CN111538028A - 基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法及*** - Google Patents

基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法和***，探测方法为将光频梳信号分为两路，基带线性调频信号和目标回波信号分别对其中一路光频梳信号进行调制获得偏振态正交的发射调制光信号和接收调制光信号，将发射调制光信号和接收调制光信号合为一路偏振复用光信号后分为两路，两路分别检偏后获得发射调制光信号和包含发射调制光信号及接收调制光信号的复合光信号,将复合光信号进行光电转换及低通滤波后，即可得到中频信号，对中频信号进行处理，得到探测目标信息。本发明通过光子采样技术及光子偏振复用技术，实现宽带、频段可调雷达信号产生及接收，雷达***紧凑简单，可一体化集成。

Description

基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法及***
技术领域
本发明涉及一种雷达探测方法，尤其涉及一种采用光子采样的偏振复用技术的微波光子雷达探测方法及***。
背景技术
随着新兴雷达技术的发展以及新型态势感知的迫切需求，雷达朝着高频、宽带、高精度、实时、多功能全频谱探测方向发展。为了覆盖不同频谱空间，这就需要雷达工作波段灵活可调，信号可实时处理分析。受限于目前电子宽带信号产生及处理技术瓶颈限制，在微波域直接实现信号的产生、采样、处理等功能时，频率及带宽都较低，而混频链路的幅度/相位响应存在非线性效应，且放大匹配链路复杂，限制了雷达向高频宽带发展（参见[S. Kim,N. Myung, " Wideband linear frequency modulated waveform compensation usingsystem predistortion and phase coefficients extraction method," IEEE Microwave 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. Capmany, D. Novak, " Microwavephotonics combines two worlds," Nature photonics, vol. 1, no. 6, pp. 319-330,2007.]与[J. Mckinney, " Photonics illuminates the future of radar," Nature,vol. 507, no. 7492, pp. 310-312, 2014.]）。如基于光子技术的带通采样利用高重频的窄脉冲可实现微波信号的采样，相关技术已在新型雷达接收技术中使用（[P. Ghelfi, F.Laghezza, F. Scotti, D. Onori, A. Bogoni, "Photonics for Radars Operating onMultiple Coherent Bands," Journal of Lightwave Technology, vol. 34, no. 2,pp. 500-507, 2016.]），但目前基于光子带通采样的接收方案中，光脉冲重频较小，限制了可接收信号带宽；且发射与接收模块分立，增加了整个***的复杂度，降低了***的稳定性。此外在对采样过的信号处理时，仍需高速率信号处理器，从而限制了整个***工作的实时性。
而本发明提出了一种新的解决思路，基于单个集成偏振复用电光调制器即可实现发射信号的光子直接采样上变频及接收信号的光子带通采样下变频，并基于光域的去调频技术，最终得到携带目标信息的中频信号，降低了最终需采样及处理的频率及带宽。雷达***不仅紧凑简单，而且工作波段灵活可调，信号可快速实时处理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：克服现有技术不足，基于采样原理，利用偏振复用光频梳信号实现雷达发射信号的采样上变频及接收信号的带通采样下变频，雷达发射信号波段灵活可调，接收信号可实时光子带通采样及去斜。***紧凑简单，大大提高雷达***的工作效率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法，该方法具体为：
将光频梳信号分为两路，基带线性调频信号对其中一路光频梳信号进行调制获得第一发射调制光信号；目标回波信号对另一路光频梳信号进行调制实现光子带通采样，获得接收调制光信号；
