一种微波光子MIMO雷达收发系统的制作方法

一种微波光子mimo雷达收发系统
技术领域
1.本发明属于雷达探测技术领域，涉及一种微波光子mimo雷达收发系统。


背景技术：

2.雷达由于在极端环境、气候条件下仍然保持优异的探测性能，在军事、民用等各领域发挥越来越大的作用。多输入多输出(multiple input multiple output,mimo)雷达是近年来备受关注的一种新型雷达技术。mimo雷达利用天线阵列空间分集和波形分集的优势，在目标检测、参数估计、成像识别以及抗干扰等方面具有远优于单输入单输出体制雷达的总体性能。传统雷达系统受到电学器件的限制，难以实现大带宽、多通道同时收发一体mimo雷达系统。微波光子链路由于具有低损耗、抗电磁干扰、体积小的优势，同时具备大带宽信号处理能力，近年来在现代雷达系统中越来越广泛的引入微波光子技术解决传统电学器件的限制。在mimo雷达系统中利用微波光子技术的优势，实现多路正交宽带雷达信号的产生，以及由于接收数据量的增大，雷达回波信号如何实现快速实时处理，这是目前mimo雷达实现方案中需要解决的问题。现有技术中，申请公布号为cn108287349a、申请公布日为2018年07月17日的中国发明专利申请《微波光子mimo雷达探测方法及微波光子mimo雷达系统》将m路带宽、啁啾率相同且频率互不重叠的中频线性调频信号调制于m路波长不同的光载波上，生成m路只保留正负二阶边带的光信号；将这m路光信号通过光波分复用器合并后分为两路；将其中一路分为n束参考光；对另外一路光信号进行光电转换并将其中相互正交的m个线性调频信号分离出来发射出去；利用n个接收天线分别接收目标反射信号，进行去斜处理和波长解复用，对所得到的m路光信号分别进行光电转换、低通滤波和模数转换，得到m
×
n路数字信号，对数字信号进行处理，得到目标探测结果。但是该文献并未解决发射子系统中高重复频率的光频梳信号难以产生以及接收子系统中去斜中频信号杂散量高的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于一种微波光子mimo雷达收发系统，以解决发射子系统中高重复频率的光频梳信号难以产生以及接收子系统中去斜中频信号杂散量高的问题。
4.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
5.一种微波光子mimo雷达收发系统，包括：发射子系统(10)、接收子系统(20)；发射子系统(10)中生成两个不同重复频率的光频梳信号，其中一个光频梳信号作为本振光频梳信号，另一路光频梳信号作为发射子系统(10)的光载波被基带线性调频信号所调制，调制后的光频梳信号分为两路，一路与本振光频梳信号拍频得到上变频的m路雷达发射波形，另一路传输到接收子系统(20)作为参考光信号；接收子系统(20)的n路接收天线接收到雷达回波信号后调制到发射子系统(10)耦合过来的光频梳信号上，并与参考光信号耦合后输入到光电探测器中进行拍频处理，得到雷达回波信号的m
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n路去斜中频信号，再经模数转换后进行数字信号处理，得到回波信号中携带的目标信息。
6.本发明的微波光子mimo雷达收发系统为了实现大带宽发射信号的产生，发射端需要采用高重复频率的光频梳信号，然而高重复频率光频梳难以通过简单的光子链路直接生成,本发明通过使用梳状滤波器对低重复频率的光频梳信号滤波，抑制原始光频梳信号的频率成分，从而增大光频梳的重复频率。接收端的参考光信号与调制后的雷达回波信号通过光耦合器直接耦合到一路，回波信号调制的光频梳信号由于参考信号来源不同，避免了参考信号在接收机中因多次调制产生的高阶光边带成分，接收机中参考信号与回波信号没有多余的杂散光边带，使得参考信号与回波信号进光电探测器进行拍频的光边带频谱无其他杂散分量，最终抑制了去斜后中频信号中的杂散。
