CN112782671B - 基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置 - Google Patents

Abstract

一种基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，包括光信号产生模块、微波信号产生和发射模块、微波放大模块、微波输入模块、互相关实时接收电光模块以及数字信号处理模块。本发明在光子领域对微波信号进行处理，具有高带宽、低噪声的优点，可以处理高频段大带宽的微波信号。可广泛用于超宽带雷达、数字通信以及电子对抗等信息技术领域。

Description

基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置

技术领域

本发明涉及宽带雷达，具体是一种基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置。

背景技术

利用电磁波对目标进行探测并接收回波进行处理的设备，雷达在通信、交通和国防等领域发挥着不可替代的作用。自1935年初次投入使用后，雷达在近几十年飞速发展，功能越来越丰富，从前期的测距、定位以及测速功能，到搜索、识别、跟踪、成像，现代雷达***已经具备了多功能、多频段和数字化的发展趋势，但同时也对雷达的性能提出了宽带化、小型化和可重构的更高要求。

基于微波、半导体和数字集成电路技术的雷达受限于微波设计工艺的渡越时间、电磁串扰和时间抖动等电子瓶颈，要使雷达***在性能方面得到提升，需要利用高性能的直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)、数字模拟转换器(Digital toAnalog Converter,DAC)和模拟数字转换器(Analog to Digital Converter,ADC)，发射机和接收机的信号源需要利用高性能本振源进行多次频率变换的过程，严重限制了雷达***的工作带宽(～MHz)和工作频段(～GHz)。随着微波光子技术和光器件的发展，微波光子学可以利用光器件频率、带宽和电磁屏蔽等性能，产生高频段、大带宽的微波信号，并对其进行调制、解调等处理。而且光器件具有体积小、重量轻、损耗小的特性。因此，微波光子雷达可以产生高频段、大宽带、多波段、长时间的发射信号，能够显著提升雷达对于目标的探测能力，不断突破传统的电子雷达的瓶颈，而且具有小型化和可重构的特性。

目前微波光子雷达***对于接收到的宽带信号进行脉冲压缩的方式主要是匹配滤波和去斜处理两种方式。基于匹配滤波方式的微波光子雷达不需要预先知道待测目标的位置，可以对全部的回波进行成像处理，适用于目标检测，但是无法降低回波信号的采样率，所以对ADC等器件的水平和信号处理有较高要求。基于去斜处理的微波光子雷达接收机利用本振信号对回波信号进行下变频操作，通过ADC将信号采样为数字信号后，在数字域进行复杂的离散傅里叶变换，通过频域信息得到目标的距离像信息。当回波信号带宽较大，去斜处理的方式可以大大降低信号的采样频率，降低ADC采样的难度，减小数字信号处理的复杂度。但是去斜处理的脉冲压缩需要已知目标的中心位置，只能对目标中心位置左右一定范围内的目标进行成像处理，若范围过大，就会导致边缘位置的脉冲压缩性能降低。

作为探测高空高速移动目标的设备，雷达必须能够实时接收处理回波信号，才能精确的探测目标，得到目标的有效位置，进而迅速作出决策。微波光子雷达具有高频段、大带宽等诸多优点，如果能够对接收到的长时间信号进行实时匹配滤波，既可以提高雷达探测目标的实时性，也降低了信号带宽，减小了后端数字信号处理模块的采样率要求，而且在数字域进行复杂的离散傅里叶变换，将匹配滤波与去斜处理的优点有效结合起来，对雷达***的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有雷达***架构的不足，提出一种基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，该装置利用光延时线的延时特性对接收到的回波信号进行扫延时操作，实现实时探测接收，利用调制器的乘法特性对接收到的微波信号进行实时的模拟域乘法运算，然后利用光电探测器进行检测，将调制后的光信号转变成微波信号，经过微波低通滤波器后得到低频信号分量，达到降低信号带宽的目的，最后在后端数字信号处理模块对宽带信号进行简单的求和操作，完成实时的信号互相关操作，达到对信号进行脉冲压缩的能力，提高信号的距离分辨率。通过调整器件参数，该接收机可对不同频段、不同时间长度的宽带信号进行实时接收，在不牺牲雷达距离分辨率的前提下，大幅简化雷达接收机的***复杂度和后端数字域的计算复杂度，提高雷达接收机的时效性。