通过偏振态控制使接收调制光信号与第一发射调制光信号的偏振态正交；将偏振态正交的第一发射调制光信号和接收调制光信号合为一路偏振复用光信号；将所述偏振复用光信号送入至第二检偏器检偏后在同一偏振态上得到包含第一发射调制光信号与接收调制光信号的复合光信号，复合光信号经光电转换及低通滤波后得到包含目标信息的中频信号，对中频信号采样并处理得到探测目标信息；
其中，所述目标回波信号由第一发射调制光信号或第二发射调制光信号经光电转换及带通滤波得到上变频的雷达发射信号；雷达发射信号经天线辐射至包含目标的空间中，发生反射获得；
所述第二发射调制光信号由所述偏振复用光信号经第一检偏器检偏获得，第一检偏器的偏振轴方向与第一发射调制光信号的偏振态相同。
基于信号采样原理，第一、第二发射调制光信号与接收调制光信号具有相同的频谱分布，且频谱分布中同一区域的调制信号瞬时频率相差一个与目标信息相关的中频信号。
优选地，光频梳信号的频率间隔f LO 和基带线性调频信号频率f LFM 满足f LO > f LFM 。
进一步地，所述第一发射调制光信号或第二发射调制光信号经光电转换及带通滤波得到上变频的雷达发射信号的频率为Nf LO + f LFM ，其中，N为正整数，通过改变N改变雷达的工作波段。
进一步地，所述目标回波信号对另一路光频梳信号进行调制，实现光子带通采样的具体方法为：将频率为Nf LO + f LFM 的目标回波信号对频率间隔为f LO 的光频梳信号进行调制，基于带通采样原理，目标回波信号的频率nf LO + f LFM 搬移到f LFM ；所述光频梳信号的时域表现形式为周期性光脉冲。
进一步地，所述光频梳信号可由锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器、光孤子技术或单频信号外调制电光调制器等产生。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测***，包括：
光频梳产生模块，用于生成两路频率间隔为f LO 的光频梳信号；
基带调制信号产生模块，用于产生调制光频梳信号的基带线性调频信号；
偏振复用电光调制器，用于：
将基带线性调频信号和目标回波信号分别对光频梳信号进行调制获得第一发射调制光信号和接收调制光信号；
通过偏振态控制使接收调制光信号与第一发射调制光信号的偏振态正交；
将偏振态正交的第一发射调制光信号和接收调制光信号合为一路偏振复用光信号；
光放大器，用于对所述偏振复用光信号进行光域放大；
光耦合器，用于将放大的偏振复用光信号分成两路，分别送入第一检偏器和第二检偏器；
第一检偏器，用于对偏振复用光信号进行检偏，得到第二发射调制光信号，第一检偏器的偏振轴方向与第一发射调制光信号的偏振态相同；
高频光电探测器，用于将第一检偏器输出的第二发射调制光信号转换为电信号；
带通滤波器，用于从电信号滤出所需频段的雷达发射信号；
收/发天线单元，用于发射雷达发射信号，接收目标反射的目标回波信号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；
第二检偏器，用于对偏振复用光信号进行检偏，在同一偏振态上得到包含发射调制光信号及接收调制光信号的复合光信号；
低频光电探测器，用于对第二检偏器输出的复合光信号进行光电转换，得到携带目标信息的中频信号；
低通滤波器，用于滤除中频信号中的其它杂散信号；
信号采集与处理模块，用于对滤除其它杂散信号的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。
进一步地，所述光频梳产生模块可为锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器或单频信号外调制电光调制器等。
进一步地，光频梳信号的频率间隔f LO 和基带线性调频信号频率f LFM 满足f LO > f LFM 。
进一步地，通过改变带通滤波器的通带频率改变雷达的工作波段。
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-曾德尔调制器或偏振复用相位调制器等。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1）本发明信号产生部分，基于光频梳实现基带调制信号的上变频，通过调节带通滤波器的通带频率可灵活改变雷达发射信号的工作频段。
