微波光子雷达探测与测频一体化实现方法及装置
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种微波光子雷达探测与测频一体化实现方法及装置，属于微波光子技术领域。
背景技术
[0002] 微波光子技术以其大带宽、高
频率、低传输损耗和免
电磁干扰等优点而受到越来越多的关注。特别是在雷达与
电子战系统中，微波光子技术得到越来越广泛的应用以打破传统电器件对雷达或电子战系统工作带宽的限制。微波光子雷达按照结构可以分为两大类。一类是基于
锁模
激光器实现的，在该结构中，锁模激光器用于产生雷达发射
信号和采集雷达接收信号[P.Ghelfi,F.Laghezza,F.Scotti,G.Serafino,A.Capria,S.Pinna,D.Onori,C.Porzi,M.Scaffardi,A.Malacarne,V.Vercesi,E.Lazzeri,F.Berizzi,andA.Bogoni“,Afullyphotonics-basedcoherentradar system,”Nature 507(7492),341–345(2014).]。另一类是基于线性调频信号去啁啾实现的，在该结构中，将中频线性调频信号借助微波光子倍频技术实现倍频后发射出去，然后通过微波光子下变频技术实现雷达发射信号与接收信号的混频，去除线性调频信号的啁啾，该去啁啾信号经过低速
模数转换器
采样并最终输入到计算机进行
数字信号处理，实现雷达探测[F.Zhang,Q.Guo,Z.Wang,P.Zhou,G.Zhang,J.Sun,and S.Pan,“Photonics-based broadband radar for high-resolution and real-time inverse synthetic aperture imaging,”Opt.Express 25(14),16274-16281(2017).]。微波光子雷达的实时带宽可以达到几十GHz，实现高
分辨率探测。
[0003] 除了雷达探测以外，微波
光子学在电子战系统中的另一个重要应用就是微波频率测量。根据实现原理的不同，微波光子测频系统可以分为三类：频率-时间映射，频率-空间映射，频率-功率映射[S.Pan and J.Yao,"Photonics-based broadband microwave measurement",J.Light.Technol.35(16),3498-3513(2016).]。相比传统的微波测频技术，微波光子测频系统具有工作频带宽的优势。
[0004] 在以前的研究中，微波光子雷达和微波光子测频系统一般是用分立的系统实现的，两者之间并无交集。然而，在现今的军事应用中，雷达和电子战系统均是必不可少的，雷达和电子战系统的融合对于节省
硬件和维护成本，减少电子系统体积具有极其重要的意义。因此，有必要研究如何实现微波光子雷达探测和测频技术的一体化。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有微波光子雷达探测和测频系统均为分立系统所存在的问题，提供一种微波光子雷达探测与测频一体化实现方法，可用一套系统同时实现微波光子雷达探测和微波光子测频，并有效降低系统复杂度、成本和体积。
[0006] 本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007] 本发明的微波光子雷达探测与测频一体化实现方法，首先将待测频信号和线性调频信号调制到同一光载波上，生成保留线性调频信号±m阶边带的第一路调制信号以及保留同一侧的线性调频信号n阶边带和待测频信号1阶边带的第二路调制信号，m,n为正整数；以对第一路调制信号进行光电探测所得到的线性调频信号的2m倍频信号作为雷达发射信号，向空间中发射；将雷达回波信号调制到所述第一路调制信号上，经光电探测和低通滤波后得到去啁啾信号，根据去啁啾信号的频率实现对目标的雷达探测；同时，对第二路调制信号进行光电探测，然后通过一窄
通带中频带通
滤波器对所得
电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络，根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测频信号的
频谱。
[0008] 优选地，所述时频对应的公式为：
[0009] fx＝fI+nf1+nk(t-t1)
[0010] 其中，t为时间，t1为所述线性调频信号的起始频率f1的对应时刻，fI为所述窄通带中频
带通滤波器的通带中心频率，fx为待测频信号中的频率分量。
[0011] 优选地，利用级联的
马赫曾德尔
调制器和双输出可编程光滤波器来生成所述第一路调制信号和第二路调制信号。
[0012] 优选地，所述待测频信号用微波天线接收，并通过电带通滤波器滤除雷达发射信号干扰，所述电带通滤波器的通带范围fpass为：
