CN110806576B - 微波光子大范围自动对焦雷达成像***及方法 - Google Patents

微波光子大范围自动对焦雷达成像***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波光子大范围自动对焦雷达成像***及方法，其中，***包括：微波源与可重构微波光子雷达发射机和可重构微波光子雷达接收机连接；雷达发射机与发射机射频前端和雷达接收机连接；发射机射频前端与发射天线连接；接收天线与接收机射频前端连接；接收机射频前端与雷达接收机连接；接收机与控制和处理模块连接；控制和处理模块与雷达发射机连接。在窄带测距模式下通过匹配滤波处理得到目标与雷达***的距离，在宽带成像模式下，根据目标距离调整发射机触发信号的时序关系，控制信号时延，使目标距离落在去斜接收机的距离窗口内，实现目标自动对焦，之后对去斜信号进行数字信号处理,就可以对目标进行高分辨率成像。

Description

微波光子大范围自动对焦雷达成像***及方法
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域，特别涉及一种微波光子大范围自动对焦雷达成像***及方法。
背景技术
由于具有全天时、全天候的观测能力，雷达***对于目标检测、跟踪和识别都非常关键。通过雷达成像，可获得目标散射点的空间分布，从而对目标进行鉴别和分类。随着目标越来越复杂多样，对具有更高分辨能力的雷达的需求越来越迫切。而基于传统电子学方法产生和处理更高频率和更大带宽信号时，会引入较高的时间抖动，所以很难继续提升雷达***的带宽和频率。
通过微波光子学方法构建雷达成像***是一种可行的途径，当前常见的微波光子雷达***结构如图1所示，包括微波光子雷达发射机、发射机射频前端、发射天线、接收天线、接收机射频前端、微波光子雷达去斜接收机、可调光延时模块和信号处理模块。在发射端，所述微波光子雷达发射机产生宽带雷达信号分成两路，一路从发射机输出送入发射机射频前端，另一路作为参考信号送入可调光延时模块调整延时。可调光延时模块的输出端送入微波光子雷达去斜接收机的参考信号输入端。发射机射频前端的输出端连接发射天线的输入端。在接收端，接收天线的输出端连接接收机射频前端的输入端，接收机射频前端输出端连接微波光子雷达去斜接收机的接收信号输入端；微波光子雷达去斜接收机利用从微波光子雷达发射机接收到的宽带雷达信号作为去斜处理的参考信号，对接收机射频前端接收到的回波信号进行去斜处理，生成去斜信号发送至信号处理模块。采用去斜处理，可以将高频宽带的线性调频回波信号转换成低频窄带的单频信号，对去斜信号FFT处理即可获取目标的高分辨距离像。但是去斜处理的距离窗口受限：当目标距离比较远时，回波信号的延时相比参考信号比较大，导致去斜处理后的信号频率比较高，可能会落在微波光子雷达去斜接收机的带宽以外；更极端的情况下，回波信号的延时非常大，导致回波信号与参考信号在时间上没有重叠，无法完成去斜处理，无法实现对目标的对焦。因此，为了实现对目标的对焦，需要保证回波信号和参考信号有较大的重叠时间。通过可调光延时模块调整参考信号的延时，虽然可以使得回波信号与参考信号有较大的重叠时间，但是由于可调光延时模块的延时调节范围受限，不能实现对不同距离目标的对焦。此外，在实际场景中，需要外界***提供目标的大致距离，再根据这一距离调整可调光延时模块的延时量。基于单个雷达***不能实现对目标的对焦，不能获取目标的高分辨像。因此，当前的微波光子雷达***在实现对目标的高分辨成像方面还存在问题。
发明内容
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。
为此，本发明的一个目的在于提出一种微波光子大范围自动对焦雷达成像***，该***可实现对不同距离目标的大范围自动对焦和高分辨成像。本发明提出的微波光子大范围自动对焦雷达成像***对目标的检测、跟踪、识别具有重要意义。
本发明的另一个目的在于提出一种微波光子大范围自动对焦雷达成像方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种微波光子大范围自动对焦雷达成像***，包括：可重构微波光子雷达发射机、发射机射频前端、发射天线、接收天线、接收机射频前端、可重构微波光子雷达接收机、微波源以及控制和处理模块；
所述微波源与所述可重构微波光子雷达发射机和所述可重构微波光子雷达接收机连接，用于生成本振信号，并发送至所述可重构微波光子雷达发射机和所述可重构微波光子雷达接收机；
所述可重构微波光子雷达发射机与所述发射机射频前端和所述可重构微波光子雷达接收机连接，用于生成发射信号和参考信号，将所述发射信号发送至所述发射机射频前端，将所述参考信号发送至所述可重构微波光子雷达接收机；
所述发射机射频前端与所述发射天线连接，用于对所述发射信号进行放大，并发送到所述发射天线；
所述发射天线用于将放大后的发射信号辐射到空中；
所述接收天线与所述接收机射频前端连接，用于接收所述发射信号辐射到目标后的回波信号，并将所述回波信号发送至所述接收机射频前端；
所述接收机射频前端与所述可重构微波光子雷达接收机连接，用于对所述回波信号进行放大，并将放大后的回波信号发送至所述可重构微波光子雷达接收机；
所述可重构微波光子雷达接收机与所述控制和处理模块连接，用于对所述放大后的回波信号和所述本振信号进行下变频处理生成下变频信号和/或对所述放大后的回波信号和所述参考信号进行去斜处理生成去斜信号；
所述控制和处理模块与所述可重构微波光子雷达发射机连接，用于对所述下变频信号和/或所述去斜信号进行数字信号处理得到目标的成像结果，以及生成发射机触发信号，进而控制所述发射信号与所述参考信号间的时延。
本发明实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，利用微波光子可重构发射机和接收机，首先通过匹配滤波处理测量得到目标与雷达间的距离；并根据这一距离，控制发射信号和参考信号的产生时间，使回波信号和参考信号的去斜频率落在去斜接收机带宽内，使目标距离落在去斜接收机的距离窗口内，即实现对目标的自动对焦；通过进一步的数字信号处理，可以获得目标的高分辨像。利用微波光子大范围自动对焦雷达成像***，基于微波光子学方法产生和处理雷达信号，可以充分发挥微波光子宽带、可重构的优势，从而能够获取目标的高分辨像。通过控制信号产生时间调整参考信号的延时，相比当前利用可调光延时模块调整参考信号延时的***，具有更大的延时调节范围，可实现对不同距离目标的大范围自动对焦和高分辨成像，对目标的检测、跟踪、识别具有重要意义。