2）本发明信号接收部分，基于同一光频梳（时域信号表现为光脉冲）实现高频雷达回波信号的光子带通采样，保证了雷达收/发信号的相干性；同时基于发射调制光信号与接收调制光信号的光域融合，可实现宽带线性调频信号的去调频处理。
3）本发明基于单个偏振复用集成调制器即可实现基带信号的上变频及接收信号的带通采样，通过偏振态控制，即可实现不同光信号的灵活提取；且接收调制光信号与发射调制光信号具有相同的传输路径，避免了路径差导致的去调频中频信号幅度、相位、频率不稳定抖动。
附图说明
图1为本发明微波光子雷达***原理示意图；
图2为本发明微波光子雷达***一个具体实施例的结构示意图；
图3为图2所示微波光子雷达***中对应节点处产生的信号频谱示意图，其中：
图3A为图2中A对应节点处产生的光频梳信号频谱示意图，图3B为图2中B对应节点处产生的第一、第二发射调制光信号频谱示意图，图3C为图2中C对应节点处产生的上变频线性调频信号频谱示意图，图3D为图2中D对应节点处产生的偏振态旋转后的接收调制光信号频谱示意图，图3E为图2中E对应节点处产生的偏振态正交的第一发射调制光信号与接收调制光信号频谱示意图，图3F为图2中F对应节点处产生的复合光信号频谱示意图。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的思路是基于光子采样上变频技术产生高频段、可调谐的线性调频雷达发射信号，通过光子带通采样下变频及去斜方法实现宽带回波信号接收，利用偏振复用技术，在单个集成模块上同时实现上述功能，***结构简单紧凑，雷达工作参数灵活可调，信号处理实时高效。
本发明的一种基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测***，如图1所示，包括光频梳产生模块、基带调制信号产生模块、偏振复用电光调制器、第一检偏器、第二检偏器等。
光频梳产生模块产生频率间隔为f LO 的光频梳信号，该光频梳信号在偏振复用电光调制器输入端分为两路；其中一路光频梳信号被基带线性调频信号f LFM 调制，得到第一发射调制光信号，目标回波信号对另一路光频梳信号同样进行调制，实现光子带通采样，对其进行偏振偏转后得到偏振态与第一发射调制光信号偏振态正交的接收调制光信号，接收调制光信号与第一发射调制光信号合为一路偏振复用光信号后分为两路；一路经第一检偏器检偏后即可得到第二发射调制光信号，其中，第一检偏器的偏振轴方向与第一发射调制光信号的偏振态相同，则该第二调制光信号经光电转换及带通滤波即可得到频率为Nf LO + f LFM 的上变频雷达发射信号；雷达发射信号经天线辐射到包含目标的空间中发生反射得到所述目标回波信号；另一路经第二检偏器检偏后在同一偏振态上得到包含第一发射调制光信号与接收调制光信号的复合光信号，将复合光信号进行光电转换及低通滤波，得到包含目标信息的中频信号，对中频信号采样并处理得到探测目标信息。
另外，也可以直接从第一发射调制光信号分出一路经光电转换及带通滤波即可得到频率为Nf LO + f LFM 的上变频的雷达发射信号；雷达发射信号经天线辐射到包含目标的空间中发生反射从而得到所述目标回波信号。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
如图2所示，本实施例的微波光子雷达探测***包括：1个光频梳产生模块、1个基带调制信号、1个偏振复用电光调制器、1个光放大器(EDFA)、1个光耦合器、2个检偏器即第一检偏器和第二检偏器、1个低频光电探测器(LFPD)、1个高频光电探测器(HFPD)、1个低通滤波器(LPF)、1个带通滤波器(BPF)、1个电功率放大器（EA）、1个低噪声放大器（LNA）、1个发射天线（Ta）、1个接收天线（Ra）、1个信号采集与处理模块。其中，将第一检偏器产生的第二发射调制光信号作为高频光电探测器的输入经光电转换及带通滤波获得上变频的雷达发射信号。
需要说明的是，所述光频梳产生模块可采用各种现有技术，优选地，本实施例选择单频信号外调制相位调制器方案，所述光频梳产生模块由单频本振、相位调制器及激光器组成。单频本振信号f LO 通过相位调制器调制载频为f C 的连续波光信号即可得到频率间隔为f LO 的光频梳信号，如图3A所示。光频梳信号的频谱f Comb 可以表达为：
f Comb = f C ± nf LO (1)
其中n为正整数。此光频梳信号送入偏振复用电光调制器，需要说明的是，偏振复用电光调制器可以使用集成化的偏振复用马赫-曾德尔调制器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器、偏振复用相位调制器等，优选地，本实施例选择偏振复用马赫-曾德尔调制器。