本发明的技术方案如下：

一种基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特点在于包括光信号产生模块、光功分模块、微波信号产生和发射模块、微波接收模块、微波放大模块、互相关实时接收电光模块和数字信号处理模块，所述的互相关实时接收电光模块包括光信号输入模块、可控光延时模块、电光调制模块、微波信号输入模块、接收光探测模块、微波低通滤波模块和微波信号输出模块，所述的光信号产生模块的输出端与所述的光功分模块的输入端相连，所述的光功分模块将光信号分为两路：一路与所述的微波信号产生和发射模块的输入端相连，另一路与所述的光信号输入模块的输入端相连，所述的微波接收模块的输出端与所述的微波放大模块的输入端相连，该微波放大模块的输出端与所述的互相关实时接收电光模块的微波信号输入模块的输入端相连，所述的电光调制模块的光信号输入端与所述的可控光延时模块的输出端相连，所述的微波信号输入模块的输出端与所述的电光调制模块的微波信号输入端相连，所述的电光调制模块的输出端与所述的接收机光探测模块的输入端相连，所述的接收机光探测模块的输出端与所述的微波低通滤波模块的输入端相连，所述的微波低通滤波模块的输出端与所述的微波输出模块的输入端相连，该微波输出模块的输出端与所述的数字信号处理模块的输入端相连。

所述的光信号产生模块包括***光源和光信号生成两个部分。其中***光源用于产生具有宽谱和一定重复频率的窄脉冲作为载波，可采用但不限于锁模激光器锁定至参考信号源、以及多激光器合成等方法实现或光纤、固体以及片上激光器等方式实现；所述的光信号生成部分用于产生特定形式的光信号，可以采用但不限于拍频的方式，产生的信号种类包括但不限于线性调频信号。

所述的微波信号产生和发射模块包括发射光探测模块、微波放大模块和微波输出模块，其中发射光探测模块用于将光信号转换成微波信号，可以采用但不限于PIN管或APD管；所述的微波放大模块用于放大微波信号的功率，可以采用但不限于甲乙类互补对称功率放大电路、功率BJT；所述的微波输出模块用于将微波信号发射出去，可以采用但不限于喇叭天线、微带天线、相控阵天线。

所述的可控光延时模块采用连续可调或者步进可调光延时线，步进可调间隔要小于信号的距离分辨率。

所述的电光调制模块采用铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。

所述的接收光探测模块采用PIN管或APD管。

所述的微波低通滤波模块采用巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器或贝塞尔滤波器。

所述的数字信号处理模块采用示波器、ADC芯片或信号开发板与电脑、单片机组合的方式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的接收装置综合利用了调制器的非线性作用、光延时线的延时作用、宽带信号混频的原理以及互相关计算原理，混频后的信号中所需的低频信号的频率会随着调节可调延时线接收窗口的改变而改变，最大频率与产生信号的带宽一致，通过调整延时，逐渐下变频到零频附近。与传统匹配滤波和去斜方式相比，既保持了匹配滤波方式的优点，又结合去斜处理的方式将宽带信号处理为点频信号，大幅度降低信号带宽，同时将信号处理尽可能的在模拟域上进行操作，从而大幅降低后端数字信号处理模块采样率和数字运算的压力。

2、通过配置***中相应模块可以实现对微波信号的远距离连续实时接收。基于互相关的宽带微波光子雷达接收装置能够极大地提高雷达接收机接收信号的时效性，提升雷达***的性能与功能，具有十分重要的应用价值。

3、接收机结构简单，所用器件模块的数量少，***的成本低、体积小。

附图说明

图1为本发明基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置实施例的整体架构图，其中，(a)为本发明实施例的整体架构图，(b)互相关实时接收电光模块的架构图。

图2为本发明接收微波信号开始被光信号探测示意图，其中，(a)回波信号与本振光脉冲错开-2ns的时域；(b)回波信号与本振光脉冲错开-2ns的时域调制；(c)回波信号与本振光脉冲错开-2ns的时域调制后低通滤波；

图3为本发明接收微波信号完全被光信号探测示意图；其中，(a)回波信号与本振光脉冲完全重合的时域；(b)回波信号与本振光脉冲完全重合的时域调制；(c)回波信号与本振光脉冲完全重合的时域调制后低通滤波；

图4为本发明接收微波信号逐渐与光信号分离示意图，其中，(a)回波信号与本振光脉冲错开2ns的时域；(b)回波信号与本振光脉冲错开2ns的时域调制；(c)回波信号与本振光脉冲错开2ns的时域调制后滤波。