另外，根据本发明上述实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像***还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在发射端，所述微波源的一个输出端连接所述可重构微波光子雷达发射机的本振信号输入端，所述可重构微波光子雷达发射机的发射信号输出端连接所述发射机射频前端的输入端，所述发射机射频前端的输出端连接所述发射天线的输入端，所述可重构微波光子雷达发射机的参考信号输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端；
在接收端，所述接收天线的输出端连接所述接收机射频前端的输入端，所述接收机射频前端的输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，所述微波源的另一个输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的本振信号输入端，所述可重构微波光子雷达接收机的输出端连接所述控制和处理模块的输入端；
所述控制和处理模块的输出端连接所述可重构微波光子雷达发射机。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可重构微波光子雷达发射机，包括：触发信号产生器、光子数模转换器、光学上变频模块、光开关、两个光电探测器和两个滤波器；
其中，触发信号产生器的一个输出端口连接光子数模转换器，另一个输出端口连接光开关，光子数模转换器的输出端连接光学上变频模块的输入端，光学上变频模块的输出端连接光开关的输入端，光开关的两个输出端分别连接两个光电探测器的输入端，两个光电探测器的输出端分别连接两个滤波器的输入端，一个滤波器的输出端作为发射信号输出端连接所述发射机射频前端的输入端，另一个滤波器的输出端作为参考信号输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可重构微波光子雷达发射机，包括：光子数模转换器、光学上变频模块、光电探测器、滤波器和微波开关；
其中，触发信号产生器的一个输出端口连接光子数模转换器，另一个输出端口连接微波开关，光子数模转换器的输出端连接光学上变频模块的输入端，光学上变频模块的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端连接微波开关的输入端，微波开关的一个输出端作为发射信号输出端连接发射机射频前端的输入端，另一个输出端作为参考信号输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端。
进一步地，在本发明的一个实施例中，光学上变频模块用于对基带信号进行光学上变频，包括微波源和电光强度调制器；
其中，微波源输出端连接所述电光强度调制器的射频输入端，电光强度调制器的光输入端连接光子数模转换器的输出端，所述电光强度调制器的输出端连接光开关或光电探测器的输入端。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可重构微波光子雷达接收机，包括：激光器、光学接收模块、微波开关和模数转换器；
其中，所述激光器的输出端连接所述光学接收模块的输入端，微波开关的一个输入端作为所述可重构微波光子雷达接收机的本振信号输入端连接所述微波源输出的本振信号，另一个输入端作为所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端连接所述可重构微波光子雷达发射机输出的参考信号，微波开关的输出端连接所述光学接收模块的一个射频输入口，所述光学接收模块的另一个射频输入口作为所述可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，连接所述接收机射频前端的输出端，所述光学接收模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述控制和处理模块的输入端。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光学接收模块，包括：双平行调制器、光电探测器和低通滤波器；
其中，所述双平行调制器的输入光口连接所述激光器的输出端，所述双平行调制器的两个射频输入口对应所述光学接收模块的两个射频输入口，所述双平行调制器输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接所述模数转换器的输入端。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种微波光子大范围自动对焦雷达成像方法，包括：
S1，根据窄带雷达信号和本振信号生成射频窄带线性调频波，将所述射频窄带线性调频波辐射到空中；
S2，所述射频窄带线性调频波辐射到目标后生成第一回波信号，根据所述第一回波信号和所述本振信号进行下变频处理，生成回波下变频后的低频窄带信号；
S3，对所述回波下变频后的低频窄带信号进行处理得到目标回波延时；
S4，根据所述目标回波延时生成宽带雷达信号和参考信号，根据所述宽带雷达信号和所述本振信号生成射频宽带线性调频波，将所述射频宽带线性调频波辐射到空中；
S5，所述射频宽带线性调频波辐射到目标后生成第二回波信号，根据所述第二回波信号和所述参考信号进行去斜处理，生成回波去斜后的低频窄带信号；
S6，对所述回波去斜后的低频窄带信号进行处理得到目标的高分辨率成像。
本发明实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法，通过发射射频窄带线性调频波得到第一回波信号，根据第一回波信号和本振信号得到目标与雷达间的距离。根据这一距离，控制发射信号和参考信号产生的时间，通过发射射频宽带线性调频波生成第二回波信号，使回波信号和参考信号的去斜频率落在去斜接收机带宽内，使目标距离落在去斜接收机的距离窗口内，即实现对目标的自动对焦。对去斜处理后的信号进一步处理以实现对目标的高分辨率成像。本方法具有更大的延时调节范围，可实现对不同距离目标的大范围自动对焦和高分辨成像，对目标的检测、跟踪、识别具有重要意义。
