一种微波光子雷达探测与频率测量方法及其一体化装置

1.本发明涉及微波光子频率测量及雷达技术领域，特别是涉及一种微波光子雷达探测与频率测量方法及其一体化装置。


背景技术：

2.微波频率测量在现代电子战、雷达和无线通信系统等方面发挥着不可或缺的功能。传统的电学频率测量方法受到其使用的电子元件的限制，其测量速度，测量带宽往往是有限的，并且会受到电磁干扰的影响。而微波光子技术有着瞬时带宽大、传输损耗低、抗电磁干扰等诸多优势，这为高性能微波频率测量打开了新的思路。作为一种广为人知的微波光子频率测量方法，扫频式外差测频法使用线性扫频信号作为一个信号源与待测信号混频。对于频率测量而言，使用的线性扫频信号的带宽越大，所能够实现的测量范围就会越大。同样，对于雷达探测，其距离向探测分辨率也可由大带宽的线性扫频信号提升。雷达探测中以往使用的线性扫频信号往往都是由射频源产生的，只在预先设计的特定带宽的频带中有效工作，这将限制雷达的可重构能力，无需射频源的雷达鲜有报道。通过光注入半导体激光器所产生的调频信号在无需外部射频源的情况下，可以产生频率从数ghz到超过100ghz范围的可调信号，将大大提升频率测量系统及雷达探测系统的性能。
3.目前有一种基于微波光子倍频与混频的微波光子测频方法，采用倍频与混频的微波光子处理技术，产生的光信号转换为电信号时测量范围受限，增强范围需要很大的采样率的任意波形发生器，制作成本大，并且采用多个马赫曾德尔调制器，成本过大；现有技术中采用一个可编程光滤波器来选择含待测信号频率分量的边带，而实际上待测信号频率是未知的，用这个滤波器去选边带会出现问题，而且有一定可能限制测量带宽，影响后续的测量效果。
4.综上所述可以看出，如何实现提高雷达探测和频率测量的准确性是目前有待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种微波光子雷达探测与频率测量方法及其一体化装置解决了现有技术中测量范围受限，导致准确度低，以及制作成本大的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种微波光子雷达探测与频率测量方法及其一体化装置，包括：将可调节的光信号转换为线性扫频电信号；
7.将所述线性扫频电信号分配为反馈信号和测试信号；
8.将所述测试信号分配为参考信号和探测信号；
9.利用所述探测信号进行雷达探测，经目标物体反射得到回波信号；
10.利用频率接收天线接收频率测试信号；
11.将所述参考信号、所述频率测量信号和所述回波信号输入双偏振双驱动马赫曾德调制器进行处理，输出第一偏振信号和第二偏振信号；
12.将所述第一偏振态信号去啁啾，得到中频信号，提取所述中频信号的所述目标物体的特征信息，得到所述目标物体的位置信息；
13.将所述第二偏振态信号变频，得到线性扫频信号，计算所述线性扫频信号的多个脉冲，利用脉冲时间差映射得到待测频率。
14.优选地，所述将可调节的光信号转换为线性扫频电信号包括：
15.利用主激光器产生所述可调节的光信号；
16.将所述可调节的光信号输入从激光器中，利用所述从激光器进行处理输出所述线性扫频电信号。
17.优选地，所述主激光器和所述从激光器的失谐频率为fi＝|f
ml-f
sl
|；
18.其中，f
ml
为所述主激光器输出光信号频率，f
sl
为所述从激光器输出光信号频率。
19.优选地，所述利用所述探测信号进行雷达探测，经目标物体反射得到回波信号包括：
20.将所述探测信号输入发射天线，并发射至自由空间，利用接收天线获取所述目标物体反射的回波信号。
21.优选地，所述利用频率接收装置接收频率测试信号包括：
22.将频率接收天线接收的信号输入放大器中进行放大，得到所述目标物体的频率测试信号。
23.优选地，所述参考信号的表达式为：
[0024][0025]