[0013] fpass∈[nf1+fI,nf1+nkT+fI]
[0014] 其中，f1、k、和T分别为线性调频信号的起始频率、啁啾率和周期，fI为所述测频单元中频滤波的中心频率。
[0015] 优选地，所述根据去啁啾信号的频率实现对目标的雷达探测，具体方法如下：通过对所述去啁啾信号进行傅里叶变换得到信号频谱，通过频谱的峰值所在频点得到去啁啾信号的频率，设为fm，则目标距离雷达的距离d通过下式计算得到：
[0016]
[0017] 其中，c为
电磁波在空气中传播的速率，k为所述线性调频信号的啁啾率，fm为去啁啾信号的频率。
[0018] 根据相同的发明思路还可以得到本发明的微波光子雷达探测与测频一体化实现装置，该装置包括：
[0019] 待测频信号接收单元，用于接收待测频信号；
[0020] 电光调制与边带选择单元，用于将待测频信号和线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成保留线性调频信号±m阶边带的第一路调制信号以及保留同一侧的线性调频信号n阶边带和待测频信号1阶边带的第二路调制信号，m,n为正整数；
[0021] 雷达信号发射单元，用于对第一路调制信号进行光电探测以产生线性调频信号的2m倍频信号，并以其作为雷达发射信号向空间中发射；
[0022] 雷达信号接收单元，用于接收雷达回波信号，并将雷达回波信号调制到所述第一路调制信号上，经光电探测和低通滤波后得到去啁啾信号；
[0023] 测频单元，用于对第二路调制信号进行光电探测，然后通过一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；
[0024]
数据采集与处理单元，用于对雷达接收单元输出的去啁啾信号和测频单元输出的包络信号进行模数转换，并对数字信号进行处理：根据去啁啾信号的频率实现对目标的雷达探测，并根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测频信号的频谱。
[0025] 优选地，所述时频对应的公式为：
[0026] fx＝fI+nf1+nk(t-t1)
[0027] 其中，t为时间，t1为所述线性调频信号的起始频率f1的对应时刻，fI为所述窄通带中频带通滤波器的通带中心频率，fx为待测频信号中的频率分量。
[0028] 优选地，所述电光调制与边带选择单元由级联的马赫曾德尔调制器和双输出可编程光
滤波器组成。
[0029] 优选地，所述待测频信号接收单元包括微波天线以及用于滤除雷达发射信号干扰的电带通滤波器，所述电带通滤波器的通带范围fpass为：
[0030] fpass∈[nf1+fI,nf1+nkT+fI]
[0031] 其中，f1、k、和T分别为线性调频信号的起始频率、啁啾率和周期，fI为所述测频单元中频滤波的中心频率。
[0032] 优选地，所述根据去啁啾信号的频率实现对目标的雷达探测，具体方法如下：通过对所述去啁啾信号进行傅里叶变换得到信号频谱，通过频谱的峰值所在频点得到去啁啾信号的频率，设为fm，则目标距离雷达的距离d通过下式计算得到：
[0033]
[0034] 其中，c为电磁波在空气中传播的速率，k为所述线性调频信号的啁啾率，fm为去啁啾信号的频率。
[0035] 相比
现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
[0036] 本发明提出了一种基于微波光子倍频与混频的微波光子测频方法，并将其与现有基于线性调频信号去啁啾实现的微波光子雷达技术有机结合，巧妙地实现了用一套系统同时实现微波光子雷达探测和微波光子测频，有效地节省了系统搭建和维护成本，减小了系统体积。另外，借助微波光子技术，系统具有雷达探测分辨率高，频率测量带宽大，抗电磁干扰，动态范围大，可调节性强等优点。
附图说明
[0037] 图1为本发明微波光子雷达探测与测频一体化实现装置的结构原理
框图；
[0038] 图2为本发明微波光子雷达探测与测频一体化实现装置一个优选
实施例的结构及原理示意图。
[0039] 图3a、图3b分别为两目标分别距离雷达126cm和144cm时的去啁啾信号频谱和两目标相距2.5cm时的去啁啾信号频谱；
[0040] 图4a、图4b分别为待测频信号处于28-37GHz时测量得到的频时映射关系和频率测量误差；
[0041] 图5a、图5b分别为待测频信号具有两个频率分量分别为30GHz和32GHz时所得到的包络信号和两频率分量相距40MHz时所得到的包络信号。
具体实施方式
[0042] 针对现有微波光子雷达探测和测频系统一体化的问题，本发明的基本思路是：基于线性调频信号去啁啾法构建雷达探测系统，基于频时映射法构建测频系统，两者共用线性调频信号的边带资源，从而实现一体化。