另外，根据本发明上述实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S1-S3进一步包括：
获取载有基带窄带线性调频波的光信号作为所述窄带雷达信号，所述基带窄带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000051
其中，Tpn是基带窄带线性调频波的脉冲宽度，Vbn是幅度，f1n是起始频率，kn是啁啾率，t是时间；
对所述窄带雷达信号和所述本振信号进行处理生成射频窄带线性调频波，所述射频窄带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000052
其中，VTn是所述射频窄带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的所述本振信号的频率；
将所述射频窄带线性调频波进行放大并辐射到空中，所述射频窄带线性调频波辐射到目标后生成第一回波信号，所述第一回波信号为：
Figure BDA0002291690220000053
其中，τ是目标回波延时；
对所述第一回波信号进行放大滤波，对放大滤波后的第一回波信号和所述本振信号进行下变频处理，生成回波下变频后的低频窄带信号，所述回波下变频后的低频窄带信号，为：
sdown(t)∝cos[2πf1n(t-τ)+knπ(t-τ)2-2πfLOτ]
对所述回波下变频后的低频窄带信号进行处理，得到所述目标回波延时。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S4-S6进一步包括：
获取载有基带宽带线性调频波的光信号作为所述宽带雷达信号，所述基带宽带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000061
其中，Tpw是基带宽带线性调频波的脉冲宽度，Vbw是幅度，f1w是起始频率，kw是啁啾率，t是时间；
对所述宽带雷达信号和所述本振信号进行处理生成射频宽带线性调频波，所述射频宽带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000062
其中，VTw是所述射频宽带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的所述本振信号的频率；
将所述射频宽带线性调频波进行放大并辐射到空中，根据所述目标回波延时在所述宽带雷达信号之后生成所述参考信号，所述参考信号为：
Figure BDA0002291690220000063
其中，Δτ为参考信号和回波信号之间的延时差；
所述射频宽带线性调频波辐射到目标后生成第二回波信号，所述第二回波信号为：
Figure BDA0002291690220000064
其中，τ是目标回波延时；
对所述第二回波信号进行放大滤波，对放大滤波后的第二回波信号和所述参考信号进行去斜处理，生成回波去斜后的低频窄带信号，所述回波去斜后的低频窄带信号为：
sdechirp(t)＝cos[2kwπΔτt+2π(f1w+fLO)Δτ-kwπΔτ2-2kwπΔτ·τ]
对所述回波去斜后的低频窄带信号进行处理得到目标的高分辨率成像。
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
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：
图1为现有的微波光子雷达***结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像***结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的可重构微波光子雷达发射机结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的可重构微波光子雷达发射机的光学上变频模块示意图；
图5为根据本发明一个实施例的可重构微波光子雷达接收机结构示意图；
图6为根据本发明一个实施例的可重构微波光子雷达接收机的光学接收模块示意图；
图7为根据本发明一个实施例的距离像结果的示意图；
图8为根据本发明一个实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的微波光子大范围自动对焦雷达成像***及方法。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的微波光子大范围自动对焦雷达成像***。
图2为根据本发明一个实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像***结构示意图。
如图2所示，该微波光子大范围自动对焦雷达成像***包括：1个可重构微波光子雷达发射机、1个发射机射频前端、1个发射天线、1个接收天线、1个接收机射频前端、1个可重构微波光子雷达接收机、1个微波源和1个控制和处理模块。
微波源与可重构微波光子雷达发射机和可重构微波光子雷达接收机连接，用于生成本振信号，并发送至可重构微波光子雷达发射机和可重构微波光子雷达接收机；
可重构微波光子雷达发射机与发射机射频前端和可重构微波光子雷达接收机连接，用于生成发射信号和参考信号，将发射信号发送至发射机射频前端，将参考信号发送至可重构微波光子雷达接收机；
发射机射频前端与发射天线连接，用于对发射信号进行放大，并发送到发射天线；
发射天线用于将放大后的发射信号辐射到空中；
接收天线与接收机射频前端连接，用于接收发射信号辐射到目标后的回波信号，并将回波信号发送至接收机射频前端；
接收机射频前端与可重构微波光子雷达接收机连接，用于对回波信号进行放大，并将放大后的回波信号发送至可重构微波光子雷达接收机；
可重构微波光子雷达接收机与控制和处理模块连接，用于对放大后的回波信号和本振信号进行下变频处理生成下变频信号和/或对放大后的回波信号和参考信号进行去斜处理生成去斜信号；
控制和处理模块与可重构微波光子雷达发射机连接，用于对下变频信号和/或去斜信号进行数字信号处理得到目标的成像结果，以及生成发射机触发信号，进而控制发射信号与参考信号间的时延。