其中，v1为振幅，j为虚数单位，f2为扫频范围的上限，b为扫频信号带宽，t为周期。
[0026]
优选地，所述将所述参考信号、所述频率测试信号和所述回波信号输入双偏振双驱动马赫曾德调制器进行处理，输出第一偏振信号和第二偏振信号包括：
[0027]
将所述参考信号和所述回波信号输入所述双偏振双驱动马赫曾德调制器的上臂，驱动所述双偏振双驱动马赫曾德调制器的上臂，输出所述第一偏振态信号；
[0028]
将所述参考信号和所述频率测试信号输入所述双偏振双驱动马赫曾德调制器的下臂，驱动所述双偏振双驱动马赫曾德调制器的下臂，输出所述第二偏振态信号。
[0029]
优选地，所述将所述第一偏振态信号去啁啾，得到中频信号，提取所述中频信号的所述目标物体的特征信息，得到所述目标物体的位置信息包括：
[0030]
将所述第一偏振态信号输入偏振分束器进行变频，输出所述中频信号；
[0031]
利用低通滤波器滤除所述中频信号的高频谐波，提取所述目标物体的特征值，得到所述目标物体位置信息。
[0032]
优选地，所述将所述第二偏振态信号变频，得到线性扫频信号，计算所述线性扫频信号的多个脉冲，利用脉冲时间差映射得到待测频率包括：
[0033]
将所述第二偏振态信号输入所述偏振分束器进行变频，输出线性扫频信号；
[0034]
将所述线性扫频信号输入电带通滤波器进行处理，输出多个脉冲值；
[0035]
根据所述多个脉冲值的时间差映射得到待测频率。
[0036]
本发明还提供了一种雷达探测和频率测量的装置，包括：
[0037]
光电转换模块，用于将可调节的光信号转换为线性扫频电信号；
[0038]
第一分配模块，用于将所述线性扫频电信号分为反馈信号和测试信号；
[0039]
第二分配模块，用于将所述测试信号分为参考信号和探测信号；
[0040]
雷达探测模块，用于利用所述探测信号进行雷达探测，经目标物体反射得到回波信号；
[0041]
频率测量模块，用于利用频率接收装置接收频率测试信号；
[0042]
集中处理模块，用于将所述参考信号、所述频率测试信号和所述回波信号输入双偏振双驱动马赫曾德调制器进行处理，输出第一偏振信号和第二偏振信号；
[0043]
雷达探测信息处理模块，用于将所述第一偏振态信号去啁啾，得到中频信号，提取所述中频信号的所述目标物体的特征信息，得到所述目标物体的位置信息；
[0044]
频率测量信息处理模块，用于将所述第二偏振态信号变频，得到线性扫频信号，计算所述线性扫频信号的多个脉冲，利用脉冲时间差映射得到待测频率。
[0045]
本发明所提供的一种微波光子雷达探测与频率测量方法及其一体化装置，采用可调节的注入光作为参考光，对可调节的光信号进行处理转换为线性扫频的电信号，采用分配器分配为探测信号和参考信号，利用探测信号进行探测，得到回波信号，然后利用双偏振双驱动马赫曾德调制器实现雷达探测和频率测量，输出第一偏振信号和第二偏振信号，根据第一偏振信号和第二偏振信号得到目标物体的位置信息以及频率。本发明使用可调节光信号产生线性扫频信号，因此产生的双啁啾线性扫频信号具有扫频带宽大和灵活可调性的优点，可以达到超过10ghz的扫频带宽，并且调整可调节光信号的频率以及驱动电压可以改变所述产生的线性扫频信号的中心频率、带宽、频段以及周期等，既提高了雷达的探测精度，又提高了频率测量的测量带宽。本发明中无需额外的光滤波器来选择待测信号源调制光载波后产生的边带，避免了其他滤波器对测量带宽的影响。此外，可以通过调整注入参数来改变所产生双啁啾线性扫频信号的扫频范围，从而改变频率测量范围。
附图说明
[0046]
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明所提供的一种微波光子雷达探测和频率测量的方法的第一种具体实施例的流程图；
[0048]
图2为本发明所提供的一种微波光子雷达探测和频率测量的方法的第二种具体实施例的流程图；
[0049]
