基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达的制作方法

1.本发明涉及微波光子雷达态势感知成像技术领域，尤其涉及一种基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达。


背景技术：

2.随着雷达目标态势感知分辨率等指标要求越来越高，传统的微波雷达带宽无法满足需求，而太赫兹技术受器件功率等的限制无法做到远距离探测。同时，探测的目标特征与电磁特性也日益复杂，这就要求态势感知成像雷达技术与系统必须不断发展、推陈出新才能有效发挥作用。因此，目前缺乏一种能够提高目标感知分辨率、提升目标探测能力，并能够获取更佳成像效果的目标态势感知雷达。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达，该雷达能够提高目标感知分辨率、提升目标探测能力，并能够获取更佳的成像效果。
4.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达，包括：
6.微波输入信号生成单元，用于生成第一频率范围的微波输入信号；
7.光学处理组件，与所述微波输入信号生成单元连接，所述光学处理组件用于生成光载波信号，并将所述微波输入信号调制到所述光载波信号上得到具有偶数阶光边带的第一调制光信号；所述光学处理组件还用于对所述第一调制光信号中的光载波信号进行抑制处理，得到保留有第二频率范围和第三频率范围的第二调制光信号，并对所述第二调制光信号进行光电转换处理和带通滤波处理得到第四频率范围的微波输出信号；
8.收发组件，与所述光学处理组件连接，所述收发组件用于对所述微波输出信号进行放大处理得到射频信号，并向目标发射所述射频信号，以及接收所述目标反射的射频回波信号，并对所述射频回波信号进行下变频处理得到低频回波信号；
9.数字信号处理机，与所述收发组件连接，所述数字信号处理机用于对所述低频回波信号进行信号处理，得到目标态势感知图像。
10.可选的，所述微波输入信号生成单元包括：
11.波形发生器，用于产生预设频率范围的线性调频信号；
12.矢量信号源，用于产生预设频率的上变频本振信号；
13.上混频放大器组件，用于将所述线性调频信号与所述上变频本振信号进行混频和放大滤波处理后，得到所述第一频率范围的微波输入信号。
14.可选的，所述光学处理组件包括：
15.激光源，用于产生光载波信号；
16.电光调制器，分别与所述激光源和所述微波输入信号生成单元连接，所述电光调
制器用于将所述微波输入信号调制到所述光载波信号上得到具有偶数阶光边带的所述第一调制光信号；
17.光耦合器，与所述电光调制器连接，所述光耦合器用于对所述第一调制光信号进行分路输出，得到第三调制光信号和第四调制光信号，并将所述第三调制光信号输入至偏压控制器，将所述第四调制光信号输入至环形器；
18.所述偏压控制器，分别与所述电光调制器和所述光耦合器连接，所述偏压控制器用于根据所述第三调制光信号对所述电光调制器进行闭环控制；
19.所述环形器，与所述光耦合器连接，所述第四调制光信号经过所述环形器反射处理和透射处理后，分别得到第五调制光信号和第六调制光信号；
20.光电二极管和微控制器，与所述环形器连接，所述光电二极管和微控制器用于根据所述第五调制光信号对所述激光源进行闭环控制；
21.滤波光栅，与所述环形器连接，所述滤波光栅用于对所述第一调制光信号经过处理后的所述第六调制光信号进行抑制处理，得到保留有第二频率范围和第三频率范围的所述第二调制光信号；
22.光开关，与所述滤波光栅连接，所述光开关用于对所述第二调制光信号的传输通道进行切换，以便将所述第二调制光信号传输至测试口或者光电探测器；
23.所述光电探测器，与所述光开关连接，所述光电探测器用于对所述第二调制光信号进行光电转换处理，得到第四频率范围的调制电信号；
24.带通滤波器，与所述光电探测器连接，所述带通滤波器用于对所述调制电信号进行带通滤波处理，得到第四频率范围的所述微波输出信号。
25.可选的，所述收发组件包括：
26.预制功率放大器，与所述带通滤波器连接，所述预制功率放大器用于对所述微波输出信号进行放大滤波处理，得到放大滤波处理信号，并对所述放大滤波处理信号进行分路处理，得到第一路信号和第二路信号，其中，将所述第一路信号作为所述射频信号，将所述第二路信号进行衰减处理后得到参考本振信号；