7.进一步地，所述的发射子系统(10)包括：激光器(301)、2个光频梳(302)、2个梳状滤波器(303)、1个电光调制器(304)、2个分束器(305)、1个光耦合器(306)、1个放大器(307)、1个阵列波导光栅(308)、m个探测器(309)以及发射前端(310)；所述的激光器(301)的输出端分别与2个光频梳(302)的输入端连接，2个光频梳(302)的输出端分别与2个梳状滤波器(303)的输入端对应连接，第一路梳状滤波器(303)的输出端与发射子系统(10)的电光调制器(304)的输入端连接，发射子系统(10)的电光调制器(304)的输出端与第一路分束器(305)的输入端连接，发射子系统(10)的电光调制器(304)的调制波输入端口输入基带线性调频信号，第一路分束器(305)的一个输出端与发射子系统(10)中的光耦合器(306)的第一输入端连接，第一路分束器(305)的另一个输出端与接收子系统(20)连接，发射子系统(10)中的光耦合器(306)的输出端与发射子系统(10)中的放大器(307)的输入端连接，发射子系统(10)中的放大器(307)的输出端与发射子系统(10)中的阵列波导光栅(308)的输入端连接，发射子系统(10)中的阵列波导光栅(308)的m个输出端分别与发射子系统(10)中的m个探测器(309)的输入端连接，发射子系统(10)中的m个探测器(309)的输出端均与发射前端(310)连接；第二路梳状滤波器(303)的输出端与第二路分束器(305)的输入端连接，第二路分束器(305)的一个输出端与发射子系统(10)中的光耦合器(306)的第二输入端连接，第二路分束器(305)的另一个输出端与接收子系统(20)连接。
8.进一步地，所述的接收子系统(20)包括：n个电光调制器(304)、n个光耦合器(306)、1个放大器(307)、n个阵列波导光栅(308)、m
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n个探测器(309)以及接收前端(311)；所述的接收子系统(20)中的放大器(307)的输出端分别与接收子系统(20)中的n个电光调制器(304)的输入端连接，接收子系统(20)中的n个光耦合器(306)的第二输入端分别与接收子系统(20)中的n个电光调制器(304)的输出端连接，接收子系统(20)中的n个电光调制器(304)的调制波输入端口对应与接收前端(311)的n个输出端连接，接收子系统(20)中的n个光耦合器(306)的输出端分别与接收子系统(20)中的n个阵列波导光栅(308)的输入端连接，接收子系统(20)中的每个阵列波导光栅(308)的m个输出端分别与接收子系统(20)中的m个探测器(309)的输入端连接；第一路所述的分束器(305)的另一个输出端分别与接收子系统(20)的n个光耦合器(306)的第一输入端连接。第二路所述的分束器(305)的另一个输出端与接收子系统(20)中的放大器(307)的输入端连接。
9.进一步地，所述的发射子系统(10)的工作流程：所述的激光器(301)产生连续波激光信号并被分为两路，分别注入锁定2个光频梳(302)中，使2个光频梳(302)产生的光频梳信号相位相参，2个光频梳(302)产生的光信号频率间隔分别为fsr1和fsr2，2个光频梳产生的信号分别输入到2个梳状滤波器(303)中，梳状滤波器(303)的相邻通道间隔为光频梳
(302)频率间隔的两倍，因此光频梳(302)产生的光信号经过梳状滤波器(303)滤波之后，频率间隔变为原始光频梳的两倍；第一路光频梳(302)经过梳状滤波器(303)之后的信号作为光载波信号输入到发射子系统(10)中的电光调制器(304)中，该光载波信号在电光调制器中被线性调频信号调制。调制后的光载波信号分为两路，其中一路作为参考光输入到接收子系统(20)，另一路输入到发射子系统(10)中的光耦合器(306)的其中一个输入端口；第二路光频梳(302)产生的光频梳信号经过梳状滤波器(303)滤波后也被分为两路，一路作为光载波信号输入到接收子系统(20)，另一路与发射子系统(10)中的电光调制器(304)中被调制信号通过发射子系统(10)中的光耦合器(306)耦合在一起，再经过发射子系统(10)中的放大器(307)放大后，输入到发射子系统(10)中的阵列波导光栅(308)中。发射子系统(10)中的阵列波导光栅(308)的不同通道选择出m路调制信号与光频梳信号，经过发射子系统(10)中的m路探测器(309)光电转换后，得到m路频率正交的线性调频微波信号，m路正交线性调频信号经滤波和放大之后作为雷达发射子系统(10)的发射信号辐射到自由空间。
10.进一步地，所述的接收子系统(20)的工作流程：回波信号经n路接收天线收集，再经过接收前端(311)滤波和放大后分别输入到接收子系统(20)中的n个电光调制器(304)的输入端，n路回波信号分别调制到第二路光频梳(302)滤波后分路过来的光载波上，再分别输入到接收子系统(20)中的n个阵列波导光栅(308)中，将每一路回波与参考光信号分为m路不同通道输出，并输入到接收子系统(20)中的探测器(309)中进行去斜操作，得到m