在偏振复用马赫-曾德尔调制器输入端，光频梳信号分为两路，并分别送入两个子马赫-曾德尔调制器输入端。送入第一马赫-曾德尔调制器（MZM1）的光频梳信号被线性调频基带调制信号调制，分别以光频梳的每根频梳信号为载波，生成正负一阶调制边带，得到第一发射调制光信号，如图3B所示。设线性调频基带调制信号的瞬时频率f LFM (t)为：
f LFM (t) = f 0 + kt (0≤ t ≤T) (2)
其中f 0为线性调频基带信号的起始频率，t为时间，T为其周期，k为其调频斜率。此时第一发射调制光信号瞬时频率f Comb_M (t)可以表示为：
f Comb_M (t) = f C ±[nf LO ±(f 0 + kt)] (0≤ t ≤T) (3)
同样地，第一检偏器产生的第二发射调制光信号与第一发射调制光信号本质上相同，第二发射调制光信号的瞬时频率也如式（3）所示。将第二发射调制光信号送入高频光电探测器完成光电装换后，通过带通滤波器即可滤出设定工作波段的上变频线性调频信号，如图3C所示，该信号频率f LFM_T (t)可表示为：
f Comb_T (t) = Nf LO + f 0 + kt (0≤ t ≤T) (4)
其中通过改变带通滤波器的通带频率即改变N的大小可改变信号频段，将上变频后的线性调频信号经电功率放大器放大后送入发射天线，信号经发射天线辐射到空间中，遇到探测目标后产生目标回波信号，目标回波信号经接收天线接收并送入低噪声放大器中进行放大，得到雷达接收信号，当目标为单点目标时，接收信号的频率f LFM_R (t)可表示为：
f LFM_R (t) = Nf LO + f 0 + k(t -τ) (0≤ t ≤T) (5)
其中τ为接收信号相对发射信号的延时。用雷达接收信号调制送入第二马赫-曾德尔调制器（MZM2）的光频梳信号，同样以光频梳的每根频梳为载波，生成正负一阶调制边带，得到接收调制光信号，此过程即光域的接收信号带通采样，接收调制光信号其频率f Comb_MR (t)可以表示为：
f Comb_MR (t) = f C ±[nf LO ±( f 0 + k(t -τ))] (0≤ t ≤T) (6)
其与第一、第二发射调制光信号具有相同的频谱分布。将接收调制光信号通过90度偏振旋转器改变偏振态后光谱如图3D所示。将接收调制光信号与第一发射调制光信号通过偏振复用马赫-曾德尔调制器输出端的偏振合束器（PBC）合为一路偏振复用光信号，偏振复用光信号包含偏振态正交的第一发射调制光信号与接收调制光信号，如图3E所示。将偏振复用光信号送入掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，通过光耦合器分为两路，一路送入第一检偏器，调节检偏器偏振态使其偏振轴与第一发射调制光信号的偏振态相同，则第一检偏器输出信号仅包含第一发射调制光信号，如图3B所示，与马赫-曾德尔调制器1输出信号光谱相同，此信号即为上述送入高频光电探测器的第二发射调制光信号。将光耦合器的另一路输出信号送入第二检偏器，调节检偏器偏振态使其偏振轴与第一发射调制光信号的偏振态相差45度，此时检偏器偏振态与接收调制光信号的偏振态也相差45度。则第二检偏器输出包含第一发射调制光信号与接收调制光信号的复合光信号，复合光信号中两个调制光信号具有相同的偏振态，如图3F所示。将第二检偏器的输出光信号送入低频光电探测器和低通滤波器完成光电转换及低通滤波后，即可得到去调频后的中频电信kτ，将该中频信号模数转换后，基于雷达信号处理算法即可得到目标距离、速度、散射特性等信息。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法，其特征在于，该方法具体为：
将光频梳信号分为两路，基带线性调频信号对其中一路光频梳信号进行调制获得第一发射调制光信号；目标回波信号对另一路光频梳信号进行调制实现光子带通采样，获得接收调制光信号；
通过偏振态控制使接收调制光信号与第一发射调制光信号的偏振态正交；将偏振态正交的第一发射调制光信号和接收调制光信号合为一路偏振复用光信号；将所述偏振复用光信号送入至第二检偏器检偏后在同一偏振态上得到包含第一发射调制光信号与接收调制光信号的复合光信号，复合光信号经光电转换及低通滤波后得到包含目标信息的中频信号，对中频信号采样并处理得到探测目标信息；
其中，所述目标回波信号由第一发射调制光信号或第二发射调制光信号经光电转换及带通滤波得到上变频的雷达发射信号；雷达发射信号经天线辐射至包含目标的空间中，发生反射获得；