27.发射天线，与所述预制功率放大器连接，所述发射天线用于向目标发射所述射频信号；
28.接收天线，用于接收所述目标反射的射频回波信号；
29.高频接收机，分别与所述预制功率放大器和所述接收天线连接，所述高频接收机用于根据所述参考本振信号对所述射频回波信号进行下变频处理得到所述低频回波信号。
30.可选的，所述波形发生器和所述数字信号处理机采用所述矢量信号源产生的同步脉冲信号作为时序基准信号。
31.可选的，所述滤波光栅包络在温控模块中，所述滤波光栅通过所述温控模块控制自身温度为恒定值。
32.可选的，所述光电探测器采用拍频法将保留有第二频率范围和第三频率范围的所述第二调制光信号转换处理成第四频率范围的所述调制电信号。
33.可选的，所述高频接收机具体用于：
34.在微波域中根据所述参考本振信号对所述射频回波信号进行去斜处理，以得到所述低频回波信号。
35.可选的，所述高频接收机设置有增益控制码控制端口，所述高频接收机通过所述增益控制码控制端口调节射频回波信号增益，提高信噪比。
36.可选的，所述第二频率范围和所述第三频率范围的上限值、下限值分别为所述第一频率范围的上限值、下限值的正负2倍，所述第四频率范围的上限值、下限值为所述第一频率范围的上限值、下限值的正4倍。
37.本发明至少具有以下技术效果：
38.(1)相对于传统同频段微波态势感知雷达，本发明可以获得更大带宽的发射信号从而获取更高分辨率的目标微波运动态势影像，同时能够提高抗电磁干扰和空间辐射能力。
39.(2)相对于现有微波光子雷达，本发明在微波域对射频回波信号进行去斜处理，相较于直接在光域去斜更容易，并且本发明采用模块化拼合方式，使得系统搭建、运转更加简单便捷易实现。
40.(3)相对于传统更高频段微波态势感知雷达，本发明元器件成本低廉易获取，且作用距离远，目标检测能力强，数据采样率低，数据处理难度也更小。
41.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
42.图1为本发明一实施例提供的基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达的结构框图；
43.图2为本发明一实施例提供的基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达的工作原理图；
44.图3为本发明一实施例提供的具有正负二阶边带的调制光信号示意图；
45.图4为本发明一实施例提供的调制电信号示意图；
46.图5为本发明一实施例提供的高频接收机微波域去斜示意图；
47.图6为本发明一实施例提供的光学处理组件上电时序示意图。
具体实施方式
48.下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
49.为解决背景技术中的技术问题，本发明提供了一种基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达，该雷达利用光载波频段高、带宽大、抗电磁干扰与环境辐射能力强、可控性好等特点来实现对微波信号的调制，以提高其发射信号频段与带宽，从而可以大大提高目标感知分辨率，获取更佳的成像效果，提升目标态势感知雷达的探测能力，进而使得该高分辨态势感知雷达在航天保障、空间碎片探测、气象和海洋环境监测等方面具有广泛的应用前景。
50.下面参考附图描述本实施例的基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达。
51.图1为本发明一实施例提供的基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达的
结构框图。如图1所示，该基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达10包括：微波输入信号生成单元11、光学处理组件12、收发组件13和数字信号处理机14。
52.如图2所示，微波输入信号生成单元11用于生成第一频率范围 fa～ fb的微波输入信号s
in
；光学处理组件12与微波输入信号生成单元11连接，光学处理组件12用于生成光载波信号s
l
，并将微波输入信号s
in
调制到光载波信号s
l
上得到具有偶数阶光边带的第一调制光信号s
l1
；光学处理组件12还用于对第一调制光信号s
l1
中的光载波信号进行抑制处理，得到保留有第二频率范围 2fa～ 2fb和第三频率范围-2fa～-2fb的第二调制光信号s