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n路去斜中频信号，再经模数转换后进行数字信号处理，得到回波信号中携带的目标信息。所述m、n均为正整数，且m与n之和大于2。
11.进一步地，所述的去斜操作是将雷达回波信号调制到光载波上，并与参考光共同输入到阵列波导光栅，回波信号与参考光信号的相应光边带在光电探测器中进行拍频处理，得到回波与参考信号的差频信号。
12.进一步地，所述的激光器(301)用于产生连续波激光信号作为光频梳(302)的注入参考光源。
13.进一步地，所述的梳状滤波器(303)由多个按一定频率间隔周期性排列的通带和阻带组成，利用梳状滤波器(303)对低重复频率光频梳进行滤波，抑制原始光频梳中的特定频率谱成分，让特定频率的光谱通过，从而实现低重复频率光频梳到高重复频率光频梳的转化。
14.进一步地，所述的电光调制器(304)工作在最小偏置点，抑制光载波信号，只保留正负一阶光边带的调制光频梳信号。
15.进一步地，所述的线性调频信号通过数字频率合成器生成。
16.本发明的优点在于：
17.本发明的微波光子mimo雷达收发系统为了实现大带宽发射信号的产生，发射端需要采用高重复频率的光频梳信号，然而高重复频率光频梳难以通过简单的光子链路直接生成,本发明通过使用梳状滤波器对低重复频率的光频梳信号滤波，抑制原始光频梳信号的频率成分，从而增大光频梳的重复频率。接收端的参考光信号与调制后的雷达回波信号通过光耦合器直接耦合到一路，回波信号调制的光频梳信号由于参考信号来源不同，避免了参考信号在接收机中因多次调制产生的高阶光边带成分，接收机中参考信号与回波信号没有多余的杂散光边带，使得参考信号与回波信号进光电探测器进行拍频的光边带频谱无其
他杂散分量，最终抑制了去斜后中频信号中的杂散。
附图说明
18.图1为激光器产生的光载波被基带信号与本振信号调制的示意图；
19.图2为去斜处理原理示意图；
20.图3为传统mimo雷达回波接收示意图；
21.图4为本发明实施例的mimo雷达回波低杂散接收示意图；
22.图5为梳状滤波器对低重频光频梳滤波示意图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
25.实施例一
26.1、光子辅助雷达信号的产生
27.在雷达系统中，发射信号的功率、时宽、带宽、编码形式等参数决定了系统的探测距离、探测精度和抗干扰能力。随着下一代雷达系统对探测能力的要求越来越高，传统电子波形产生技术已越来越难以满足雷达系统的需求。光子辅助信号产生是将电域产生的基带波形经过电光转换调制到光载波上，在光域通过工作点控制或光域滤波等方式获得高阶光调制分量，该调制分量与本振信号在光电探测器中解调后产生基带信号的上变频分量，从而成倍增加信号的中心频率。相比电子变频方案，光子变频技术具备更好的幅度平坦性和更低的相位非线性。
28.如图1所示，激光器产生单频连续波激光信号，如图1中a点所示的波形，分为两路输入到电光调制器中作为光载波信号，其中，上路光载波被基带微波信号调制，下路光信号被本振信号调制，产生的光载波如图1中b点和c点所示的波形，调制后的基带信号与本振信号耦合为一路，如图1中d点所示的波形，经光滤波器滤波后，如图1中e点所示的波形，选择出需要的光边带，滤波器输出的本振和微波信号相应光边带注入光电探测器进行解调，最终得到上变频微波信号，相较于原始基带信号，得到的射频信号中心频率能够得到数倍的提升。
29.2、雷达回波信号去斜接收
30.去斜技术是用零差接收的方式来处理宽带线性调频波形，采用低速模数转换器即可对去斜中频信号进行采集，且大大降低了后续信号处理的难度。微波接收机中，采用微波混频器完成去斜本振和回波信号的去斜处理，但宽带混频器的幅相特性不一致且互调干扰难以消除，限制了去斜系统的动态范围。微波光子去斜技术具有宽带一致性高、杂散低的优点，通过将雷达的参考信号和回波信号调制到光载波上，利用光电探测器的平方律检波特性，能够得到参考信号和回波信号的去斜输出中频信号，和电学器件的去斜结果类似，该中频信号的频率是和探测区域的距离(时延)一一对应的，也即能够将宽带的发射信号转化为
窄带的中频信号，从而大大降低对模数转换器的要求。
