基于光子时间拉伸的宽带雷达接收机的制作方法

1.本发明涉及光子信息处理，具体是一种基于光子时间拉伸技术的宽带雷达接收机。


背景技术：

2.经过了几十年的发展，现代雷达系统已经具备了多功能、多频段和数字化等工作特性，新一代的雷达系统正朝向宽带化、一体化、小型化和具备可重构特性的趋势发展。现代雷达系统的探测手段已经扩展为微波、红外光、激光等多种形式，实现的额外功能包括搜索、识别、跟踪、成像和分类等。
3.雷达信号带宽的增加除了直接增加探测分辨率外，还有利于实现雷达系统多种功能一体化。目前雷达系统对宽带信号的接收主要采用信道化的方案，即通过多路窄带系统对宽带信号进行采样，以此降低对采样系统的性能要求。随着信号带宽的增加，信道数成倍增长，还会不可避免的引入杂散、噪声等干扰，严重影响雷达系统的探测性能，限制雷达多功能一体化的发展。微波光子技术与雷达技术有效结合，利用光波的频率和带宽远远高于微波的特点，通过将光波转换为微波，就能够突破传统电子方式在频率和带宽上的限制，大幅提高雷达发射信号的带宽和频段，极大地提高雷达的距离分辨率和多功能一体化能力。
4.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。然而传统的基于光子时间拉伸的方案，需要结合波分复用或者时分复用的方式来分段接收信号，最后在时域上进行信号的拼接，进而得到完整的雷达回波信号。这个过程面临着各通道间接收孔径的平坦度是否一致的问题，不平坦的各通道会导致信号产生非线性失真。另外在拼接的过程中，面临着信号时域片段的拼接处相位是否连续的问题。如果信号的相位不连续，那么“拼接”后的信号仍然是多个信号，而不是一个完整的信号。上述问题都会导致对恢复的信号进行匹配滤波后，分辨率无法达到发射信号对应的分辨率，严重限制雷达的性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足和面向未来雷达信号多功能、一体化的处理需求，提出一种基于两路不同拉伸倍数的光子时间拉伸技术的新型宽带雷达接收机。基于光子时间拉伸技术具有处理宽带射频信号的优势，在模拟域利用两次不同拉伸倍数的光子时间拉伸技术进行信号处理，对回波信号的频段和带宽进行成倍的压缩处理，利用匹配滤波技术实现对待测目标的测距、一维像成像功能。此外，利用光子时间拉伸技术超高速、大带宽的优势，简化原有数字上进行dsp处理的过程，极大提升了信号处理速度，为实时信号处理提供可行方案。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于光子时间拉伸技术的新型宽带雷达接收机，其特点在于，包括宽谱光源、第一色散模块、光滤波模块、电光调制模块、接收天线模块、第二色散模块、光功分模块、第
一光电转换模块、第一模数转换模块、第一数字信号处理模块、第三色散模块、第二光电转换模块、第二模数转换模块和第二数字信号处理模块；
8.设所述的宽谱光源的飞秒光脉冲周期为tr，经过色散量为βps/nm的第一色散模块以及带宽为tr/βnm的光滤波模块后，宽谱光源的飞秒脉冲被展宽为时长为tr的光脉冲，光脉冲的时间长度等于光脉冲的周期，占空比为100％，不同周期的展宽后的光脉冲形成的接收孔径(即脉冲的时间长度)可以覆盖整个时域，第k个周期的接收孔径可以表示为[td ktr,td (k 1)tr]。
[0009]
所述的接收天线模块用于接收待测目标反射的射频回波信号，并传输至所述的电光调制模块，上述被展宽的光脉冲传输至电光调制模块，并被所述的射频回波信号调制。设射频回波信号为r(t)，时间长度为ts，相对于参考时钟的延时为td ktr td，此信号的时域范围可以表示为[td ktr td,td ktr td ts]，在满足td ts＜tr的条件下，信号可以被第k周期的接收孔径所完整接收。
[0010]
被调制的光脉冲信号经所述的第二色散模块后，由于色散效应，脉冲信号被进一步展宽，设第二色散模块的色散量为(m-1)βps/nm，这时展宽后光脉冲的时间长度为mtr，此时第k个周期的接收孔径可以表示为[ktr mtd,(k m)tr mtd]，td是宽谱光脉冲的长波长由于色散效应产生的延时，此时参考时钟的时刻变为mtd，这势必导致第k个周期的接收孔径会与后续的第k 1个、
……