图5为本发明中间状态与互相关最终结果对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置实施例的整体架构图，由图可见，本发明基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，包括光信号产生模块1、光功分模块2、微波信号产生和发射模块3、微波接收模块4、微波放大模块5、互相关实时接收电光模块6和数字信号处理模块7，所述的互相关实时接收电光模块6包括光信号输入模块6-1、可控光延时模块6-2、电光调制模块6-3、微波信号输入模块6-4、接收光探测模块6-5、微波低通滤波模块6-6和微波信号输出模块6-7，所述的光信号产生模块1的输出端与所述的光功分模块2的输入端相连，所述的光功分模块2将光信号分为两路：一路与所述的微波信号产生和发射模块3的输入端相连，另一路与所述的互相关实时接收电光模块6的光信号输入模块6-1的输入端相连，所述的微波接收模块4的输出端与所述的微波放大模块5的输入端相连，该微波放大模块5的输出端与所述的互相关实时接收电光模块6的微波信号输入模块6-4的输入端相连，所述的电光调制模块6-3的光信号输入端与所述的可控光延时模块6-2的输出端相连，所述的微波信号输入模块6-4的输出端与所述的电光调制模块6-3的微波信号输入端相连，所述的电光调制模块6-3的输出端与所述的接收机光探测模块6-5的输入端相连，所述的接收机光探测模块6-5的输出端与所述的微波低通滤波模块6-6的输入端相连，所述的微波低通滤波模块6-6的输出端与所述的微波输出模块6-7的输入端相连，该微波输出模块6-7的输出端与所述的数字信号处理模块7的输入端相连。

实施例

所述的光信号产生模块1包括***光源和光信号生成两个部分。其中***光源用于产生具有宽谱和一定重复频率的窄脉冲作为载波，本实施例采用锁模激光器；所述的光信号生成部分采用拍频的方式，产生的信号为线性调频信号。

所述的微波信号产生和发射模块3包括发射光探测模块、微波放大模块和微波输出模块，本实施例，发射光探测模块采用PIN管；所述的微波放大模块采用甲乙类互补对称功率放大电路；所述的微波输出模块采用喇叭天线。

所述的可控光延时模块6-2采用步进可调光延时线，步进可调间隔要小于信号的距离分辨率。

所述的电光调制模块6-3采用铌酸锂电光调制器。

所述的接收光探测模块6-5采用PIN管。

所述的微波低通滤波模块6-6采用巴特沃斯滤波器。

所述的数字信号处理模块7采用示波器。

利用上述基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置的接收方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

1)所述的光信号产生模块1通过光纤色散与光谱滤波效应和非平衡色散的干涉结构产生具有线性调频脉冲性质的的光脉冲信号，光信号产生模块1的输出端与光功分模块2输入端相连，通过光功分模块2产生两路严格相干的光信号。其中一路经过所述的微波信号产生和发射模块3进行发射。另一路光信号进入互相关实时接收电光模块6的光信号输入模块6-1作为互相关实时接收电光模块6的本振光信号；

2)所述的互相关实时接收电光模块6的本振光信号输入可控光延时模块6-2，所述的可控光延时模块6-2调整延时量后，以改变本振光信号与微波回波信号的相对延时，达到探测微波回波信号的目的(如图2所示)；

3)所述的的电光调制模块6-3实现本振光信号与已探测到微波回波信号的强度调制，可以对探测区域的微波回波信号进行无盲区实时调制接收；

4)所述的的接收光电探测模块6-5将电光调制模块6＝3输出的光信号转变成电信号，然后通过所述的微波低通滤波模块6-6滤出所需要的低频分量；

5)所述的数字信号处理模块7将所述的微波信号输出模块(6-7)输出的点频模拟信号转变成数字信号，然后实现数字域的加法操作(如图3所示)。

实验表明，本发明在光子领域对微波信号进行处理，具有高带宽、低噪声的优点，可以处理高频段大带宽的微波信号。可广泛用于超宽带雷达、数字通信以及电子对抗等信息技术领域。

