基于光电振荡器的可调谐K/W波段OFDM雷达通信一体化系统

基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统
技术领域
1.本发明涉及雷达通信一体化技术领域，尤其涉及基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统。


背景技术：

2.目前，在5g、6g网络的支持下，物联网的概念得到了快速广泛的发展，其中，智能交通是最为典型的一种应用。它利用车身装载的各种软硬件设备，完成环境探测传感和信息交流，使得人类的驾驶体验向着更加安全、舒适、智能的方向发展。随着雷达和通信硬件架构、软件处理的逐渐趋同，为了减少硬件体积和功耗，缓解频谱拥堵问题，在同一平台、同样频段同时实现雷达和通信两个功能，成为无线电领域的一个研究热点。由于更高载频、更大带宽可以带来更大的通信容量和更好的雷达探测分辨能力，目前智能交通雷达通信一体化的工作频段正由传统的k波段向w波段扩展。受限于电子瓶颈，传统电子方法难以在高频实现满足应用需求的高质量电子系统。而微波光子技术将光中高频大带宽的优势和电中灵活可控的特点相结合，可以为高质量电子系统实现提供支持。
3.正交频分复用信号(orthogonal frequency division multiplexing,ofdm)最初作为传统通信信号得到广泛应用，具有抗多径干扰、频谱效率高等优势。同时由于它具有大时间带宽积特性，符合雷达脉冲压缩的前提，当在每一个符号前构造一个循环前缀时，可以将延时导致的采样偏移体现为频域上不同子载波之间的线性相位变化，从而通过脉冲压缩解调雷达距离像。雷达速度像也可以通过测量多普勒频移导致的各个时域符号之间的慢变相位得到，所以ofdm已经作为一种成熟的雷达通信一体化共用波形得到运用。但ofdm中密集分布的子载波在带来高通信效率和大时间带宽积的同时，也对相位噪声非常敏感。上下变频过程中高频本振的相位噪声引入基带ofdm，在解调时会导致子载波正交性的破坏，产生子载波间干扰(intercarrier interference，ici)，使通信星座图产生不可恢复的弥散，雷达信噪比也会恶化。一些研究者采用算法估计和恢复ofdm中的相位噪声影响，可以缓解一部分的通信质量恶化。但随着ofdm子载波间隔的降低、相位噪声的恶化，ici进一步增强，软件迭代次数大幅度上升，消耗大量计算资源和时间成本。光电振荡器(optoelectronic oscillator,oeo)是光子技术在微波振荡信号产生领域的一个典型应用，利用长光纤作为高q值谐振腔，产生低相噪的本振信号。通过分析oeo中相位噪声的产生原理以及ofdm中相位噪声的影响机制，发现oeo的相位噪声模型恰好可以抵抗ofdm的相位噪声敏感性，从物理上根本性地避免相位噪声带来的ici干扰。此外，oeo具有光电双输出的特点，方便后续的微波光子信号产生和调控，避免额外的电-光-电转换损耗。传统oeo中由窄带滤波器在电上决定振荡频率和相应光谱，但工作在高频时，如此高q值的电滤波器是一个限制，且难以灵活调谐。此外，受限于商用调制器带宽的限制，40ghz以上oeo的实现仍具挑战。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的目的在于针对现有基于oeo的ofdm雷达通信一体化系统向高频和可调谐性扩展难的问题，提出一种基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统及其实现方法，通过在oeo环路中插入一个全光信号调控模块，进行不对称幅度滤波和二次型相位调控，结合相位调制器的左右边带相位相反的特点，可以由光谱调控实现高频可调谐的oeo振荡。并在oeo环内和环外分别自激维持单边带和双边带的调制光谱。在oeo环外，可以通过光交错服用器，选择不同的光边带分别作为调制边带和外差参考边带，为k和w频段应用调制不同的基带ofdm信号，并通过光电拍频变换转换至电域，完成微波光子倍频和上变频，即可突破传统结构中高频、调谐难的问题，得到k/w波段可调谐的ofdm雷达通信一体化信号。
6.为达上述目的，本发明一方面提出了一种基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统，包括：
7.激光器，用于发射光线；
8.与所述激光器连接的相位调制器，与所述相位调制器相连的第一光耦合器；
9.与所述第一光耦合器连接的全光信号调控模块，用于将所述第一光耦合器输出的第一路光线通过光电振荡器闭合反馈回路进行调制，并将调制后的光线经过光电转换、放大后输出至所述相位调制器的射频输入端口；
10.与所述第一光耦合器连接的光交错复用器，与所述光交错复用器连接的强度调制器，所述光交错复用器用于将所述第一光耦合器输出的第二路光线中满足第一预设条件的光线输出至所述强度调制器进行ofdm调制；
11.与所述光交错复用器和所述强度调制器连接的第二光耦合器，用于将进行ofdm调制后的光线和所述第二路光线中满足第二预设条件的光线进行合路；
12.与所述第二光耦合器连接的第一光电探测器，用于根据合路后的光线生成可调谐k/w波段ofdm一体化信号。
13.为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统的实现方法，包括：