[0043] 本发明的微波光子雷达探测与测频一体化实现方法，首先将待测频信号和线性调频信号调制到同一光载波上，生成保留线性调频信号±m阶边带的第一路调制信号以及保留同一侧的线性调频信号n阶边带和待测频信号1阶边带的第二路调制信号，m,n为正整数；以对第一路调制信号进行光电探测所得到的线性调频信号的2m倍频信号作为雷达发射信号，向空间中发射；将雷达回波信号调制到所述第一路调制信号上，经光电探测和低通滤波后得到去啁啾信号，根据去啁啾信号的频率实现对目标的雷达探测；同时，对第二路调制信号进行光电探测，然后通过一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络，根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测频信号的频谱。
[0044] 如图1所示，本发明的微波光子雷达探测与测频一体化实现装置包括：待测频信号接收单元、电光调制与边带选择单元、雷达信号发射单元、雷达信号接收单元、测频单元、数据采集与处理单元。其中，待测频信号接收单元用于接收待测频信号；电光调制与边带选择单元用于将待测频信号和线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成保留线性调频信号±m阶边带的第一路调制信号以及保留同一侧的线性调频信号n阶边带和待测频信号1阶边带的第二路调制信号，m,n为正整数；雷达信号发射单元用于对第一路调制信号进行光电探测以产生线性调频信号的2m倍频信号，并以其作为雷达发射信号向空间中发射；雷达信号接收单元用于接收雷达回波信号，并将雷达回波信号调制到所述第一路调制信号上，经光电探测和低通滤波后得到去啁啾信号；测频单元用于对第二路调制信号进行光电探测，然后通过一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；数据采集与处理单元用于对雷达接收单元输出的去啁啾信号和测频单元输出的包络信号进行模数转换，并对数字信号进行处理：根据去啁啾信号的频率实现对目标的雷达探测，并根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测频信号的频谱。
[0045] 为便于公众理解，下面通过一个优选实施例来对本发明的技术方案进行详细说明：
[0046] 如图2所示，本实施例的微波光子雷达探测与测频一体化实现装置包括：激光器、任意
波形发生器、待测频信号接收天线、第一
放大器、带通滤波器、第一马赫曾德尔调制器、可编程光滤波器、光分束器、第一光电探测器、第二放大器、雷达发射天线、雷达接收天线、第三放大器、第二马赫曾德尔调制器、第二光电探测器、
低通滤波器、第三光电探测器、中频滤波器、
检波器、模数转换器和计算机。
[0047] 激光器产生的连续光波信号，连续光波信号的频率设为fc。任意波形发生器产生线性调频信号，其频率设为fL，则fL在一个周期内是随时间t线性变化的，一个周期内的线性调频信号的频率为：fL(t)＝f0+kt(0≤t≤T)，其中f0、k、T分别为线性调频信号的起始频率、啁啾率和周期。频率为fx的待测频信号通过待测频信号接收天线接收并经过放大器放大，然后经过带通滤波器滤除来自雷达发射信号的干扰(该带通滤波器的通带范围fpass为：fpass∈[nf1+fI,nf1+nkT+fI]，其中，f1、k、和T分别为线性调频信号的起始频率、啁啾率和周期，fI为所述测频单元中频滤波的中心频率，在此实施例中，n的取值为3)。待测频信号和线性调频信号一起输入到第一马赫曾德尔调制器，调制激光器输出的光载波。第一马赫曾德尔调制器工作在最低偏置点来抑制载波和偶数阶边带。通过控制待测频信号的功率使得待测频信号的边带具有较大的±1阶边带，其余的边带可以忽略不计。通过控制线性调频信号的功率使得线性调频信号的边带具有较大的±1阶和±3阶边带，其余的边带可以忽略不计。第一马赫曾德尔调制器的输出
光谱如图2中的a点光谱图所示。第一马赫曾德尔调制器的输出输入到可编程光滤波器进行边带选择，该可编程光滤波器具有两个输出，一路输出保留线性调频信号±1阶边带，如图2中的b点光谱图所示，另一路输出保留同一侧的线性调频信号3阶边带和待测频信号1阶边带，如图2中的c点光谱图所示。
[0048] 在雷达探测模
块，可编程光滤波器输出的线性调频信号±1阶边带经光分束器分为两路，其中一路进入第一光电探测器
拍频，则光电探测器输出的是二倍频的线性调频信号，作为雷达发射信号。则雷达发射信号的频率可以表示为2fL(t)＝2f0+2kt(0≤t≤T)，相对于任意波形发生器输出的线性调频信号，该信号具有两倍的带宽。该雷达发射信号经第二放大器放大，接着借助雷达发射天线发射到空中。当雷达发射信号遇到障碍物时，该信号会有一部分发射回到雷达，雷达接收天线接收这些回波信号。设障碍物距离雷达的距离为d，则雷达信号从发射天线发射和接收天线接收所经历的延时为2d/c，其中c为电磁波在空中的传播速度。考虑该延时，雷达接收信号的频率可以表示为：fecho(t)＝2f0+2k(t-2d/c)(0≤t≤T)。雷达接收信号经第三放大器放大后进入第二马赫曾德尔调制器，作为驱动信号调制光分束器输出的另一路线性调频信号±1阶边带信号，该调制器工作在