在发射端，微波源的输出端连接可重构微波光子雷达发射机的本振信号输入端，可重构微波光子雷达发射机的发射信号输出端连接发射机射频前端的输入端，发射机射频前端的输出端连接发射天线的输入端，可重构微波光子雷达发射机的参考信号输出端连接可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端。
在接收端，接收天线的输出端连接接收机射频前端的输入端，接收机射频前端的输出端连接可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，微波源的输出端连接可重构微波光子雷达接收机的本振信号输入端，可重构微波光子雷达接收机的输出端连接控制和处理模块的输入端。
可以理解的是，微波源用于为可重构微波光子雷达发射机和可重构微波光子雷达接收机提供本振信号，可采用常规器件。
可重构微波光子雷达发射机用于生成发射信号发送至发射机射频前端，生成参考信号发送至可重构微波光子雷达接收机。
发射机射频前端用于对从可重构微波光子雷达发射机接收到的雷达信号进行放大，产生大功率雷达信号并发送至发射天线，可采用常规部件。
发射天线用于将从发射机射频前端接收到的雷达信号辐射到空中，接收天线用于接收发射天线发出的雷达信号辐射到目标后的回波信号，并发送至接收机射频前端，发射天线和接收天线均采用常规部件。
接收机射频前端用于对从接收天线接收到的回波信号进行放大，并发送至可重构微波光子雷达接收机，可采用常规部件。
可重构微波光子雷达接收机利用从微波源接收到的本振信号，或者从可重构微波光子雷达发射机接收到的参考信号，对接收机射频前端接收到的回波信号进行下变频处理或者去斜处理，生成下变频信号或去斜信号并发送至控制和处理模块。
控制和处理模块用于对接收到的下变频或去斜信号进行数字信号处理得到成像结果；还用于产生发射机触发信号，从而控制发射信号和参考信号的产生时间；可采用常规部件。
如图3所示，可重构微波光子雷达发射机可分为两种结构，图3(a)所示的结构包括1个触发信号产生器、1个光子数模转换器、1个光学上变频模块、1个光开关、两个光电探测器和两个滤波器。
触发信号产生器的输出端口1连接光子数模转换器，输出端口2连接光开关，光子数模转换器的输出端连接光学上变频模块的输入端，光学上变频模块的输出端连接光开关的输入端，光开关的两个输出端分别连接两个光电探测器的输入端，两个光电探测器的输出端分别连接两个滤波器的输入端，其中一个滤波器的输出端(发射信号输出端)连接发射机射频前端的输入端，另一个滤波器的输出端(参考信号输出端)连接可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端。型号要求：触发信号产生器具有两个输出通道。光开关采用1×2的光开关，切换速度≤ns量级。光电探测器的带宽要大于最高信号频率。滤波器为带通滤波器，带宽覆盖目标波段。其余部件均采用常规部件。
图3(b)所示的结构包括1个触发信号产生器、1个光子数模转换器、1个光学上变频模块、1个光电探测器、1个滤波器和1个微波开关。
触发信号产生器的输出端口1连接光子数模转换器，输出端口2连接微波开关，光子数模转换器的输出端连接光学上变频模块的输入端，光学上变频模块的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端连接微波开关的输入端，微波开关的一个输出端(发射信号输出端)连接发射机射频前端的输入端，另一个输出端(参考信号输出端)连接可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端。型号要求：触发信号产生器具有两个输出通道。光电探测器的带宽要大于最高信号频率。滤波器为带通滤波器，带宽覆盖目标波段。微波开关采用1×2的微波开关，切换速度≤ns量级。其余部件均采用常规部件。
可重构微波光子雷达发射机中的光学上变频模块用于对基带信号进行光学上变频，其有多种实现结构，其中较为典型的一种结构如图4所示，包括一个微波源和1个电光强度调制器。
微波源输出端连接电光强度调制器的射频输入端，电光强度调制器的光输入端连接光子数模转换器的输出端，电光强度调制器的输出端连接光开关(采用图3(a)所示结构)或光电探测器的输入端(采用图3(b)所示结构)。
可重构微波光子雷达接收机的结构如图5所示，包括1个激光器，1个光学接收模块，1个微波开关，以及1个模数转换器。
激光器的输出端连接光学接收模块的输入端，用于提供光学接收模块所需的光源。微波开关的两个输入端分别连接微波源输出的本振信号、可重构微波光子雷达发射机提供的参考信号，微波开关的输出端连接光学接收模块的射频输入口1，光学接收模块的射频输入口2，也就是可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，连接接收机射频前端的输出端。光学接收模块的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接控制和处理模块的输入端。光学接收模块利用微波源提供的本振信号或可重构微波光子雷达发射机提供的参考信号，对接收机射频前端接收到的回波信号进行下变频或去斜处理，生成下变频信号或去斜信号，经过模数转换器采集，并发送至控制和处理模块。型号要求：微波开关采用1×2的微波开关，切换速度≤ns量级。其余部件均采用常规部件。
可重构微波光子雷达接收机中的光学接收模块如图6所示，包括1个双平行调制器(可采用双驱动调制器)、1个光电探测器和1个低通滤波器。双平行调制器的输入光口连接可重构微波光子雷达接收机中的激光器的输出端，双平行调制器的射频输入口1和射频输入口2对应光学接收模块的射频输入口1和射频输入口2，双平行调制器输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接模数转换器的输入端。
下面介绍上述微波光子大范围自动对焦雷达成像***的工作原理。
首先，微波光子大范围自动对焦雷达成像***工作在“窄带测距”模式，在发射端，可重构微波光子雷达发射机产生窄带雷达信号，在光开关或微波开关的控制下，通过发射信号输出端送入发射机射频前端。
其中，光子数模转换器产生载有基带窄带线性调频波的光信号，基带窄带线性调频波可以表示为：