图3为产生的双啁啾线性扫频信号；
[0050]
图4为雷达探测功能的实现原理图；
[0051]
图5为频率测量功能的实现原理图；
[0052]
图6为频率测量功能另一测量范围的实现原理图；
[0053]
图7为本发明所提供的一种微波光子雷达探测和频率测量的装置的结构框图。
具体实施方式
[0054]
本发明的核心是提供一种雷达探测和频率测量的方法，采用可调节光信号取代现有的倍频与混频，提高了扫频宽度，提高了雷达探测精度和频率测量的测量宽度。
[0055]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0056]
请参考图1，图1为本发明所提供的一种微波雷达探测和频率测量的方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
[0057]
步骤s101：将可调节的光信号转换为线性扫频电信号；
[0058]
步骤s102：将所述线性扫频电信号分配为测试信号和反馈信号；
[0059]
步骤s103：将所述测试信号分配为参考信号和探测信号；
[0060]
步骤s104：利用所述探测信号进行雷达探测，经目标物体反射得到回波信号；
[0061]
步骤s104：利用频率接收装置接收频率测试信号；
[0062]
步骤s105：将所述参考信号、所述测试信号和所述回波信号输入双偏振双驱动马赫曾德调制器进行处理，输出第一偏振信号和第二偏振信号；
[0063]
步骤s106：将所述第一偏振态信号去啁啾，得到中频信号，提取所述中频信号的所述目标物体的特征信息，得到所述目标物体的位置信息；
[0064]
步骤s107：将所述第二偏振态信号变频，得到线性扫频信号，计算所述线性扫频信号的多个脉冲，利用脉冲时间差映射得到待测频率。
[0065]
在本实施例中，首先将可调节的光信号转换为线性扫频信号，未采额外的射频源作为射频信号，因此产生的双啁啾线性扫频信号具有扫频带宽大和灵活可调性的优点，然后将采用分配器进行信号分配，然后利用双偏振双驱动马赫曾德调制器进行处理得到两个偏振信号，然后根据两偏振信号分别计算雷达探测信息和频率测量信息。本发明使用可调节光信号产生线性扫频信号，因此产生的双啁啾线性扫频信号具有扫频带宽大和灵活可调性的优点，可以达到超过10ghz的扫频带宽，并且调整可调节光信号的频率以及驱动电压可以改变所述产生的线性扫频信号的中心频率、带宽、频段以及周期等，既提高了雷达的探测精度，又提高了频率测量的测量带宽。本发明中无需额外的光滤波器来选择待测信号源调制光载波后产生的边带，避免了其他滤波器对测量带宽的影响。
[0066]
基于上述实施例，本实施例对上述实施例中具体的步骤进行了详细的说明，请参考图2，图2为本发明所提供的一种微波光子雷达探测和频率测量的方法的第二种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
[0067]
步骤s201：利用主激光器产生可调节光信号；
[0068]
步骤s202：利用第一光电探测器将可调节光信号转换为线性扫频电信号；
[0069]
主激光器提供的注入光，产生波形、周期和强度可调的光信号，通过光环行器将所述光强度可连续调谐的光信号注入至从激光器中，经光电转换后获得双啁啾线性扫频的电信号。
[0070]
主激光器和从激光器的中心波长均在1550nm
±
0.5nm。
[0071]
主激光器与从激光器的失谐频率为fi＝|f
ml-f
sl
|，式中f
ml
为主激光器输出光信号
频率，f
sl
为自由运行的从激光器输出光信号频率。
[0072]
如图3所示，从激光器输出的光信号包括一个双啁啾的线性扫频光信号，在单个周期内其扫频范围从f1扫到f2，再从f2扫回f1，扫频带宽为b＝f
2-f1，周期为t。
[0073]
步骤s203：利用第一分配器将线性扫频信号分配为反馈信号和测试信号；