31.如图2所示，为了保证雷达的距离分辨率指标，雷达的发射波形要求具有大的发射带宽，雷达回波信号相较于发射信号具有一定的时间延迟t，不难看出，在同一个时刻，发射信号与回波信号频率差f始终不变，并且该频率差与目标距离一一对应。雷达接收机中，如果直接对回波信号进行采样接收，由于其具有很大的带宽，要求接收机具有非常大的采样速率，对接收机的模数转换器提出了很高的要求。去斜接收处理是将雷达发射信号与回波信号进行混频处理，从而得到发射信号与回波信号的频率差，也即，将宽带的发射信号转换为窄带的中频信号，再对中频信号进行采样，由于中频信号频率很低，可以用低速的模数转换器进行采集，降低了采样后的数据量。
32.微波光子去斜技术将雷达的发射信号与回波信号分别调制到光载波上，通过直流电压控制电光调制器的工作点，使电光调制器工作在最小偏置点，此时光载波与高阶光边带均被抑制，只留下发射信号与回波信号调制后的正负一阶光边带。调制后的光载波经滤波后保留发射与回波信号的正一阶光边带，发射信号与回波信号的正一阶边带在光电探测器中拍频得到两个边带混频后的中频信号，最终经低速adc采集后进行后续的数字信号处理。
33.3、典型微波光子雷达系统
34.如图3所示，在发射端，基带线性调频信号调制到激光器产生的光载波上，通过控制双平行调制器的工作点，使调制器输出端只保留线性调频信号的正负二阶边带，该调制光信号通过光耦合器分为两路，一路输入到接收端作为参考光信号，一路注入到发射端探测器进行光电转换，输入的正负二阶边带相互拍频得到原始线性调频信号的四倍频信号，经放大后输入到发射天线辐射到自由空间中。
35.在接收端，接收天线采集目标反射的回波信号，回波信号放大后经电光调制器调制到发射端耦合过来的参考光信号上，由于参考信号再次经过回波调制，会产生不需要的高阶边带，经光滤波器滤波后，输入到探测器进行光电转换，回波信号在探测器中完成去斜处理，最终用adc采样后进行数字信号处理。
36.4、本发明的方案
37.如图4所示，一种微波光子mimo雷达收发系统，包括发射子系统10、接收子系统20；所述的发射子系统10包括：激光器301、2个光频梳302、2个梳状滤波器303、1个电光调制器304、2个分束器305、1个光耦合器306、1个放大器307、1个阵列波导光栅308、m个探测器309以及发射前端310；所述的接收子系统20包括：n个电光调制器304、n个光耦合器306、1个放大器307、n个阵列波导光栅308、m
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n个探测器309以及接收前端311。
38.所述的激光器301的输出端分别与2个光频梳302的输入端连接，激光器301用于产生连续波激光信号作为光频梳302的注入参考光源，2个光频梳302的输出端分别与2个梳状滤波器303的输入端对应连接，第一路梳状滤波器303的输出端与发射子系统10的电光调制器304的输入端连接，发射子系统10的电光调制器304的输出端与第一路分束器305的输入端连接，发射子系统10的电光调制器304的调制波输入端口输入基带线性调频信号，第一路分束器305的一个输出端与发射子系统10中的光耦合器306的第一输入端连接，第一路分束器305的另一个输出端分别与接收子系统20的n个光耦合器306的第一输入端连接，发射子系统10中的光耦合器306的输出端与发射子系统10中的放大器307的输入端连接，发射子系
统10中的放大器307的输出端与发射子系统10中的阵列波导光栅308的输入端连接，发射子系统10中的阵列波导光栅308的m个输出端分别与发射子系统10中的m个探测器309的输入端连接，发射子系统10中的m个探测器309的输出端均与发射前端310连接；第二路梳状滤波器303的输出端与第二路分束器305的输入端连接，第二路分束器305的一个输出端与发射子系统10中的光耦合器306的第二输入端连接，第二路分束器305的另一个输出端与接收子系统20中的放大器307的输入端连接，接收子系统20中的放大器307的输出端分别与接收子系统20中的n个电光调制器304的输入端连接，接收子系统20中的n个光耦合器306的第二输入端分别与接收子系统20中的n个电光调制器304的输出端连接，接收子系统20中的n个电光调制器304的调制波输入端口对应与接收前端311的n个输出端连接，接收子系统20中的n个光耦合器306的输出端分别与接收子系统20中的n个阵列波导光栅308的输入端连接，接收子系统20中的每个阵列波导光栅308的m个输出端分别与接收子系统20中的m个探测器309的输入端连接。
