基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统

1.本发明涉及微波光子雷达技术领域，特别涉及一种基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统。


背景技术：

2.微波光子雷达利用光子技术与生俱来大带宽、低传输损耗、低相位噪声等特性，能够突破电子瓶颈限制，满足未来战争中雷达高精度、高分辨的实时成像需求，成为“照亮雷达未来”的关键使能技术。同时光子系统重量轻、体积小、与集成电路兼容，可以将雷达系统的体积重量降低数十倍，从而大大减轻飞机、卫星、舰艇等的载荷。因此微波光子技术作为下一代雷达系统的关键，引起了广泛的研究。当前微波光子雷达方案主要是集中在通过微波光子技术来产生大带宽的线性调频信号的以提高雷达的分辨能力，其主要对小目标、运动目标的成像分辨率进行提升，例如，微波光子倍频技术和光注入半导体激光器技术。而在目标的智能化识别方面研究较少，主要为基于卷积神经网络的成像识别一体化方案。
3.人工神经网络可以将输入的时间依赖性嵌入到其动态行为中，因此适合用于时间数据处理，从而受到了学者的广泛关注。例如卷积神经网络、递归神经网络、深度神经网络等。但是，训练这样的神经网络需要大量的时间，导致成本太高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种训练时间短、成本低的基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统，所述基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统包括：
6.注入光模块，用于产生光强度可连续调谐的光信号；
7.从激光器，用于接收所述光强度可连续调谐的光信号并激发单周期非线性动力学状态，输出线性扫频的光信号；
8.第一光电探测器，用于将所述线性扫频的光信号转换为线性扫频的电信号；
9.功率分配器，用于从所述线性扫频的电信号中划分参考信号和测试信号；
10.发射与接收模块，用于将所述测试信号作为发射信号，并接收目标反射的回波信号；
11.微波光子混频模块，用于将所述回波信号与参考信号在光域进行混频，并下变频为携带目标信息的中频信号；
12.目标识别输入模块，用于从所述中频信号中提取目标的特征值，并产生储备池计算系统的输入信号；
13.所述储备池计算系统包括驱动模块和响应模块，所述驱动模块用于提供储备池计算系统的光载波信号并将目标的特征值信息调制在所述储备池计算系统的光载波信号上，所述响应模块用于接收所述储备池计算系统的光载波信号，并产生动态响应以对所述储备
池计算系统的光载波信号进行非线性映射处理；
14.目标识别输出模块，用于获取非线性映射处理后的光载波信号的响应状态并采样得到虚拟节点，将所述虚拟节点与对应输出权重相乘得出目标识别结果。
15.作为本发明的进一步改进，所述基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统还包括反馈控制模块，所述功率分配器还用于从所述线性扫频的电信号中划分反馈信号，所述反馈控制模块用于将所述反馈信号输入至所述注入光模块，所述反馈控制模块包括第一放大器和电衰减器，所述第一放大器和电衰减器配合以控制反馈信号的功率大小。
16.作为本发明的进一步改进，所述注入光模块包括主激光器、第一光强度调制器、第一任意波形发生器、偏振控制器和光衰减器；
17.所述第一任意波形发生器用于驱动所述第一光强度调制器；
18.所述第一光强度调制器用于对所述主激光器发出的光信号进行调制以获得光强度可连续调谐的光信号；
19.所述偏振控制器用于调整所述光强度可连续调谐的光信号的偏振态，以匹配所述从激光器的偏振态；
20.所述光衰减器用于在所述偏振控制器对光信号的偏振态进行调整后，调整光信号的强度。
21.作为本发明的进一步改进，还包括光环行器，所述光环行器设置有a端口、b端口和c端口，所述a端口与所述注入光模块的输出端连接，所述b端口与所述从激光器连接，所述c端口与所述第一光电探测器连接。