l6
，并对第二调制光信号s
l6
进行光电转换处理和带通滤波处理得到第四频率范围 4fa～ 4fb的微波输出信号s
out
；收发组件13与光学处理组件12连接，收发组件13用于对微波输出信号s
out
进行放大处理得到射频信号s
t
，并向目标发射射频信号s
t
，以及接收目标反射的射频回波信号s
τ
，并对射频回波信号s
τ
进行下变频处理得到低频回波信号sh；数字信号处理机14与收发组件13连接，数字信号处理机14用于对低频回波信号sh进行采样、运动补偿和分析计算处理，以便得到目标态势感知图像。
53.本实施例中，如图2所示，微波输入信号生成单元11包括：波形发生器、矢量信号源和上混频放大器组件。
54.其中，波形发生器可产生任意波形信号，本实施例中可用于产生预设频率范围 fm～ fn的线性调频信号s
lfm
；矢量信号源可用于产生预设频率为f的上变频本振信号su；上混频放大器组件可用于将线性调频信号s
lfm
与上变频本振信号su进行混频和放大滤波处理后，得到第一频率范围 fa～ fb的微波输入信号s
in
。
55.需要说明的是，本实施例中的波形发生器和数字信号处理机14均采用矢量信号源产生的同步脉冲信号作为时序基准信号。本实施例中的上混频放大器组件可获得标准化波形发生器无法直接产生的较高频段线性调频信号。
56.如图2所示，光学处理组件12包括：激光源、电光调制器、光耦合器、偏压控制器、环形器、光电二极管和微控制器、滤波光栅、光开关、光电探测器、带通滤波器。
57.其中，激光源用于产生稳定的光载波信号s
l
；电光调制器分别与激光源和微波输入信号生成单元11连接，电光调制器用于将微波输入信号s
in
调制到光载波信号s
l
上，然后调整电光调制器工作点为最大传输点，并输出具有偶数阶光边带的第一调制光信号s
l1
；光耦合器与电光调制器连接，光耦合器用于对第一调制光信号s
l1
进行分路输出，得到第三调制光信号s
l3
和第四调制光信号s
l2
，并将第三调制光信号s
l3
输入至偏压控制器用以进行反馈控制，将第四调制光信号s
l2
输入至环形器；偏压控制器分别与电光调制器和光耦合器连接，偏压控制器用于根据第三调制光信号s
l3
对电光调制器进行闭环控制；环形器与光耦合器连接，第四调制光信号s
l2
经过环形器反射处理和透射处理后，分别得到第五调制光信号s
l5
和第六调制光信号s
l4
；光电二极管和微控制器与环形器连接，光电二极管和微控制器用于根据第五调制光信号s
l5
对激光源进行闭环控制；滤波光栅与环形器连接，滤波光栅用于对第一调制光信号s
l1
经过处理后的第六调制光信号s
l4
进行抑制处理，具体为抑制该第六调制光信号s
l4
中的光载波信号，以得到保留有正负二阶边带第二频率范围 2fa～ 2fb和第三频率范围-2fa～-2fb的第二调制光信号s
l6
，其中，第二调制光信号s
l6
具体如图3所示；光开关与滤波光栅连接，光开关用于对第二调制光信号s
l6
的传输通道进行切换，以便将第二调制光信号s
l6
传输至测试口或者光电探测器；光电探测器与光开关连接，光电探测器用于
对第二调制光信号s
l6
进行光电转换处理，得到第四频率范围 4fa～ 4fb的调制电信号s
l7
，其中，调制电信号s
l7
如图4所示；带通滤波器与光电探测器连接，带通滤波器用于对调制电信号s
l7
进行带通滤波处理，得到第四频率范围 4fa～ 4fb的微波输出信号s
out
。
58.本实施例中的所述电光调制器可为马赫增德尔调制器，其可将微波输入信号s
in
调制到光载波信号s
l
上，并调整调制器工作点为最大传输点使其产生偶数阶光边带。本实施例中的光耦合器将第三调制光信号s
l3
输入至偏压控制器进行反馈控制，可保证该电光调制器能够在长期工作状态下保持稳定性和一致性。本实施例中的第五调制光信号s
l5
经过光电二极管进行光电转换后输入微控制器处理以反馈控制所述激光源，从而可提高光载波信号的稳定性，避免激光源长期工作时产生波长漂移现象。本实施例中的滤波光栅在抑制第六调制光信号s
l4
中的光载波信号的同时，能够避免输入到光电探测器的光功率过大而损坏器件。
59.另外，本实施例中的滤波光栅包络在温控模块中，其可通过温控模块控制自身温度为恒定值，从而避免光栅中心波长发生偏移影响滤波性能。本实施例中的光开关为一切二光开关，当需要进行调制光信号功率测试时，可将第二调制光信号s