上述过程中通过调整本振光信号的延时，实现本振光信号的时域平移，通过调制方式实现回波信号与本振光信号的数值乘积，通过滤出信号数值乘积的低频分量，完成互相关计算的被积部分，再通过数字域进行求和，实现实时的互相关计算。本发明在光子领域对微波信号进行接收，具有高带宽、低噪声性能的优点。本发明将微波回波信号与本振光脉冲信号进行调制，可以大幅降低信号带宽，减小数字信号处理的压力。本发明具备一定的重构性，具备在任意频段工作的能力，可广泛用于超宽带雷达、数字通信等信息技术领域。

Claims (8)

1.一种基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于包括光信号产生模块(1)、光功分模块(2)、微波信号产生和发射模块(3)、微波接收模块(4)、微波放大模块(5)、互相关实时接收电光模块(6)和数字信号处理模块(7)，所述的互相关实时接收电光模块(6)包括光信号输入模块(6-1)、可控光延时模块(6-2)、电光调制模块(6-3)、微波信号输入模块(6-4)、接收光探测模块(6-5)、微波低通滤波模块(6-6)和微波信号输出模块(6-7)，所述的光信号产生模块(1)的输出端与所述的光功分模块(2)的输入端相连，所述的光功分模块(2)将光信号分为两路：一路与所述的微波信号产生和发射模块(3)的输入端相连，另一路与所述的互相关实时接收电光模块(6)的光信号输入模块(6-1)的输入端相连，所述的微波接收模块(4)的输出端与所述的微波放大模块(5)的输入端相连，该微波放大模块(5)的输出端与所述的互相关实时接收电光模块(6)的微波信号输入模块(6-4)的输入端相连，所述的电光调制模块(6-3)的光信号输入端与所述的可控光延时模块(6-2)的输出端相连，所述的微波信号输入模块(6-4)的输出端与所述的电光调制模块(6-3)的微波信号输入端相连，所述的电光调制模块(6-3)的输出端与所述的接收机光探测模块(6-5)的输入端相连，所述的接收机光探测模块(6-5)的输出端与所述的微波低通滤波模块(6-6)的输入端相连，所述的微波低通滤波模块(6-6)的输出端与所述的微波输出模块(6-7)的输入端相连，该微波输出模块(6-7)的输出端与所述的数字信号处理模块(7)的输入端相连；

所述的电光调制模块(6-3)实现本振光信号与已探测到微波回波信号的强度调制，对探测区域的微波回波信号进行无盲区实时调制接收；利用所述的电光调制模块(6-3)乘法特性对接收的回波信号进行实时的模拟域乘法运算，并与经所述的可控光延时模块(6-2)延时的载波脉冲信号互相关后，经所述的接收光电探测模块(6-5)将调制后的光信号转变成微波信号，通过所述的微波低通滤波模块(6-6)滤出所需要的低频信号分量，达到降低信号带宽的目的，最后利用数字信号处理模块(7)对宽带信号进行简单求和操作，完成实时的信号互相关操作，达到对信号进行脉冲压缩的能力，提高信号的距离分辨率。

2.根据权利要求1所述的基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于，所述的光信号产生模块(1)包括***光源和光信号生成两个部分，其中***光源用于产生具有宽谱和一定重复频率的窄脉冲作为载波，采用锁模激光器锁定至参考信号源、以及多激光器合成方法实现或光纤、固体以及片上激光器方式实现；所述的光信号生成部分用于产生特定形式的光信号，采用拍频的方式，产生的信号种类包括线性调频信号。

3.根据权利要求1所述的基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于，所述的微波信号产生和发射模块(3)包括发射光探测模块、微波放大模块和微波输出模块，其中发射光探测模块用于将光信号转换成微波信号，可以采用PIN管或APD管；所述的微波放大模块用于放大微波信号的功率，可以采用甲乙类互补对称功率放大电路、功率BJT；所述的微波输出模块用于将微波信号发射出去，可以采用喇叭天线、微带天线、相控阵天线。

4.根据权利要求1所述的基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于，所述的可控光延时模块(6-2)采用连续可调或者步进可调光延时线，步进可调间隔要小于信号的距离分辨率。

5.根据权利要求1所述的基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于，所述的电光调制模块(6-3)采用铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于，所述的接收光探测模块(6-5)采用PIN管或APD管。

7.根据权利要求1所述的基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于，所述的微波低通滤波模块(6-6)采用巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器或贝塞尔滤波器。

8.根据权利要求1至7任一项所述的基于互相关的宽带微波光子雷达实时接收装置，其特征在于，所述的数字信号处理模块(7)采用示波器、ADC芯片或信号开发板与电脑、单片机组合的方式。

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