22.作为本发明的进一步改进，所述发射与接收模块包括：
23.第二放大器，用于将所述测试信号放大；
24.发射天线，用于将放大后的测试信号发射至自由空间；
25.接收天线，用于接收经过目标反射的回波信号；
26.第三放大器，用于将所述回波信号放大。
27.作为本发明的进一步改进，所述微波光子混频模块包括依次设置的接收激光器、第二光强度调制器、第二光电探测器、低通滤波器和第一模数转换器；
28.所述接收激光器用于提供雷达接收端的光载波信号；
29.所述第二光强度调制器用于接收所述参考信号和回波信号并将参考信号和回波信号调制到所述雷达接收端的光载波信号上；
30.所述第二光电探测器用于对所述第二光强度调制器输出的光信号进行光电转换以实现下变频；
31.所述低通滤波器用于对光电转换后的电信号进行低通滤波；
32.第一模数转换器用于将低通滤波后的电信号转换为携带目标信息的数字信号。
33.作为本发明的进一步改进，所述目标识别输入模块包括依次设置的第一数字信号处理器和第二任意波形发生器，所述第一数字信号处理器用于从所述中频信号中提取目标的特征值，所述第二任意波形发生器用于产生储备池计算系统输入信号。
34.作为本发明的进一步改进，所述驱动模块包括驱动激光器和第三光强度调制器，所述驱动激光器用于提供储备池计算系统的光载波信号，所述第三光强度调制器用于将目
标的特征值信息调制在所述储备池计算系统的光载波信号上。
35.作为本发明的进一步改进，所述响应模块为带有外腔反馈环路的响应激光器，所述响应激光器的外腔反馈环路用于产生动态响应，从而对所述储备池计算系统的光载波信号进行非线性映射处理。
36.作为本发明的进一步改进，所述目标识别输出模块包括依次设置的第三光电探测器、第二模数转换器和第二数字信号处理器；
37.所述第三光电探测器用于将非线性映射后的光载波信号转换为电信号；
38.所述第二模数转换器用于将电信号从模拟信号转换为数字信号；
39.所述第二数字信号处理器用于读取所述数字信号，以获取响应状态并采样得到虚拟节点，将所述虚拟节点与对应输出权重相乘得出目标识别结果。
40.本发明的有益效果：
41.本发明基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统基于半导体激光器，利用激光高速传播的特性在计算速率上无可比拟的优势，基于光子的储备池计算系统的训练成本远远低于卷积神经网络、递归神经网络和深度神经网络；同时，基于光子技术不仅可以实现高分辨率雷达成像，也可以实现雷达成像与识别的一体化，并大大减少训练时间与成本，同时具有建构简单、处理速度快、准确率高的优点。
42.本发明中的从激光器工作在单周期振荡态，使得产生的雷达发射信号具有扫频带宽大、成像分辨率高和调谐灵活的优点。
43.本发明中的各个模块都可以小型化集成封装，且可通过计算机程序远程控制，使得系统可一体化集成。
44.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
45.图1是本发明优选实施例中基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统的原理图；
46.图2是本发明优选实施例中基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统的结构示意图。
47.标记说明：
48.1、注入光模块；1.1、主激光器；1.2、第一光强度调制器；1.3、第一任意波形发生器；1.4、偏振控制器；1.5、光衰减器；
49.2、光环行器；
50.3、从激光器；
51.4、第一光电探测器；
52.5、功率分配器；
53.6、反馈控制模块；6.1、第一放大器；6.2、电衰减器；
54.7、发射与接收模块；7.1、第二放大器；7.2、发射天线；7.3、接收天线；7.4、第三放大器；
55.8、微波光子混频模块；8.1、接收激光器；8.2、第二光强度调制器；8.3、第二光电探测器；8.4、低通滤波器；8.5、第一模数转换器；
56.9、目标识别输入模块；9.1、第一数字处理器；9.2、第二任意波形发生器；