Figure BDA0002291690220000101
其中，Tpn是基带窄带线性调频波的脉冲宽度，Vbn是幅度，f1n是起始频率，kn是啁啾率，t是时间。
该光信号经过光学上变频模块后，可以产生光载的射频窄带线性调频波，光载的射频窄带线性调频波经过光电探测器拍频后则可产生电域的射频窄带线性调频波，经过滤波器滤波可获得所需的射频窄带线性调频波，射频窄带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000102
其中，VTn是射频窄带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的本振信号的频率。
进一步地，将可重构微波光子雷达发射机产生的射频窄带线性调频波输入到发射机射频前端进行放大，通过发射天线辐射到空中。
射频窄带线性调频波辐射到目标后生成回波信号，在接收端，接收天线接收回波并送至接收机射频前端，接收机射频前端对回波进行放大滤波后发送至可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，并送至光学接收模块的射频输入口2，回波信号记为：
Figure BDA0002291690220000111
其中，τ是目标回波延时。
同时，在可重构微波光子雷达接收机中的微波开关的控制下，微波源提供的本振信号送至光学接收模块的射频输入口1。激光器发出激光送入光学接收模块中的双平行调制器，双平行调制器的输出光信号经过光电探测器和低通滤波器，最后可获得回波下变频后的低频窄带信号，送至数模转换器采集、并送至控制和处理模块处理，记为：
sdown(t)∝cos[2πf1n(t-τ)+knπ(t-τ)2-2πfLOτ]
在控制和处理模块中对该下变频波形匹配滤波处理，可计算得到目标回波延时τ。
控制和处理模块根据目标回波延时产生发射机触发信号，从而控制发射信号和参考信号的产生时间。
接着，***工作在“宽带成像”模式，在发射端，在发射机触发信号的控制下，可重构微波光子雷达发射机首先产生宽带雷达信号，在光开关(使用图3(a)所示结构)或微波开关(使用图3(b)所示结构)的控制下，通过发射信号输出端送入发射机射频前端。
其中，光子数模转换器产生载有基带宽带线性调频波的光信号，基带宽带线性调频波可以表示为：
Figure BDA0002291690220000112
其中，Tpw是基带宽带线性调频波的脉冲宽度，Vbw是幅度，f1w是起始频率，kw是啁啾率，t是时间。
该光信号经过光学上变频模块后，可以产生光载的射频宽带线性调频波，光载的射频宽带线性调频波经过光电探测器拍频后则可产生电域的射频宽带线性调频波，经过滤波器滤波可获得所需的射频宽带线性调频波，记为：
Figure BDA0002291690220000113
其中，VTw是射频宽带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的本振信号的频率。
通过可重构微波光子雷达发射机产生射频宽带线性调频波，将射频宽带线性调频波输入到发射机射频前端进行放大后，通过发射天线辐射到空中。在发射机触发信号的控制下，射频宽带线性调频波产生τ+Δτ时间后，可重构微波光子雷达发射机产生同样的射频宽带线性调频波(参考信号)，在光开关(使用图3(a)所示结构)或微波开关(使用图3(b)所示结构)的控制下，通过参考信号输出端送入可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端，参考信号记为：
Figure BDA0002291690220000121
在接收端，τ时间后，接收天线接收回波并送至接收机射频前端，接收机射频前端对回波进行放大滤波后发送至可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，并送至光学接收模块的射频输入口2，回波信号记为：
Figure BDA0002291690220000122
同时，在可重构微波光子雷达接收机中的微波开关的控制下，可重构微波光子雷达发射机提供的参考信号送至光学接收模块的射频输入口1。激光器发出激光送入光学接收模块中的双平行调制器，双平行调制器的输出光信号经过光电探测器和低通滤波器，最后可获得回波去斜后的低频窄带信号，送至数模转换器采集、并送至控制和处理模块处理，记为：
sdechirp(t)＝cos[2kwπΔτt+2π(f1w+fLO)Δτ-kwπΔτ2-2kwπΔτ·τ]
最后，在控制和处理模块中对该去斜信号的波形进行FFT处理，即可将射频宽带信号转换成频率为kwΔτ的低频窄带信号，通过调整Δτ的大小，可使得去斜后信号的频率落在去斜接收机的带宽内，使目标距离落在去斜接收机的距离窗口内，从而实现对目标的自动对焦。通过后续信号处理，即可获得目标的高分辨像。
可以理解的是，***首先工作在“窄带测距”模式，微波源产生的本振信号送入可重构微波光子雷达发射机的本振信号输入端，可重构微波光子雷达发射机产生窄带信号从发射信号输出端输出，发送至发射机射频前端；发射机射频前端的输出端连接发射天线的输入端。在接收端，接收天线的输出端连接接收机射频前端的输入端，接收机射频前端输出端连接可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，同时微波源产生的本振信号送入可重构微波光子雷达接收机的本振信号输入端；可重构微波光子雷达接收机利用本振信号对接收到的回波信号进行下变频处理，生成下变频信号发送至控制和处理模块；控制和处理模块对接收到的信号进行处理获得目标与雷达***的距离。
然后，***工作在“宽带成像”模式，控制和处理模块根据目标与雷达***的距离，设计发射机触发信号的时序关系，并产生发射机触发信号，送入可重构微波光子雷达发射机。微波源产生的本振信号送入可重构微波光子雷达发射机的本振信号输入端，可重构微波光子雷达发射机在发射机触发信号的控制下，首先产生宽带信号从发射信号输出端输出，发送至发射机射频前端；发射机射频前端的输出端连接发射天线的输入端，通过天线发射出去。一段时间后，可重构微波光子雷达发射机产生宽带信号从参考信号输出端输出，送入可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端，与接收到的回波信号进行去斜处理，生成去斜信号发送至控制和处理模块；控制和处理模块对接收到的信号进行处理获得目标的高分辨像。