所述第二发射调制光信号由所述偏振复用光信号经第一检偏器检偏获得，第一检偏器的偏振轴方向与第一发射调制光信号的偏振态相同。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光频梳信号的频率间隔f LO 和基带线性调频信号频率f LFM 满足f LO > f LFM 。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一发射调制光信号或第二发射调制光信号经光电转换及带通滤波得到上变频的雷达发射信号的频率为Nf LO + f LFM ，其中，N为正整数，通过改变N改变雷达的工作波段。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标回波信号对另一路光频梳信号进行调制实现光子带通采样的具体方法为：将频率为Nf LO + f LFM 的目标回波信号对频率间隔为f LO 的光频梳信号进行调制，基于带通采样原理，目标回波信号的频率nf LO + f LFM 搬移到f LFM ；所述光频梳信号的时域表现形式为周期性光脉冲。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光频梳信号由锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器、光孤子技术或单频信号外调制电光调制器产生。
6.一种基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测***，其特征在于，包括：
光频梳产生模块，用于生成两路频率间隔为f LO 的光频梳信号；
基带调制信号产生模块，用于产生调制光频梳信号的基带线性调频信号；
偏振复用电光调制器，用于：
将基带线性调频信号和目标回波信号分别对光频梳信号进行调制获得第一发射调制光信号和接收调制光信号；
通过偏振态控制使接收调制光信号与第一发射调制光信号的偏振态正交；
将偏振态正交的第一发射调制光信号和接收调制光信号合为一路偏振复用光信号；
光放大器，用于对所述偏振复用光信号进行光域放大；
光耦合器，用于将放大的偏振复用光信号分成两路，分别送入第一检偏器和第二检偏器；
第一检偏器，用于对偏振复用光信号进行检偏，得到第二发射调制光信号，第一检偏器的偏振轴方向与第一发射调制光信号的偏振态相同；
高频光电探测器，用于将第一检偏器输出的第二发射调制光信号转换为电信号；
带通滤波器，用于从电信号滤出所需频段的雷达发射信号；
收/发天线单元，用于发射雷达发射信号，接收目标反射的目标回波信号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；
第二检偏器，用于对偏振复用光信号进行检偏，在同一偏振态上得到包含发射调制光信号及接收调制光信号的复合光信号；
低频光电探测器，用于对第二检偏器输出的复合光信号进行光电转换，得到携带目标信息的中频信号；
低通滤波器，用于滤除中频信号中的其它杂散信号；
信号采集与处理模块，用于对滤除其它杂散信号的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。
7.如权利要求6所述基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测***，其特征在于，所述光频梳产生模块包括锁模激光器、飞秒激光器、光频梳产生器或单频信号外调制电光调制器。
8.如权利要求6所述基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测***，其特征在于，光频梳信号的频率间隔f LO 和基带线性调频信号频率f LFM 满足f LO > f LFM 。
9.如权利要求6所述基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测***，其特征在于，通过改变带通滤波器的通带频率改变雷达的工作波段。
10.如权利要求6所述基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测***，其特征在于，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-曾德尔调制器或偏振复用相位调制器。
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