57.10、驱动模块；10.1、驱动激光器；10.2、第三光强度调制器；
58.11、响应模块；11.1、响应激光器；
59.12、目标识别输出模块；12.1、第三光电探测器；12.2、第二模数转换器；12.3、第二数字信号处理器。
具体实施方式
60.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
61.如图1所示，为本发明优选实施例中的基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统，包括注入光模块1、从激光器3、第一光电探测器4、功率分配器5、发射与接收模块7、微波光子混频模块8和目标识别输入模块9。
62.注入光模块1用于产生光强度可连续调谐的光信号；从激光器3用于接收所述光强度可连续调谐的光信号并激发单周期非线性动力学状态，输出线性扫频的光信号；第一光电探测器4用于将所述线性扫频的光信号转换为线性扫频的电信号；功率分配器5用于从所述线性扫频的电信号中划分参考信号和测试信号；发射与接收模块7用于将所述测试信号作为发射信号，并接收目标反射的回波信号；微波光子混频模块8用于将所述回波信号与参考信号在光域进行混频，并下变频为携带目标信息的中频信号；目标识别输入模块9用于从所述中频信号中提取目标的特征值，并产生储备池计算系统的输入信号；所述储备池计算系统包括驱动模块10和响应模块11，所述驱动模块10用于提供储备池计算系统的光载波信号并将目标的特征值信息调制在所述储备池计算系统的光载波信号上，所述响应模块11用于接收所述储备池计算系统的光载波信号，并产生动态响应以对所述储备池计算系统的光载波信号进行非线性映射处理；目标识别输出模块12用于获取非线性映射处理后的光载波信号的响应状态并采样得到虚拟节点，将所述虚拟节点与对应输出权重相乘得出目标识别结果。
63.工作时，首先，通过注入光模块1产生光强度可连续调谐的光信号；通过从激光器3接收所述光强度可连续调谐的光信号并激发单周期非线性动力学状态，输出线性扫频的光信号；通过第一光电探测器4将所述线性扫频的光信号转换为线性扫频的电信号；通过功率分配器5从所述线性扫频的电信号中划分参考信号和测试信号；通过发射与接收模块7将所述测试信号作为发射信号，并接收目标反射的回波信号；通过微波光子混频模块8将所述回波信号与参考信号在光域进行混频，并下变频为携带目标信息的中频信号；通过目标识别输入模块9从所述中频信号中提取目标的特征值，并产生储备池计算系统的输入信号；通过所述驱动模块10提供储备池计算系统的光载波信号并将目标的特征值信息调制在所述储备池计算系统的光载波信号上，通过响应模块11接收所述储备池计算系统的光载波信号，并产生动态响应以对所述储备池计算系统的光载波信号进行非线性映射处理；通过目标识别输出模块12获取非线性映射处理后的光载波信号的响应状态并采样得到虚拟节点，将所述虚拟节点与对应输出权重相乘得出目标识别结果。
64.本发明基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统基于半导体激光器，利用激光高速传播的特性在计算速率上无可比拟的优势，基于光子的储备池计算系统的训练成本远远低于卷积神经网络、递归神经网络和深度神经网络；同时，基于光子技术不仅可以实现高分辨率雷达成像，也可以实现雷达成像与识别的一体化，并大大减少训练时间与成本，同时具有建构简单、处理速度快、准确率高的优点。其中，从激光器工作在单周期振荡态，使得产生的雷达发射信号具有扫频带宽大、成像分辨率高和调谐灵活的优点。本发明中的各个模块都可以小型化集成封装，且可通过计算机程序远程控制，使得系统可一体化集成。
65.在一些实施例中，本发明基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统还包括反馈控制模块6，所述功率分配器5还用于从所述线性扫频的电信号中划分反馈信号，所述反馈控制模块6用于将所述反馈信号输入至所述注入光模块1，所述反馈控制模块6包括第一放大器6.1和电衰减器6.2，所述第一放大器6.1和电衰减器6.2配合以控制反馈信号的功率大小。具体地，反馈信号经过第一放大器6.1和电衰减器6.2后输入至光强度调制器1.2的高速射频端口以保持系统工作的稳定性。