[0074]
通过第一功率分配器将所述线性扫频电信号分为反馈信号及测试信号，反馈信号进入反馈控制模块以提高系统的稳定性。
[0075]
反馈信号输入反馈模块输入至注入光调整模块以保持系统工作的稳定性。
[0076]
步骤s204：利用第二分配器将测试信号分为参考信号和探测信号；
[0077]
所述参考信号由第二功率分配器进一步分为雷达探测功能与频率测量功能所使用的参考信号。参考信号表达式为：
[0078][0079]
其中，v1是振幅，j是虚数单位，f2是扫频范围的上限，b是扫频信号带宽，t为周期。
[0080]
步骤s205：利用探测信号进行探测，得到反射的回波信号；
[0081]
所述探测信号输入至雷达探测装置，所述雷达探测装置包括相互隔离的第一放大器与发射天线、第二放大器与接收天线，所述第一电放大器用于放大探测信号，所述第二电放大器用于放大回波信号。所述探测信号输入发射天线并发射至自由空间，经过目标物反射后，接收天线获取目标物反射的回波信号。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＝2bδτ/t计算得出。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物体的距离信息。
[0082]
步骤s206：将参考信号和回波信号输入双偏振双驱动马赫曾德调制器的上臂，驱动双偏振双驱动马赫曾德调制器的上臂，输出第一偏振态信号；
[0083]
步骤s207：将参考信号和频率测试信号输入双偏振双驱动马赫曾德调制器的下臂，驱动双偏振双驱动马赫曾德调制器的下臂，输出第二偏振态信号；
[0084]
所述参考信号、所述回波信号以及频率测试信号共同输入到双偏振双驱动马赫曾德调制器，双偏振双驱动马赫曾德调制器以主激光器分出的光信号作为光载波，上臂由雷达探测用参考信号和所述回波信号驱动，产生x偏振态信号(第一偏振态信号)，下臂由频率测量用参考信号和所述测频信号驱动，经过90
°
偏振旋转片后产生y偏振态信号(第二偏振态信号)，最终通过偏振合束器合束。
[0085]
步骤s208：将第一偏振态信号和第二偏振态信号进行合束变频，分别得到雷达探测的中频信号和频率测量的线性扫频信号；
[0086]
所述合束信号输入到微波光子下变频模块进行下变频。微波光子下变频模块包括偏振分束器、第二光电探测器、和第三光电探测器。所述偏振分束器用于将两正交偏振态的信号分开。所述x偏振态信号(第一偏振态信号)由第二光电探测器探测，实现去啁啾，所述y偏振态信号(第二偏振态信号)由第三光电探测器探测，实现下变频，产生中频线性扫频信号。
[0087]
步骤s209：利用模数转换器及数模转换器提取出所述中频信号中的目标物体的位置信息；
[0088]
所述雷达探测模块包括低通滤波器、第一模数转化器及数模转换器。低通滤波器用于滤除所述去啁啾信号外的高频谐波，通过第一模数转化器及数模转换器提取目标物的特征值。
[0089]
如原理如图4所示，回波信号从探测目标物体返回后与参考信号相比产生δτ的延时。相应的去啁啾信号频率为：
[0090][0091]
由此频率可得到待测目标距离:式中c为真空中的光速。
[0092]
所述中频线性扫频信号频率输入频率测量信息处理系统，其频率为：
[0093][0094]
式中fm为频率测量功能中的待测频率。
[0095]
步骤s210：利用电带通滤波器及电包络探测器得到两输出脉冲，脉冲时间差用于映射待测频率。
[0096]
如图5所示，若该中频线性扫频信号扫到电带通滤波器通带，则会产生脉冲。包络探测器用于得到所述两脉冲的包络：
[0097][0098]
式中δ(t)表示产生脉冲的包络，f
filter
为中心频率。
[0099]
两脉冲出现的时间间隔为：
[0100]