39.系统的工作原理
40.1、发射：激光器301产生连续波激光信号并被分为两路，分别注入锁定2个光频梳302中，使2个光频梳302产生的光频梳信号相位相参，2个光频梳302产生的光信号频率间隔分别为fsr1和fsr2，2个光频梳产生的信号分别输入到2个梳状滤波器303中，梳状滤波器303的相邻通道间隔为光频梳302频率间隔的两倍，因此光频梳302产生的光信号经过梳状滤波器303滤波之后，频率间隔变为原始光频梳的两倍；第一路光频梳302经过梳状滤波器303之后的信号作为光载波信号输入到发射子系统10中的电光调制器304中，该光载波信号在电光调制器中被线性调频信号调制。调制后的光载波信号分为两路，其中一路作为参考光输入到接收子系统20，另一路输入到发射子系统10中的光耦合器306的其中一个输入端口；第二路光频梳302产生的光频梳信号经过梳状滤波器303滤波后也被分为两路，一路作为光载波信号输入到接收子系统20，另一路与发射子系统10中的电光调制器304中被调制信号通过发射子系统10中的光耦合器306耦合在一起，再经过发射子系统10中的放大器307放大后，输入到发射子系统10中的阵列波导光栅308中。发射子系统10中的阵列波导光栅308的不同通道选择出m路调制信号与光频梳信号，经过发射子系统10中的m路探测器309光电转换后，得到m路频率正交的线性调频微波信号，m路正交线性调频信号经滤波和放大之后作为雷达发射子系统10的发射信号辐射到自由空间。
41.如图5所示，所述的梳状滤波器303由多个按一定频率间隔周期性排列的通带和阻带组成，利用梳状滤波器303对低重复频率光频梳进行滤波，抑制原始光频梳中的一些频率谱成分，让特定频率的光谱通过，从而实现低重复频率光频梳到高重复频率光频梳的转化。通过梳状滤波器303对光频梳302进行频谱滤波，将光频梳302信号的重复频率提升了一倍，解决了高重复频率的光频梳信号难以产生的问题。
42.所述的电光调制器304工作在最小偏置点，抑制光载波信号，只保留正负一阶光边带的调制光频梳信号。所述的线性调频信号通过数字频率合成器生成。
43.2、接收：回波信号经n路接收天线收集，再经过接收前端311滤波和放大后分别输入到接收子系统20中的n个电光调制器304的输入端，n路回波信号分别调制到第二路光频梳302滤波后分路过来的光载波上，再分别输入到接收子系统20中的n个阵列波导光栅308中，将每一路回波与参考光信号分为m路不同通道输出，并输入到接收子系统20中的探测器
309中进行去斜操作，得到m
×
n路去斜中频信号，再经模数转换后进行数字信号处理，得到回波信号中携带的目标信息。所述m、n均为正整数，且m与n之和大于2。所述的去斜操作是将雷达回波信号调制到光载波上，并与参考光共同输入到阵列波导光栅，回波信号与参考光信号的相应光边带在光电探测器中进行拍频处理，得到回波与参考信号的差频信号。接收端的参考信号未经过回波信号的调制，参考信号没有增加新的高阶调制分量，最终接收机中去斜中频信号的杂散能够得到有效抑制。
44.本发明提出一种微波光子mimo雷达收发系统。发射机中生成两个不同重复频率的光频梳信号，其中一个光频梳信号作为本振光频梳，另一路光频梳作为光载波被基带线性调频信号所调制，调制后的光频梳分为两路，一路与本振光频梳拍频得到上变频的m路雷达发射波形，另一路传输到接收端作为参考光信号；接收端的n路接收天线接收到雷达回波信号后调制到发射端耦合过来的光频梳上，并与参考光信号耦合后输入到光电探测器中进行拍频处理，得到雷达回波信号的去斜中频信号。最终经模数转换器采样后得到m
×
n路数字信号，进行后续数字信号处理，得到雷达回波中携带的目标信息。
45.传统mimo雷达接收方案中，雷达回波信号直接调制光参考信号，调制后的信号输入到探测器中进行去斜接收，得到中频信号(参考光信号在发射端已经有过一次调制，在接收端再次经过雷达回波信号的调制，容易产生不需要的高阶调制分量)。本发明方案提出的雷达回波信号接收方案，雷达回波信号调制到光载波信号上，再与参考光信号通过光耦合器耦合到一路，没有对参考光信号进行二次调制，减少了因为多次调制产生的高阶调制光边带，从而使中频信号中由高阶边带引入的杂散得到抑制。
46.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。