在“宽带成像”模式下，根据“窄带测距”模式测到的目标距离设计发射机触发信号的时序关系，可以控制发射信号和参考信号的产生时间，从而使回波信号和参考信号去斜得到的信号频率落在可重构微波光子雷达接收机的带宽范围内，使目标距离落在去斜接收机的距离窗口内，实现对目标的自动对焦。能够大范围地调整参考信号的产生时间，很容易实现对不同距离目标的大范围自动对焦和高分辨成像。
通过一个具体实施例对本发明实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像***进行详细说明。
其中，可重构微波光子雷达发射机采用的如图3(a)所示的结构，可重构微波光子雷达接收机采用的是如图5所示的结构，其中的调制器采用的是双平行调制器，调制器的三个偏置点分别设置在最小点、最小点和最大点。
金属板作为探测目标，为了模拟目标距离雷达的不同距离，金属板固定放置在距离天线1m的位置，在可重构微波光子雷达发射机的光开关的上路输出口分别增加长度1km，5km和10km的光纤。
以光纤长度1km为例，在窄带测距阶段，光子数模转换器产生带宽50MHz(0-0.05GHz)的基带线性调频波，微波源提供频率18GHz的本振信号，将基带线性调频波上变频至18-18.05GHz，并发射出去对金属板进行探测。距离测量结果如图7(a)所示，可看到目标回波延时为5.27us，目标的等效距离为790m。
之后，***工作在宽带成像阶段，光子数模转换器产生带宽8GHz(0-8GHz)的基带线性调频波，脉冲宽度4us，脉冲重复周期10us，微波源提供18GHz的本振信号，将基带线性调频波上变频至18-26GHz。在发射机触发脉冲的控制下，首先产生宽带线性调频波作为发射信号通过发射天线发射，5.28us之后产生宽带线性调频波作为参考信号送入可重构微波光子雷达接收机中，与5.27us后回到接收机中的回波信号进行去斜，得到去斜后的信号，对去斜后的信号FFT处理，结果如图7(b)所示。3dB主瓣宽度为1.7cm，峰值旁瓣比13.34dB，接近理论值，结果也表明***的测距分辨率为1.7cm。
此外，当光纤长度为10km时，“窄带测距”阶段得到目标的等效距离为8.11km，“宽带成像”阶段得到的去斜信号FFT的结果如图7(c)所示，3dB主瓣宽度也为1.7cm，得到了目标的高分辨像。结果表明，本发明提出的***对于不同距离的目标，均能实现自动对焦和高分辨成像。
根据本发明实施例提出的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，利用微波光子可重构发射机和接收机，首先通过匹配滤波处理测量得到目标与雷达间的距离；并根据这一距离，控制发射信号和参考信号的产生时间，使回波信号和参考信号的去斜频率落在去斜接收机带宽内，使目标距离落在去斜接收机的距离窗口内，即实现对目标的自动对焦；通过进一步的数字信号处理，可以获得目标的高分辨像。利用微波光子大范围自动对焦雷达成像***，基于微波光子学方法产生和处理雷达信号，可以充分发挥微波光子宽带、可重构的优势，从而能够获取目标的高分辨像。通过控制信号产生时间调整参考信号的延时，相比当前利用可调光延时模块调整参考信号延时的***，具有更大的延时调节范围，可实现对不同距离目标的大范围自动对焦和高分辨成像，对目标的检测、跟踪、识别具有重要意义。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法。
图8为根据本发明一个实施例的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法流程图。
如图8所示，该微波光子大范围自动对焦雷达成像方法包括以下步骤：
S1，根据窄带雷达信号和本振信号生成射频窄带线性调频波，将射频窄带线性调频波辐射到空中；
S2，射频窄带线性调频波辐射到目标后生成第一回波信号，根据第一回波信号和本振信号进行下变频处理，生成回波下变频后的低频窄带信号；
S3，对回波下变频后的低频窄带信号进行处理得到目标回波延时；
S4，根据目标回波延时生成宽带雷达信号和参考信号，根据宽带雷达信号和本振信号生成射频宽带线性调频波，将射频宽带线性调频波辐射到空中；
S5，射频宽带线性调频波辐射到目标后生成第二回波信号，根据第二回波信号和参考信号进行去斜处理，生成回波去斜后的低频窄带信号；
S6，对回波去斜后的低频窄带信号进行处理得到目标的高分辨率成像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，S1-S3进一步包括：
获取载有基带窄带线性调频波的光信号作为窄带雷达信号，基带窄带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000141
其中，Tpn是基带窄带线性调频波的脉冲宽度，Vbn是幅度，f1n是起始频率，kn是啁啾率，t是时间；
对窄带雷达信号和本振信号进行处理生成射频窄带线性调频波，射频窄带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000151
其中，VTn是射频窄带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的本振信号的频率；
将射频窄带线性调频波进行放大并辐射到空中，射频窄带线性调频波辐射到目标后生成第一回波信号，第一回波信号为：
Figure BDA0002291690220000152
其中，τ是目标回波延时；
对第一回波信号进行放大滤波，对放大滤波后的第一回波信号和本振信号进行下变频处理，生成回波下变频后的低频窄带信号，回波下变频后的低频窄带信号，为：
sdown(t)∝cos[2πf1n(t-τ)+knπ(t-τ)2-2πfLOτ]
对回波下变频后的低频窄带信号进行处理，得到目标回波延时。
进一步地，在本发明的一个实施例中，S4-S6进一步包括：
获取载有基带宽带线性调频波的光信号作为宽带雷达信号，基带宽带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000153
其中，Tpw是基带宽带线性调频波的脉冲宽度，Vbw是幅度，f1w是起始频率，kw是啁啾率，t是时间；
对宽带雷达信号和本振信号进行处理生成射频宽带线性调频波，射频宽带线性调频波为：