66.如图2所示，在一些实施例中，所述注入光模块1包括主激光器1.1、第一光强度调制器1.2、第一任意波形发生器1.3、偏振控制器1.4和光衰减器1.5。所述第一任意波形发生器1.3用于驱动所述第一光强度调制器1.2，所述第一光强度调制器1.2用于对所述主激光器1.1发出的光信号进行调制以获得光强度可连续调谐的光信号，所述偏振控制器1.4用于调整所述光强度可连续调谐的光信号的偏振态，以匹配所述从激光器3的偏振态，所述光衰减器1.5用于在所述偏振控制器1.4对光信号的偏振态进行调整后，调整光信号的强度。
67.在一些实施例中，本发明基于半导体激光器的微波光子成像识别一体化雷达系统还包括光环行器2，所述光环行器2设置有a端口、b端口和c端口，所述a端口与所述注入光模块1的输出端连接，所述b端口与所述从激光器3连接，所述c端口与所述第一光电探测器4连接。在适当的注入功率下，从激光器3工作在单周期振荡态，其输出的光信号包括一个扫频范围为δf的线性扫频光信号，所述线性扫频光信通过第一光电探测器4转换为一个带宽为δf的线性扫频电信号。
68.在一些实施例中，所述发射与接收模块7包括第二放大器7.1、发射天线7.2、接收天线7.3和第三放大器7.4。
69.第二放大器7.1用于将所述测试信号放大；发射天线7.2用于将放大后的测试信号发射至自由空间；接收天线7.3用于接收经过目标反射的回波信号；第三放大器7.4用于将所述回波信号放大。其中，回波信号与发射信号存在一个延迟时间δτ，因此目标的距离d可以通过d＝cδτ/2计算得出,c为真空中的光速。由于发射信号是线性扫频的电信号，可以通过直接计算发射信号与回波信号之间的频率差来获取目标的信息。
70.在一些实施例中，所述微波光子混频模块8包括依次设置的接收激光器8.1、第二光强度调制器8.2、第二光电探测器8.3、低通滤波器8.4和第一模数转换器8.5。
71.所述接收激光器8.1用于提供雷达接收端的光载波信号；所述第二光强度调制器8.2用于接收所述参考信号和回波信号并将参考信号和回波信号调制到所述雷达接收端的光载波信号上；所述第二光电探测器8.3用于对所述第二光强度调制器8.2输出的光信号进行光电转换以实现下变频；所述低通滤波器8.4用于对光电转换后的电信号进行低通滤波；
第一模数转换器8.5用于将低通滤波后的电信号转换为携带目标信息的数字信号。
72.在一些实施例中，所述目标识别输入模块9包括依次设置的第一数字信号处理器和第二任意波形发生器9.2，所述第一数字信号处理器用于从所述中频信号中提取目标的特征值，所述第二任意波形发生器9.2用于产生储备池计算系统输入信号。
73.在一些实施例中，所述驱动模块10包括驱动激光器10.1和第三光强度调制器10.2，所述驱动激光器10.1用于提供储备池计算系统的光载波信号，所述第三光强度调制器10.2用于将目标的特征值信息调制在所述储备池计算系统的光载波信号上。
74.在一些实施例中，所述响应模块11为带有外腔反馈环路的响应激光器11.1，所述响应激光器11.1的外腔反馈环路用于产生丰富动态响应，从而对所述储备池计算系统的光载波信号进行非线性映射处理。
75.在一些实施例中，所述目标识别输出模块12包括依次设置的第三光电探测器12.1、第二模数转换器12.2和第二数字信号处理器12.3；
76.所述第三光电探测器12.1用于将非线性映射后的光载波信号转换为电信号；所述第二模数转换器12.2用于将电信号从模拟信号转换为数字信号；所述第二数字信号处理器12.3用于读取所述数字信号，以获取响应状态并采样得到虚拟节点，将所述虚拟节点与对应输出权重相乘得出目标识别结果。
77.优选地，主激光器1.1、从激光器3、接收激光器8.1、驱动激光器10.1和响应激光器11.1的中心波长均在1550nm附近。可选用商用单模半导体激光器，具有结构简单、成本低以及易于操控的优点。
78.以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。