l6
切换到测试口，当需要进行成像试验时，可将第二调制光信号s
l6
切换到光电探测器。本实施例中的光电探测器具有光电转换和电放大两个功能，光电转换功能可以将第二调制光信号s
l6
转换为射频电信号，电放大功能用来放大该射频电信号，最终得到调制电信号s
l7
。本实施例中的光电探测器在使用光电转换功能时，可采用拍频法将正负二阶边带 2fa～ 2fb与-2fa～-2fb频率范围的调制光信号转换为 4fa～ 4fb频率范围的调制光信号。本实施例中的带通滤波器可对调制电信号s
l7
进行滤波，以滤除 4fa～ 4fb频率范围外的噪声信号。
60.请继续参考图2，收发组件13包括：预制功率放大器、发射天线、接收天线和高频接收机。其中，预制功率放大器与带通滤波器连接，预制功率放大器用于对微波输出信号s
out
进行放大滤波处理，得到放大滤波处理信号，并对放大滤波处理信号进行分路处理，得到第一路信号和第二路信号，其中，将第一路信号作为射频信号s
t
，将第二路信号进行衰减处理后得到参考本振信号sr；发射天线与预制功率放大器连接，发射天线用于向目标发射射频信号s
t
；接收天线用于接收目标反射的射频回波信号s
τ
，其中，发射天线和接收天线为2个完全一样的喇叭天线；高频接收机，分别与预制功率放大器和接收天线连接，高频接收机用于根据参考本振信号sr对射频回波信号s
τ
进行下变频处理，并在滤波后得到低频回波信号sh。
61.本实施例中的高频接收机具体用于在微波域中根据参考本振信号sr对射频回波信号s
τ
进行去斜处理，以得到低频回波信号sh，其中，微波域去斜原理图如图5所示。另外，本实施例中的高频接收机设置有增益控制码控制端口，高频接收机通过增益控制码控制端口调节射频回波信号增益，提高信噪比。
62.如图2所示，该基于微波光子技术的模块化高分辨态势感知雷达还包括：二次电源，该二次电源用于为雷达系统各模块提供稳定的直流电源。本实施例中二次电源由直流电源提供一次电源，一次电源标称电压为31v，二次电源能够提供雷达所需的
±
5v，
±
12v，
±
15v电压，并可有效隔离雷达系统与一次电源。
63.需要说明的是，本实施例中的二次电源、上混频放大器组件、光学处理组件、预置功率放大器、高频接收机、数字信号处理机均为独立模块，各模块均有独立的供电接口与二次电源相连接，各模块间通过低频或高频电缆进行信号连接。
64.以下通过一个较佳的具体实施例对本发明进行详细说明。
65.如图2所示，该雷达包括：1个二次电源、1个上混频放大器组件、1个光学处理组件、1个预置功率放大器、1个发射天线、1个接收天线、1个高频接收机、1个数字信号处理机。其中，光学处理组件又包括：1个激光源、1个电光调制器、1个光耦合器、1个偏压控制器、1个环形器、1个光电二极管与微控制器、1个滤波光栅(含温控功能)、1个光电探测器和1个带通滤波器。
66.具体的，可按照图2将本发明各模块进行连接。首先使用二次电源为雷达系统各模块提供稳定的直流电源，使用标准通用直流电源作为一次电源为二次电源供电，一次电源标称电压为31v；二次电源能够提供雷达所需的
±
5v，
±
12v，
±
15v电压，并有效隔离雷达系统与一次电源，从而可以确保各模块稳定工作。本示例中，光学处理组件内部部分元件需要预热，因此需要按时间顺序进行逐一上电，并将光学处理组件光开关切换到测试口，如图6所示。
67.在光学处理组件的滤波光栅(含温控功能)上电后，即可使用1台通用仪器任意波形发生器，以产生 fm～ fn频率范围的线性调频信号s
lfm
；1台通用仪器矢量信号源，以产生频率为f的上变频本振信号su；使用上混频放大器组件，以将线性调频信号s
lfm
与上变频本振信号su混频并放大滤波后产生 fa～ fb频率范围的微波输入信号s
in
，其中，该微波输入信号s
in
作为光学处理组件电光调制器的调制输入信号。
68.光学处理组件的激光源此时已经稳定产生电光调制器所需的光载波信号s
l
，电光调制器本身是一种马赫曾德尔调制器，其可通过调制输入端口输入的微波输入信号s
in
对光载波信号s
l
进行电光调制，并调整电光调制器工作点为最大传输点使其产生具有偶数阶光边带的调制光信号s
l1
。调制光信号s
l1
进入光耦合器分为2路，能量极少的一路调制光信号s
l3
作为偏压控制器的输入信号，用于对电光调制器形成闭环反馈控制，其目的是为电光调制器提供合适的偏压，以保证系统能长期稳定工作；含有绝大部分能量的一路调制光信号s