Figure BDA0002291690220000154
其中，VTw是射频宽带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的本振信号的频率；
将射频宽带线性调频波进行放大并辐射到空中，根据目标回波延时在宽带雷达信号之后生成参考信号，参考信号为：
Figure BDA0002291690220000155
其中，Δτ为参考信号和回波信号之间的延时差；
射频宽带线性调频波辐射到目标后生成第二回波信号，第二回波信号为：
Figure BDA0002291690220000156
其中，τ是目标回波延时；
对第二回波信号进行放大滤波，对放大滤波后的第二回波信号和参考信号进行去斜处理，生成回波去斜后的低频窄带信号，回波去斜后的低频窄带信号为：
sdechirp(t)＝cos[2kwπΔτt+2π(f1w+fLO)Δτ-kwπΔτ2-2kwπΔτ·τ]
对回波去斜后的低频窄带信号进行处理得到目标的高分辨率成像。
需要说明的是，前述对微波光子大范围自动对焦雷达成像***实施例的解释说明也适用于该实施例的方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法，通过发射射频窄带线性调频波得到第一回波信号，根据第一回波信号和本振信号得到目标与雷达间的距离。根据这一距离，控制发射信号和参考信号产生的时间，通过发射射频宽带线性调频波生成第二回波信号，使回波信号和参考信号的去斜频率落在去斜接收机带宽内，使目标距离落在去斜接收机的距离窗口内，即实现对目标的自动对焦。对去斜处理后的信号进一步处理以实现对目标的高分辨率成像。本方法具有更大的延时调节范围，可实现对不同距离目标的大范围自动对焦和高分辨成像，对目标的检测、跟踪、识别具有重要意义。
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。
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。
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。

Claims (10)

1.一种微波光子大范围自动对焦雷达成像***，其特征在于，包括：
可重构微波光子雷达发射机、发射机射频前端、发射天线、接收天线、接收机射频前端、可重构微波光子雷达接收机、微波源以及控制和处理模块；
所述微波源与所述可重构微波光子雷达发射机和所述可重构微波光子雷达接收机连接，用于生成本振信号，并发送至所述可重构微波光子雷达发射机和所述可重构微波光子雷达接收机；
所述可重构微波光子雷达发射机与所述发射机射频前端和所述可重构微波光子雷达接收机连接，用于生成发射信号和参考信号，将所述发射信号发送至所述发射机射频前端，将所述参考信号发送至所述可重构微波光子雷达接收机；
所述发射机射频前端与所述发射天线连接，用于对所述发射信号进行放大，并发送到所述发射天线；
所述发射天线用于将放大后的发射信号辐射到空中；
所述接收天线与所述接收机射频前端连接，用于接收所述发射信号辐射到目标后的回波信号，并将所述回波信号发送至所述接收机射频前端；
所述接收机射频前端与所述可重构微波光子雷达接收机连接，用于对所述回波信号进行放大，并将放大后的回波信号发送至所述可重构微波光子雷达接收机；
所述可重构微波光子雷达接收机与所述控制和处理模块连接，用于对所述放大后的回波信号和所述本振信号进行下变频处理生成下变频信号和/或对所述放大后的回波信号和所述参考信号进行去斜处理生成去斜信号；
所述控制和处理模块与所述可重构微波光子雷达发射机连接，用于对所述下变频信号和/或所述去斜信号进行数字信号处理得到目标的成像结果，以及生成发射机触发信号，进而控制所述发射信号与所述参考信号间的时延。
2.根据权利要求1所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，其特征在于，
在发射端，所述微波源的一个输出端连接所述可重构微波光子雷达发射机的本振信号输入端，所述可重构微波光子雷达发射机的发射信号输出端连接所述发射机射频前端的输入端，所述发射机射频前端的输出端连接所述发射天线的输入端，所述可重构微波光子雷达发射机的参考信号输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端；
在接收端，所述接收天线的输出端连接所述接收机射频前端的输入端，所述接收机射频前端的输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，所述微波源的另一个输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的本振信号输入端，所述可重构微波光子雷达接收机的输出端连接所述控制和处理模块的输入端；
所述控制和处理模块的输出端连接所述可重构微波光子雷达发射机。
3.根据权利要求1所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，其特征在于，所述可重构微波光子雷达发射机，包括：触发信号产生器、光子数模转换器、光学上变频模块、光开关、两个光电探测器和两个滤波器；
其中，触发信号产生器的一个输出端口连接光子数模转换器，另一个输出端口连接光开关，光子数模转换器的输出端连接光学上变频模块的输入端，光学上变频模块的输出端连接光开关的输入端，光开关的两个输出端分别连接两个光电探测器的输入端，两个光电探测器的输出端分别连接两个滤波器的输入端，一个滤波器的输出端作为发射信号输出端连接所述发射机射频前端的输入端，另一个滤波器的输出端作为参考信号输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端。
4.根据权利要求1所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，其特征在于，所述可重构微波光子雷达发射机，包括：光子数模转换器、光学上变频模块、光电探测器、滤波器和微波开关；