14.预设所述光电振荡器oeo中振荡频率；
15.预设所述全光信号调控模块的幅度滤波窗口带宽；
16.预设所述全光信号调控模块的相位控制大小；
17.将所述第二路光线中满足第一预设条件的光线输出至所述强度调制器进行ofdm调制以产生k波段ofdm一体化信号；以及将进行ofdm调制后的光线和所述第二路光线中满足第二预设条件的光线进行合路以产生w波段ofdm一体化信号；
18.接收k波段和w波段ofdm一体化信号并下变频得到基带信号，对所述基带信号采集处理，分别解调通信信息和雷达距离速度信息，得到可调谐k/w波段ofdm一体化信号。
19.本发明实施例的基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统及其实现方法，利用oeo作为射频本振支持ofdm雷达通信一体化系统，免除了对于外部振荡源的依赖，从物理上根本性地克服了ofdm对相位噪声敏感的问题，优化了雷达性能和通信质量；通过在oeo环路中进行全光信号调控，联合幅度滤波和相位控制，实现了具有大调谐范围的自激振荡频率控制，克服了传统结构中电滤波器q值低、调谐难的问题，为基于oeo的ofdm一体化系统的高频、可调谐扩展提供支持。
20.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1为根据本发明实施例的基于oeo的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统的结构示意图；
23.图2为图1整个系统中的光谱演化示意图；
24.图3为根据本发明实施例的基于oeo的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统实现方法的流程图；
25.图4为根据本发明实施例的oeo开环链路在不同情况下的可调谐频率响应示意图；
26.图5为根据本发明实施例的可调谐oeo环内的光谱图；
27.图6为根据本发明实施例的的k/w可调谐系统雷达距离像、距离速度二维像的结果图；
28.图7为根据本发明实施例的的k/w可调谐系统通信ber曲线和星座图。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
31.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统及其实现方法。
32.图1是本发明一个实施例的基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统的结构示意图。
33.如图1所示，该系统包括：
34.激光器100，用于发射光线；
35.与激光器100连接的相位调制器200，与相位调制器200相连的第一光耦合器300；
36.与第一光耦合器300连接的全光信号调控模块400，用于将第一光耦合器300输出的第一路光线通过光电振荡器闭合反馈回路进行调制，并将调制后的光线经过光电转换、放大后输出至相位调制器200的射频输入端口；
37.与第一光耦合器300连接的光交错复用器500，与光交错复用器500连接的强度调制器600，光交错复用器500用于将第一光耦合器300输出的第二路光线中满足第一预设条件的光线输出至强度调制器600进行ofdm调制；
38.与光交错复用器500和强度调制器600连接的第二光耦合器700，用于将进行ofdm
调制后的光线和第二路光线中满足第二预设条件的光线进行合路；
39.与第二光耦合器700连接的第一光电探测器800，用于根据合路后的光线生成可调谐k/w波段ofdm一体化信号。
40.具体地，如图1所示，其中，激光器100发出的光送至相位调制器200，相位调制器200的输出通过第一光耦合器300分为两路，一路经过全光信号调控模块400包括长光纤、全光信号调控模块、第二光电探测器和放大器，再接回至相位调制器200的射频输入端口，形成闭合反馈回路，即oeo，通过全光幅度相位调控实现大频率范围的可调谐。全光信号调控包括中心波长和光源不相等的不对称幅度滤波，以及二次型相位控制。
41.第一光耦合器300的另一路输出经过光交错复用器500，选出光载波(对于k波段)或者-1光边带(对于w波段)送至强度调制器600被基带信号源发出的基带ofdm信号调制，选出+1边带作为光外差参考，之后基带调制和外差参考两个边带通过第二光耦合器700合路，在第一光电探测器800中拍频完成光电转换，生成k/w可调谐ofdm一体化信号。通过发射天线发射至自由空间。接收天线将自由空间中的一体化信号接收。在接收端，包括接收机，k/w波段的外部本振源通过混频器将接收信号下变频至基带，通过示波器进行采集和处理。
42.进一步地，相位调制器200、第二光电探测器、放大器的工作带宽应大于w波段ofdm一体化信号载频的一半；
43.进一步地，全光信号调控的幅度控制应为矩形滤波窗口，滤波中心波长与光源保持失谐，且失谐量为最小的波长可调分辨率，滤波带宽可调谐，根据不同的目标信号，分别为w波段ofdm一体化信号载频或2倍k波段ofdm一体化信号载频；相位处理为施加额外的二次型相位，在不同波长处的相位大小应与此波长经过长光纤色散后带来的额外相位相反。
44.进一步地，光交错复用器500的最小可调通道间隔应小于k波段ofdm一体化信号的载频。