第k (m-1)个周期的接收孔径在时域产生重叠。此时被调制信号的时域范围为[ktr mtd mtd,ktr mtd m(td ts)]，若该信号出现在拉伸后的重叠区间[(k 1)tr mtd,(k m)tr mtd]内，将无法推断拉伸前信号是否被调制在[td ktr,td (k 1)tr]，尽管上述的推导过程是基于信号被第k个周期的接收孔径所完整接收的基础上，但是实际中我们只能得到最后被拉伸的信号的时域位置，本质上是因为通过匹配滤波所得到的脉冲相对于参考时钟的延时差ktr mtd中包含k和td这两个变量，所以这时候会产生“时间模糊”问题，具体示意图可以参考图2，其中绿色部分即为第k个周期的接收孔径与后续周期的接收孔径的重叠部分。
[0011]
为了求解k和td这两个变量，通过所述的光功分模块将光脉冲信号分为两路，引入两路不同拉伸倍数的光子时间拉伸，一路依次经所述的第一光电转换模块、第一模数转换模块，传输至第一数字信号处理模块，对拉伸倍数为m的射频信号进行脉冲压缩；另一路依次经所述的色散量为(n-m)βps/nm第三色散模块、第二光电转换模块和第二模数转换模块后，传输至所述的第二数字信号处理模块，对拉伸倍数为n的射频信号进行脉冲压缩。n倍时间拉伸后，此时被调制信号的时域范围为[ktr ntd ntd,ktr ntd n(td ts)]。由于不同接收孔径的拉伸起点不同，这时候可以根据两路不同拉伸倍数的脉冲压缩结果进行反推信号拉伸前的时域位置。同样的经过匹配滤波处理后可以得到脉冲相对于参考时钟的延时差ktr ntd。通过求解下述方程组：
[0012][0013]
其中，cm和cn为常数，可以通过匹配滤波得到，通过上述方程即可求得待测目标相对于参考时钟的延时td，通过计算(td ktr td)c/2即可求得目标所在的位置信息。
[0014]
所述的宽谱光源可以采用但不限于分布式反馈激光器、被动锁模激光器、主动锁模激光器、可调激光器或调制频率梳等方法实现。
[0015]
所述的光滤波模块用于滤出特定波长范围的光谱，并且具备可调谐的能力。可采用但不限于空间光滤波器、光纤光栅滤波器、波导等方式。
[0016]
所述的光功分模块可以采用但不限于晶体波导偏振分束器、硅基型纳米线光波导偏振分束器或微纳光纤偏振分束器。
[0017]
所述的电光调制模块可以采用但不限于铌酸锂电光调制器、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。调制方式采用但不限于载波抑制的双边带调制、载波抑制的单边带调制、相位调制或强度调制。所述的光电转换模块用于将调制光脉冲信号转换为电信号，产生时域拓展带宽压缩的接收微波信号。可采用但不限于pin管或apd管等方式实现。
[0018]
所述的模数转换模块可以但不限于电模数转换器、光模数转换器。
[0019]
所述的数据处理模块用于对采集的数据进行处理，可采用但不限于数字信号处理器或计算机软件。
[0020]
所述的接收天线模块可采用但不限于喇叭天线、微带天线、相控阵天线等与可采用但不限于甲乙类互补对称功率放大电路、功率bjt等组合的方式实现。
[0021]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0022]
1.利用光子时间拉伸技术对待测目标返回的宽带高频段信号的频率和带宽实现成倍压缩，利用数字信号处理模块的匹配滤波对压缩后的窄带信号进行实时脉冲压缩进而得到目标距离和一维像信息，在模拟域利用时间拉伸技术可以降低雷达回波信号的频段和带宽，可以大幅降低数字后端的信号采样、一维像成像的处理难度，极大地提高雷达接收机接收信号的时效性。
[0023]
2.利用两路不同拉伸倍数的光子时间拉伸处理技术，可以消除宽谱光源经过第一色散模块后被展宽的光脉冲产生的处理窗口占空比等于100％的情况下，光脉冲经过第二色散模块继续被展宽而产生的相邻处理窗口重叠的问题。
[0024]
3.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，工作频率具备可重构性，可广泛用于超宽带雷达、数字通信等信息技术领域。
附图说明
[0025]
图1为本发明基于光子时间拉伸技术的新型宽带雷达接收机系统架构实施整体结构图。
[0026]
图2为本发明的雷达接收机接收模式示意图。
[0027]
图3为本发明的具体实施案例，用以表征经过拉伸处理后的信号相对与参考信号的延时差，图a为仿真的一组回波信号经过拉伸因子为3的光子时间拉伸处理后的脉冲压缩结果，图b为仿真的同一组回波信号经过拉伸因子为4的光子时间拉伸处理后的脉冲压缩结果。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0029]
本实施例请参见图1，图2以及图3，基于两路不同拉伸倍数的时间拉伸技术的宽带
雷达接收机系统包括宽谱光源1、第一色散模块2、光滤波模块3、电光调制模块4、接收天线模块5、第二色散模块6、光功分模块7、第一光电转换模块8、第一模数转换模块9、第一数字信号处理模块10、第三色散模块11、第二光电转换模块12、第二模数转换模块13和第二数字信号处理模块14。