由此完成了频率时间映射，通过第二模数转化器得到脉冲出现的时间间隔，然后通过第二数模转换器得到需要测量的频率通过第二数模转换器得到需要测量的频率
[0101]
以上分析均是建立在参考信号频率高于待测信号的频率的情况下，由此测量范围为f
1-f
filter
至f
2-f
filter
。实际上若所述参考信号频率低于待测信号的频率，将产生啁啾率相反的中频线性扫频信号，此时依然可以完成频率时间映射，如图6所示，其提供了额外的频率测量范围f1 f
filter
至f2 f
filter
。
[0102]
本发明提出的一种雷达探测和频率测量的方法，与当前技术方案比较，首先，本发明产生并共用了双啁啾线性扫频信号作为参考光，而且使用一个集成的双偏振双驱动马赫曾德调制器在两臂上同时接收了雷达探测功能的回波信号与参考信号以及频率测量功能的频率待测信号与参考信号，最终实现了频率测量及雷达探测一体化系统；再次本发明产生线性扫频信号时没有使用额外的射频源，因此产生的双啁啾线性扫频信号具有扫频带宽大和灵活可调性的优点，可以达到超过10＝ghz的扫频带宽，并且调整注入功率、主从激光器失谐频率以及驱动电压可以改变所述产生的线性扫频信号的中心频率、带宽、频段以及周期等，既提高了雷达的探测精度，又提高了频率测量的测量带宽；最后，本发明中无需额
外的光滤波器来选择待测信号源调制光载波后产生的边带，避免了其他滤波器对测量带宽的影响。此外，可以通过调整注入参数来改变所产生双啁啾线性扫频信号的扫频范围，从而改变频率测量范围。
[0103]
请参考图7，图7为本发明实施例提供的一种微波光子雷达探测和频率测量的装置的结构框图；具体装置可以包括：
[0104]
光电转换模块100，用于将可调节的光信号转换为线性扫频电信号；
[0105]
第一分配模块200，用于将所述线性扫频电信号分为测试信号；
[0106]
第二分配模块300，用于将所述测试信号分为参考信号和探测信号；
[0107]
雷达探测模块400，用于利用所述探测信号进行雷达探测，经目标物体反射得到回波信号；
[0108]
频率测量模块500，用于利用频率接收装置接收频率测试信号；
[0109]
集中处理模块600，用于将所述参考信号、所述频率测试信号和所述回波信号输入双偏振双驱动马赫曾德调制器进行处理，输出第一偏振信号和第二偏振信号；
[0110]
雷达探测信息处理模块700，用于将所述第一偏振态信号去啁啾，得到中频信号，提取所述中频信号的所述目标物体的特征信息，得到所述目标物体的位置信息；
[0111]
频率测量信息处理模块800，用于将所述第二偏振态信号变频，得到线性扫频信号，计算所述线性扫频信号的多个脉冲，利用脉冲时间差映射得到待测频率。
[0112]
本实施例的一种雷达探测和频率测量的装置用于实现前述的一种雷达探测和频率测量的方法，因此一种雷达探测和频率测量的装置中的具体实施方式可见前文中的一种雷达探测和频率测量的方法的实施例部分，例如，光电转换模块100，第一分配模块200，第二分配模块300，雷达探测模块400，频率测量模块500，集中处理模块600，雷达探测信息处理模块700和频率测量信息处理模块800分别用于实现上述一种雷达探测和频率测量的方法中步骤s101，s102，s103，s104，s105，s106，s107和s108所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
[0113]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0114]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0115]
以上对本发明所提供的一种雷达探测和频率测量的方法和装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。