信号完成光电转换后，通过滤波器滤波后得到倍频的雷达发射信号，雷达发射信号遇到目标反射得到目标回波信号；

5、所述第一接收调制光信号的正负一阶边带与所述第一发射调制光信号的正负偶阶边带频谱分布重合。另一路偏振复用复合光信号光放大后通过信号选择器滤出其中一个边带后得到单边带偏振复用复合光信号，单边带偏振复用复合光信号通过偏振分束器解偏振复用为第三发射调制光信号和第二接收调制光信号，第三发射调制光信号和第二接收调制光信号分别作为参考光信号与接收光信号送入相干接收单元实现相干探测，得到携带目标信息的复中频信号，对中频信号进行处理，提取获得探测目标信息。

6、进一步地，所述偏振复用电光调制器为偏振复用马赫-曾德尔调制器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器等；当所述偏振复用电光调制器为偏振复用马赫-曾德尔调制器时，所述第一发射调制光信号包含载波与正负二阶边带，可实现二倍频的雷达发射信号；当所述偏振复用电光调制器为偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器时，所述第一发射调制光信号包含载波与正负四阶边带，可实现四倍频的雷达发射信号。

7、优选地，所述检偏器为偏振分束器、光纤检偏器等。

8、进一步地，所述倍频雷达发射信号的周期、时宽、带宽、载频等参数可通过设置基带线性扫频信号的周期、时宽、带宽、载频等参数实现。

9、根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

10、一种相干微波光子雷达探测系统，包括：

11、激光器，用于生成光载波信号fc；

12、基带调制信号源，用于生成频率为flfm的基带线性扫频信号；

13、偏振复用电光调制器，用于将频率为flfm的基带线性扫频信号通过偏振复用电光调制器中x偏振态上的子电光调制器对光载波进行调制，得到包含载波与偶阶边带的第一发射调制光信号，同时用于将目标回波信号通过偏振复用电光调制器中y偏振态上的子电光调制器对光载波进行调制，得到包含载波与正负一阶边带的第一接收调制光信号；并将偏振态正交的第一发射调制光信号与第一接收调制光信号合为偏振复用复合光信号；

14、光耦合器，用于将偏振复用复合光信号分为两路，并分别送入偏振分束器与检偏器；

15、检偏器，检偏器的偏振轴与第一发射调制光信号的偏振态相同，用于对偏振复用复合光信号进行检偏，得到第二发射调制光信号；

16、光电探测器，用于将检偏器输出的第二发射调制光信号转换为电信号；

17、带通滤波器，用于从电信号滤出所需倍频次数的雷达发射信号；

18、功率放大器及发射天线，用于对倍频的雷达发射信号进行功率放大以及信号发射；

19、接收天线及低噪声放大器，用于接收雷达回波信号并进行低噪声放大，同时将所述目标回波信号送至偏振复用电光调制器中进行调制；

20、光放大器，用于将偏振复用复合光信号进行放大；

21、信号选择器，用于对放大的偏振复用复合光信号进行单边带滤波，得到单边带偏振复用复合光信号；

22、偏振分束器，用于将单边带偏振复用复合光信号解偏振复用为第三发射调制光信号与第二接收调制光信号，其中，偏振分束器两个输出端中输出第三发射调制光信号的一端偏振态与第一发射调制光信号的偏振态相同，偏振分束器两个输出端中输出第二接收调制光信号的一端偏振态与第一接收调制光信号的偏振态相同；

23、相干接收单元，用于将第三发射调制光信号和第二接收调制光信号分别作为参考光信号与接收光信号进行相干探测，得到携带目标信息的两路正交中频信号；

24、信号采集与处理模块，用于将两路正交中频信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出目标信息。

25、进一步地，所述相干接收单元包括：

26、90度光耦合器，用于对输入的参考光信号与接收光信号在光域引入90度相位差，输出四路复合光信号；

27、两个平衡光电探测器，用于对90度光耦合器输出的四路复合光信号分别进行光电探测，得到携带目标信息的两路正交中频信号。

28、进一步地，所述偏振复用电光调制器为偏振复用马赫-曾德尔调制器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器等；当所述偏振复用电光调制器为偏振复用马赫-曾德尔调制器时，所述第一发射调制光信号包含载波与正负二阶边带，可实现二倍频的雷达发射信号；当所述偏振复用电光调制器为偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器时，所述第一发射调制光信号包含载波与正负四阶边带，可实现四倍频的雷达发射信号。

29、优选地，所述检偏器为偏振分束器或光纤检偏器。

30、相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

31、1）本发明基于单个偏振复用调制器即可实现基带信号的光子倍频与宽带雷达发射信号的接收，系统紧凑简单，可降低雷达系统的整体成本。

32、2）本发明基于偏振复用技术在单根光纤实现参考光信号与接收光信号的同步传输，可避免参考光信号与接收光信号路径差导致的去调频中频信号幅度、相位、频率不稳定抖动问题。

33、3）本发明基于相干接收及平衡探测技术实现宽带雷达回波信号的实时相干接收，在光电域实现宽带雷达回波信号的实时相干去调频处理，可有效抑制共模噪声、多目标自混频干扰及镜频干扰信号，提高雷达探测信噪比。