[0030]
所述的宽谱光源1产生一定重频的宽光谱超短脉冲，光脉冲在经过第一色散模块2后由于群速度色散效应，即不同波长的成分在光纤中传播速度不同，会在时域被拉伸为啁啾光脉冲，经过光滤波模块3后，只保留特定范围的光谱，在特定时间范围内形成虚拟时间接收窗口，如图2所示。通过调整光滤波模块3的带宽以及第一色散模块2的色散量来调整接收孔径的时间长度，接收孔径的时长要接近于宽谱光源1输出光脉冲的重复周期。待测目标反射的射频回波信号经过接收天线模块5后，通过电光调制模块4调制到光脉冲上，该被调制的光脉冲经过第二色散模块6后进一步被展宽，然后经由光功分模块7后被分成两路，进行不同拉伸倍数的光子时间拉伸。
[0031]
设所述的宽谱光源的飞秒光脉冲周期为tr＝10ns，经过色散量为1000ps/nm的第一色散模块以及带宽为10nm的光滤波模块后，宽谱光源的飞秒脉冲被展宽为时长为10ns的光脉冲，光脉冲的时间长度等于光脉冲的周期，占空比为100％，不同周期的光脉冲形成的接收孔径(即脉冲的时间长度)可以覆盖整个时域，第k个周期的接收孔径可以表示为[10k,10(k 1)]ns。
[0032]
所述的接收天线模块用于接收待测目标反射的射频回波信号，并传输至所述的电光调制模块，上述被展宽的光脉冲传输至电光调制模块，并被所述的射频回波信号调制。设射频回波信号为r(t)，时间长度为4ns，对应于参考时钟的延时为(10k td)ns，此信号的时域范围可以表示为[10k td,10k td 4]ns，在满足条件td 4＜10的条件下，信号可以被第k个周期的接收孔径所完整接收。
[0033]
被调制的光脉冲信号经所述的第二色散模块后，由于色散效应，脉冲信号被进一步展宽，设第二色散模块的色散量为3000ps/nm，这时展宽后光脉冲的时间长度为4tr，此时第k个周期的接收孔径可以表示为[10k 4td,10(k 4) 4td]ns，td是宽谱光脉冲的长波长由于色散效应产生的延时，这势必导致第k个周期的接收孔径会与后续的第k 1个、
……
第k (m-1)个周期的接收孔径在时域产生重叠。此时被调制信号的时域范围为[10k 4td 4td,10k 4td 4(td 4)]ns，若该信号出现在[(k 1)10 4tr,(k 4)10 4tr]ns内，将无法推断拉伸前信号是否被调制在[10k,10(k 1)]，尽管上述的推导过程是基于信号被第k个周期的接收孔径所完整接收的基础上，但是实际中我们只能得到最后被拉伸的信号的时域位置，无法知道信号经过电光调制模块后被调制的时域位置，所以会产生“时间模糊”问题。
[0034]
为了解决该问题，通过所述的光功分模块将光脉冲信号分为两路，引入两路不同拉伸倍数的光子时间拉伸，一路依次经所述的第一光电转换模块、第一模数转换模块，传输至第一数字信号处理模块，对拉伸倍数为4的射频信号进行脉冲压缩；另一路依次经所述的色散量为2000ps/nm第三色散模块、第二光电转换模块和第二模数转换模块后，传输至所述的第二数字信号处理模块，对拉伸倍数为3的射频信号进行脉冲压缩。3倍时间拉伸后，此时被调制信号的时域范围为[10k 3td 3td,10k 3td 3(td 4)]ns。这时候可以根据两路不同拉伸倍数的脉冲压缩结果进行反推信号拉伸前的时域位置。假设匹配滤波后得到的脉冲相对于参考时钟的延时差分别为cm＝18ns，cn＝16ns，通过求解方程组
[0035][0036]
即可得到td＝2ns，实际目标距离相对参考目标为(td ktr td)c/2＝1.8m。为了验证更复杂的场景，我们仿真了一组回波信号，相对于参考信号的延时差分别设置为5ns、10ns、12ns以及15ns。以3倍以及4倍光子时间拉伸的仿真为例，如图3所示为经过拉伸处理后的信号通过匹配滤波处理后得到的脉冲，相对于参考脉冲，可以得到3倍拉伸处理后的各个脉冲相对于参考脉冲的延时差分别为10ns、15ns、16ns、25ns，4倍拉伸处理后的各个脉冲相对于参考脉冲的延时差分别为10ns、18ns、20ns、30ns。利用上述方程式可以求解出原始各待测目标的回波信号相对于参考信号的延时差分别为5ns、10ns、12ns、15ns，验证了上述方案可以解决相邻接收孔径重叠导致的信号原始延时差无法恢复的问题。
[0037]
本发明通过光子时间拉伸技术对待测目标回波信号进行实时探测接收以及匹配滤波处理，从而获得目标的距离和一维像等信息，具有高带宽、低噪声性能的优点，工作频率具备可重构性，可广泛用于超宽带雷达、数字通信等信息技术领域。