l2
进入环形器，经过环形器透射后的调制光信号s
l4
送入滤波光栅，经过环形器反射后的调制光信号s
l5
送入光电二极管；光电二极管将调制光信号s
l5
进行光电转换后送给微控制器，通过微控制器对激光源进行闭环反馈控制，以提高光载波信号的稳定性，避免激光源长期工作时产生波长漂移的现象。其中，进入滤波光栅的调制光信号s
l4
会被抑制掉其携带的光载波分量，并通过滤波得到只保留正负二阶边带 2fa～ 2fb与-2fa～-2fb频率范围的调制光信号s
l6
。
69.根据图6所示的上电时序，当滤波光栅上电后30分钟左右，可使用标准光功率计测量测试口的光功率，当光功率满足要求，可将光学处理组件光开关切换到光电探测器。此时，光电探测器将滤波光栅输出的调制光信号s
l6
经过拍频变为 4fa～ 4fb频率范围的调制光信号，同时对其光电转换，再经过电放大后最终得到调制电信号s
l7
；带通滤波器对光电探测器输出的调制电信号s
l7
带通滤波，最终输出 4fa～ 4fb频率范围的射频微波输出信号s
out
。
70.进一步的，将光学处理组件输出的微波输出信号s
out
接到预置功率放大器，预置功率放大器对该信号进行滤波、放大后又将其分为2路，一路作为发射信号即射频信号s
t
送到发射天线，一路作为参考本振信号sr送到高频接收机；发射信号s
t
经发射天线照射目标，目标反射含有距离延时与多普勒信息的射频回波信号s
τ
到接收天线；在高频接收机中，参考
本振信号sr对射频回波信号s
τ
去斜处理并经过滤波后得到低频回波信号sh，然后可以根据目标射频回波信号的信噪比，按需调整增益控制码从而调节回波信号增益并抑制杂波信号，获取不同信噪比的低频回波信号sh。
71.在微波域去斜处理过程中，由于预置功率放大器与高频接收组件之间参考本振信号sr相对发射信号s
t
的传输延时极短可以忽略不计，此时，参考本振信号sr和发射信号s
t
可采用如下公式表示：
[0072][0073]
其中，k＝b/t，f0为光载波频率，b为信号带宽，t为信号脉宽，k为信号斜率，如果不考虑信号的幅度等的变化，只考虑相位的变化，则射频回波信号s
τ
可以采用如下公式表示：
[0074][0075]
其中，τ＝2(l
0-vt)/c，τ为目标的延时，c为电磁传播速度，l0为目标相对雷达的径向距离初始值，v为目标相对雷达的径向速度。
[0076]
进一步的，可使用参考本振信号sr对射频回波信号s
τ
进行去斜，得到低频回波信号sh，表示为：
[0077][0078]
其中，fh＝kτ，由此可见，混频去斜的低频回波信号sh为固定频率的单频信号，且频率fh与回波延时τ成正比。
[0079]
进一步的，将低频回波信号sh送入数字信号处理机，进行采样、傅里叶变换、运动补偿等处理后即可得到高分辨率目标态势感知数据，通过仿真软件将数据进行还原重构可得到目标态势感知图像。
[0080]
综上所述，本发明采用微波与光学相结合的方式，将线性调频信号与微波上变频本振信号进行混频产生低频低带宽微波输入信号，并在电光调制器中将该微波输入信号调制到光载波信号上，通过调整电光调制器工作点为最大传输点使其产生偶数阶光边带调制光信号，该调制光信号经光纤光栅滤波后保留2个正负二阶边带光谱，再由光电探测器对所述2个正负二阶边带光谱进行光电转换与放大，得到高频高带宽的微波输出信号，然后将微波输出信号输入至预置功率放大器，经过滤波与放大，一路作为发射信号经发射天线辐射到目标上，另一路经衰减后作为参考本振信号连接到高频接收机，目标反射的射频回波信号经接收天线进入所述高频接收机，然后采用参考本振信号对射频回波信号在微波域去斜处理得到含有目标信息的低频回波信号，数字信号处理机对该低频回波信号进行采样、脉冲压缩、傅里叶变换、运动补偿等处理后得到成像数据，再经软件还原得到高分辨目标微波态势影像，由此可解决传统微波雷达在目标态势感知分辨率提高以及目标复杂环境适应性出现的瓶颈，并能够提高目标感知分辨率以获取更佳的成像效果，并且可提升目标态势感知雷达的探测能力，以及本发明能够有效解决微波高频段元器件成本高昂、可塑性不好、难以适应复杂电磁与辐射环境的问题3002
[0081]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0082]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。