正交偏置点，输出的调制信号的光谱如图2中的d点光谱图所示。第二马赫曾德尔调制器的
输出信号经第二光电探测器拍频得到fecho(t)与2fL(t)相混频的电信号，混频信号经过低通滤波器滤波选择两者频率相减的去啁啾信号，该去啁啾信号的频率为：fm＝2fL(t)-fecho(t)＝4kd/c。则探测目标距离雷达的距离可以通过对fm的测量得到，即
[0049]
[0050] 去啁啾信号频率fm可以通过如下方式得到：将去啁啾信号通过模数转换器采集后输入到计算机做FFT变换，得到去啁啾信号的频谱，则频谱峰值所对应的频点即为频率fm。
[0051] 在频率测量模块，可编程光滤波器输出的同一侧的线性调频信号3阶边带和待测频信号1阶边带输入到第三光电探测器作拍频处理，则第三光电探测器输出的信号频率可以表示为：
[0052] fIt＝fx-3fL＝fx-3f1-3kt,0≤t≤T
[0053] 接着，一窄通带的中频滤波器用来选择特定频率的信号，该特定频率即为中频滤波器的中心频率fI，在时刻t，只有满足“fIt＝fI”条件的信号才能通过中频滤波器，即[0054]
[0055] 经过中频滤波器，就能够建立待测信号频率fx与时间t的一一对应关系，接着使用检波器检测出滤波后中频信号的包络，若包络在时刻t处有较大的峰值，说明待测频信号具有“fI+3f1+3kt”的频率分量。因此，只要用模数转换器采集得到的包络信号，并在计算机中找到包络信号各个峰值所处的时刻，便能得到待测频信号的频率组成，达到测频的目的。
[0056] 为了验证本发明技术方案的有效性，按照图2搭建了实验系统对本发明进行了验证。各主要器件的参数如下：激光器(TeraXion,PS-NLL-1550.52-080-000-A1)的中心
波长为1550.52nm，输出功率为19dBm；任意波形发生器(Tektronix,AWG70001A)的采样率为50GSa/s，产生起始频率为6GHz，终止频率为9GHz，周期为10μs的线性调频信号；待测频信号由商用信号源(Agilent，E8257D)产生；第一和第二马赫曾德尔调制器(Fujitsu,FTM7938EZ)的3-dB工作带宽均为40GHz；可编程光滤波器(Finisar,Waveshaper 4000S)具有一个输入通道，四个输出通道，可满足系统需求；第一、第二、第三光电探测器(CETC44,GD45216S)的3-dB工作带宽均为20GHz；第二、第三放大器(AINFO)的放大倍数为45dB，工作频带为8-18GHz；雷达发射天线和雷达接收天线的工作频带为12-18GHz；中频滤波器的中心频率为10GHz，通频带宽度为15MHz；检波器的工作频带为0.01-33GHz；模数转换器(Keysight,DSO-X 92504A)的采样率设为100MSa/s。
[0057] 首先，测验了本发明所述方案雷达探测功能的
精度和分辨率。将两个长和高分别为4.5cm和6.5cm的长方形金属块作为雷达探测目标。两个目标分别放置于距离雷达发射和接收天线126cm和144cm处。图3a为得到的去啁啾信号的频谱，可以看出该频谱具有两个峰值，对应两个目标，分别处于5.030MHz和5.765MHz处，对应这两个频率，计算得到的距离分别为125.8cm和144.1cm，测量误差分别为0.2cm和0.1cm，说明了本发明所述方案具有较高的雷达探测精度；接着，将两个目标的距离进一步缩小至2.5cm，对应于6-GHz带宽雷达的理论分辨率。此时，如图3b所示，在去啁啾信号的频谱中仍然能够观测到两个分立的峰值，说明本发明所述方案具有较高的雷达探测分辨率。
[0058] 接着，测验了本发明所述方案的频率测量带宽和精确度。调节信号源使它的输出信号频率按照1GHz的步长从28GHz增加到37GHz。图4a为不同频率待测信号输入时，使用本发明装置得到的频时映射结果。从图中可以看出，测量结果与理论频时映射结果基本吻合，说明了本发明的有效性。图4b为不同频率待测信号输入时，使用本发明装置得到的频率测量误差。从图中可以看出本发明装置可以在28-37GHz的
频率范围内保持频率测量误差小于15MHz。
[0059] 最后，测验了本发明所述方案的频率测量功能对多频率组成信号的适用性以及频率测量分辨率。首先，将包含两个频率分量(30GHz和32GHz)的信号作为待测频信号，图5a显示了此时得到的包络信号，可以看出该包络信号具有两个峰值，分别处于2.21μs和4.43μs处，对应于待测频信号的两个频率分量，说明了本发明所述方案的频率测量功能对多频率组成信号的适用性。接着，将包含两个相距40MHz的频率分量(30GHz和30.04GHz)的信号作为待测频信号，图5b显示了此时得到的包络信号，可以看出该包络信号具有两个分立的峰值，说明本发明所述方案具有较高的频率测量分辨率。