其中，触发信号产生器的一个输出端口连接光子数模转换器，另一个输出端口连接微波开关，光子数模转换器的输出端连接光学上变频模块的输入端，光学上变频模块的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端连接微波开关的输入端，微波开关的一个输出端作为发射信号输出端连接发射机射频前端的输入端，另一个输出端作为参考信号输出端连接所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端。
5.根据权利要求3或4所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，其特征在于，光学上变频模块用于对基带信号进行光学上变频，包括微波源和电光强度调制器；
其中，微波源输出端连接所述电光强度调制器的射频输入端，电光强度调制器的光输入端连接光子数模转换器的输出端，所述电光强度调制器的输出端连接光开关或光电探测器的输入端。
6.根据权利要求1所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，其特征在于，所述可重构微波光子雷达接收机，包括：激光器、光学接收模块、微波开关和模数转换器；
其中，所述激光器的输出端连接所述光学接收模块的输入端，微波开关的一个输入端作为所述可重构微波光子雷达接收机的本振信号输入端连接所述微波源输出的本振信号，另一个输入端作为所述可重构微波光子雷达接收机的参考信号输入端连接所述可重构微波光子雷达发射机输出的参考信号，微波开关的输出端连接所述光学接收模块的一个射频输入口，所述光学接收模块的另一个射频输入口作为所述可重构微波光子雷达接收机的接收信号输入端，连接所述接收机射频前端的输出端，所述光学接收模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述控制和处理模块的输入端。
7.根据权利要求6所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像***，其特征在于，所述光学接收模块，包括：双平行调制器、光电探测器和低通滤波器；
其中，所述双平行调制器的输入光口连接所述激光器的输出端，所述双平行调制器的两个射频输入口对应所述光学接收模块的两个射频输入口，所述双平行调制器输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接所述模数转换器的输入端。
8.一种微波光子大范围自动对焦雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据窄带雷达信号和本振信号生成射频窄带线性调频波，将所述射频窄带线性调频波辐射到空中；
S2，所述射频窄带线性调频波辐射到目标后生成第一回波信号，根据所述第一回波信号和所述本振信号进行下变频处理，生成回波下变频后的低频窄带信号；
S3，对所述回波下变频后的低频窄带信号进行处理得到目标回波延时；
S4，根据所述目标回波延时生成宽带雷达信号和参考信号，根据所述宽带雷达信号和所述本振信号生成射频宽带线性调频波，将所述射频宽带线性调频波辐射到空中；
S5，所述射频宽带线性调频波辐射到目标后生成第二回波信号，根据所述第二回波信号和所述参考信号进行去斜处理，生成回波去斜后的低频窄带信号；
S6，对所述回波去斜后的低频窄带信号进行处理得到目标的高分辨率成像。
9.根据权利要求8所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法，其特征在于，所述S1-S3进一步包括：
获取载有基带窄带线性调频波的光信号作为所述窄带雷达信号，所述基带窄带线性调频波为：
Figure FDA0002291690210000031
其中，Tpn是基带窄带线性调频波的脉冲宽度，Vbn是幅度，f1n是起始频率，kn是啁啾率，t是时间；
对所述窄带雷达信号和所述本振信号进行处理生成射频窄带线性调频波，所述射频窄带线性调频波为：
Figure FDA0002291690210000032
其中，VTn是所述射频窄带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的所述本振信号的频率；
将所述射频窄带线性调频波进行放大并辐射到空中，所述射频窄带线性调频波辐射到目标后生成第一回波信号，所述第一回波信号为：
Figure FDA0002291690210000041
其中，τ是目标回波延时；
对所述第一回波信号进行放大滤波，对放大滤波后的第一回波信号和所述本振信号进行下变频处理，生成回波下变频后的低频窄带信号，所述回波下变频后的低频窄带信号，为：
sdown(t)∝cos[2πf1n(t-τ)+knπ(t-τ)2-2πfLOτ]
对所述回波下变频后的低频窄带信号进行处理，得到所述目标回波延时。
10.根据权利要求8所述的微波光子大范围自动对焦雷达成像方法，其特征在于，所述S4-S6进一步包括：
获取载有基带宽带线性调频波的光信号作为所述宽带雷达信号，所述基带宽带线性调频波为：
Figure FDA0002291690210000042
其中，Tpw是基带宽带线性调频波的脉冲宽度，Vbw是幅度，f1w是起始频率，kw是啁啾率，t是时间；
对所述宽带雷达信号和所述本振信号进行处理生成射频宽带线性调频波，所述射频宽带线性调频波为：
Figure FDA0002291690210000043
其中，VTw是所述射频宽带线性调频波的幅度，fLO是微波源提供的所述本振信号的频率；
将所述射频宽带线性调频波进行放大并辐射到空中，根据所述目标回波延时在所述宽带雷达信号之后生成所述参考信号，所述参考信号为：
Figure FDA0002291690210000044
其中，Δτ为参考信号与目标回波信号的延时差；
所述射频宽带线性调频波辐射到目标后生成第二回波信号，所述第二回波信号为：
Figure FDA0002291690210000051
其中，τ是目标回波延时；
对所述第二回波信号进行放大滤波，对放大滤波后的第二回波信号和所述参考信号进行去斜处理，生成回波去斜后的低频窄带信号，所述回波去斜后的低频窄带信号为：
sdechirp(t)＝cos[2kwπΔτt+2π(f1w+fLO)Δτ-kwπΔτ2-2kwπΔτ·τ]
对所述回波去斜后的低频窄带信号进行处理得到目标的高分辨率成像。
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