45.进一步地，强度调制器600、基带信号源的带宽应大于w波段ofdm一体化信号的带宽。
46.进一步地，第一光电探测器800的带宽应大于w波段ofdm一体化信号的最大频率。
47.进一步地，混频器的工作频率范围应覆盖k/w波段ofdm一体化信号的频率范围。
48.进一步地，本振的中心频率应等于k/w波段ofdm一体化信号的载频。
49.进一步地，强度调制器600应为抑制载波工作点。
50.根据本发明实施例的基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统，免除了对于外部振荡源的依赖，从物理上根本性地克服了ofdm对相位噪声敏感的问题，优化了雷达性能和通信质量；通过在oeo环路中进行全光信号调控，联合幅度滤波和相位控制，实现了具有大调谐范围的自激振荡频率控制，克服了传统结构中电滤波器q值低、调谐难的问题，为基于oeo的ofdm一体化系统的高频、可调谐扩展提供支持。
51.为了实现上述实施例，如图2所示，本实施例中还提供了基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统的实现方法，该方法包括：
52.s1，预设光电振荡器oeo中振荡频率；
53.s2，预设全光信号调控模块的幅度滤波窗口带宽；
54.s3，预设全光信号调控模块的相位控制大小；
55.s4，将第二路光线中满足第一预设条件的光线输出至强度调制器进行ofdm调制以
产生k波段ofdm一体化信号；以及将进行ofdm调制后的光线和第二路光线中满足第二预设条件的光线进行合路以产生w波段ofdm一体化信号；
56.s5，接收k波段和w波段ofdm一体化信号并下变频得到基带信号，对基带信号采集处理，分别解调通信信息和雷达距离速度信息，得到可调谐k/w波段ofdm一体化信号。
57.具体地，本实施例地基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统的实现方法，可以包括以下步骤：
58.oeo中振荡频率为k波段频率和w波段频率的一半；
59.全光信号调控模块的幅度滤波窗口带宽设为振荡频率的二倍；
60.相位大小与波长在长光纤色散中经历的额外相位相反。光谱演化过程示意图如图2所示，最终在oeo环内实现可调谐的自激振荡并维持单边带的调制光谱，在oeo环外维持双边带的调制光谱。
61.对于k波段ofdm一体化系统，oeo在k波段起振，光交错复用器选择并分开光载波和+1边带，光载波送入强度调制器被基带信号源发出的k波段基带ofdm信号调制后，与作为外差参考边带的+1边带通过光耦合器合路后拍频，进行基带上变频，产生k波段ofdm一体化信号，通过天线发射至自由空间。
62.对于w波段ofdm一体化系统，oeo在w波段的一半频率处起振，光交错复用器选择并分开-1和+1边带，-1边带送入强度调制器被基带信号源发出的w波段基带ofdm信号调制后，与作为外差参考边带的+1边带通过光耦合器合路后拍频，进行倍频上变频，产生w波段ofdm一体化信号，通过天线发射至自由空间。
63.不同波段的一体化信号被天线接收，经过对应频率本振的混频，下变频至基带，被示波器采集，经过数字信号处理之后，可以分别解调通信信息和雷达距离速度信息。
64.下面结合附图对本发明实施例进行详细阐述。
65.本实施例以k波段25～27ghz以及w波段89～99ghz为例，实现了一个基于oeo的k/w波段可调谐ofdm雷达通信一体化系统装置，并进行了实验验证。由相位调制器、长光纤、全光相位调控模块、光电探测器构成的oeo开环链路频率响应如图4所示，k波段频率的幅度响应如图4中的(a)(b)，其中4中的(a)只有幅度滤波，色散导致频率周期性起伏压制了滤波导致的频率选择性通过；4中的(b)加入相位调控抵抗色散影响，k波段处出现了频率选择性通过的窗口；当oeo工作在w波段频率的一半时，幅度响应如图4中的(c)(d)，其中4中的(c)只有幅度滤波，4中的(d)为幅度相位联合控制。图5为经历了幅度相位联合调控后的可调谐oeo环内光谱。光交错复用器后，调制边带和参考边带合路后对应的光谱如图6中的(a)(e)所示，其中图6中的(a)对应k波段的基频上变频光谱，图6中的(c)对应w波段的倍频上变频光谱。产生的k波段25～27ghz、w波段89～99ghz信号下变频之后的频谱如图6中的(b)(f)所示。解调后的雷达距离像如图6中的(c)(g)所示，解调后的雷达距离速度二维像如图6中的(d)(h)所示。在k和w波段分别采用16qam和64qam的调制格式，通信解调的结果包括误码率(bit error rate,ber)曲线和解调星座图如图7所示。
66.根据本发明实施例的基于光电振荡器的可调谐k/w波段ofdm雷达通信一体化系统的实现方法，免除了对于外部振荡源的依赖，从物理上根本性地克服了ofdm对相位噪声敏感的问题，优化了雷达性能和通信质量；通过在oeo环路中进行全光信号调控，联合幅度滤波和相位控制，实现了具有大调谐范围的自激振荡频率控制，克服了传统结构中电滤波器q
值低、调谐难的问题，为基于oeo的ofdm一体化系统的高频、可调谐扩展提供支持。
67.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。