全波段覆盖的超宽带全光雷达系统

摘要

一种全波段覆盖的超宽带全光雷达系统，包括信号发射机、收发模块、信号接收机。所述的信号发射机包括锁模激光器、第一色散模块、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光滤波器、第二色散模块、第二光滤波器、第一可调延时模块、第三光耦合器、光放大器、第一光电探测器；所述的收发模块包括波段选择开关、第一电放大器阵列、T/R组件阵列、天线阵列、第二电放大器阵列；信号接收机包括第三光滤波器、第二可调延时模块、电光调制器、第三色散模块、第二光电探测器、模拟-数字转换模块、信号处理模块。本发明具有宽带信号的中心频率、带宽和时间宽度的连续可调，相参高和测量精度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及微波光子学和雷达领域，具体是一种全波段覆盖的超宽带全光雷 达系统。

背景技术

自20世纪80年代以来，随着光子学技术的发展，全光雷达的概念被提出并 在国内外相关研究领域引起了广泛重视。由于光子学技术本身具有大带宽、低损 耗、低抖动等优势，其在雷达系统中的应用可以突破传统的微波/毫米波雷达系 统中存在的“电子瓶颈”的限制，为实现更高频率、更大带宽的宽带信号产生、 接收和处理提供了新的技术途径。针对雷达系统对信号载频和捷变性的要求，意 大利的P.Ghelfi等人基于光子学技术实现了全光相参雷达系统(参见P.Ghelfi,F. Laghezza,andF.Scotti,“Afullyphotonics-basedcoherentradarsystem,”Nature,vol. 507,no.7492,pp.341-345,2014)。在该系统中，雷达信号的产生和接收基于同一 台锁模激光器，从而保证了系统的高度相参，可有效抑制了相位噪声抖动，并提 高了雷达的探测精度。在对40GHz工作频率的窄带雷达的演示验证中，该系统 具有更高的量化保真度和测试精度。由于该系统的优异性能，P.Ghelfi等人的研 究成果有望成为下一代雷达系统的设计准则(参见J.McKinney,“Technology: Photonicsilluminatesthefutureofradar,”Nature,2014,vol.507,no.7492,pp. 310-312,Mar.2014)。

与其他无线电技术一样，雷达系统只能良好地工作在预先设计的波段上。多 波段雷达可以同时或交叉选通地工作在不同波段，因此发现目标的概率比普通雷 达高。多波段宽带雷达发射的信号包含许多频率分量，因此它能够突破窄频段吸 波材料的吸波效应，有效提升雷达的反隐身探测能力。多波段雷达有利于抑制和 回避敌方施放的干扰，对提高分辨率，降低多径损耗，增强自身的生存率都有积 极作用。(参见束咸荣，何丙发.多频段雷达[C].信息产业部雷达专业情报网第 十五届年会论文集.2003:26-32)。

在实际应用中，微波/毫米波雷达多采用以下信号形式：短脉冲信号、相位 编码信号及线性调频脉冲信号。在高精度测距中，短脉冲信号对脉冲的要求相当 高，需要极窄的脉冲宽度，因此基于短脉冲信号的收发技术通常很难实现。相位 编码信号按照一定的时间间隔在连续载波上加载相位信息来实现，其测试精度和 旁瓣拟制比较高，但实现难度高且受多普勒效应的影响和本身动态范围的限制， 不适用于大带宽系统。相比之下，线性调频脉冲信号在高精度的测距和雷达探测 中应用广泛，调频带宽决定着测距精度，是微波/毫米波雷达系统的理想选择。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种全波段覆盖的超宽带 全光雷达系统。采用同一台低抖动、宽光谱的锁模激光器分别产生和接收超宽带 线性调频脉冲信号，确保收发系统的高相参和测量的高精度。信号发射机利用了 锁模激光器的宽光谱和两臂上非平衡的色散啁啾，可实现超宽带信号的中心频率、 带宽和时间宽度的连续可调，从而实现全波段覆盖或任一工作波段的超宽带雷达 信号产生。信号接收机利用基于锁模激光器的时间拉伸技术压缩宽带信号的中心 频率和带宽，大幅削弱后端模拟-数字转换和处理的压力，然而目标探测的距离 分辨率仍然保持时间拉伸之前的精度。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种全波段覆盖的超宽带全光雷达系统，特电在于其构成包括信号发射机、 收发模块和信号接收机；所述的信号发射机包括锁模激光器、第一色散模块、第 一光耦合器、第二光耦合器、第一光滤波器、第二色散模块、第二光滤波器、第 一可调延时模块、第三光耦合器、光放大器和第一光电探测器；所述的收发模块 包括波段选择开关、第一电放大器阵列、T/R组件阵列、天线阵列、第二电放大 器阵列；所述的信号接收机包括第三光滤波器、第二可调延时模块、电光调制器、 第三色散模块、第二光电探测器、模拟-数字转换模块、信号处理模块，上述各 部件的位置关系如下：

所述的锁模激光器输出端经第一色散模块接第一光耦合器的输入端，该第一 光耦合器分为第一输出端和第二输出端：所述的第一光耦合器的第一输出端接第 二光耦合器的输入端，所述的第二光耦合器将光路分为第一光路和第二光路，所 述的第一光路依次是第一光滤波器、第二色散模块至第三光耦合器的输入端，所 述的第二光路依次是第二光滤波器、第一可调延时模块至第三光耦合器的输入端， 所述的第三光耦合器将第一光路和第二光路的信号耦合到一起输出经光放大器 进入第一光电探测器，该第一光电探测器将光信号转换为电信号输入到所述的收 发模块的波段选择开关的输入端口，所述的波段选择开关具有2个以上输出端口， 每个输出端口依次连接相应波段的第一电放大器阵列电放大器、T/R组件阵列的 T/R组件和天线阵列的天线构成相应波段的通道，所述的天线阵列发射的电信号 经代称目标返回的回波信号依次经过相应波段的天线阵列、T/R组件阵列、第二 电放大器阵列的通道形成目标回波电信号，输入到所述的电光调制器(3－3)的 射频输入端；

所述的第一光耦合器的第二输出端的光信号依次经过所述的第三光滤波器、 第二可调延时模块输入到所述的电光调制器的光输入端形成光脉冲载波；

所述的电光调制器将所述的目标回波电信号加载到所述的的光脉冲载波上， 形成与所述的目标回波电信号相对应的回波调制光信号，所述的电光调制器输出 的回波调制光信号依次经过第三色散模块、第二光电探测器、模拟-数字转换模 块进入所述的信号处理模块。

所述的锁模激光器是一台低抖动、宽谱的锁模激光器。

所述的第三光滤波器的滤波带宽大于第一光滤波器和第二光滤波器的滤波 带宽。

在所述的信号发射机中，宽带线性调频信号的产生原理是基于光谱滤波及非 平衡的色散啁啾(参见H.Zhang,W.Zou,andJ.Chen,“Generationofwidely tunablelinearly-chirpedmicrowavewaveformbasedonspectralfilteringand unbalanceddispersion,”OpticsLetters,vol.40,no.6,pp.1085-1088,2015)。通过调 节第一可调光滤波器和第二可调光滤波器的中心波长和滤波带宽，以改变产生的 宽带线性调频信号的中心频率和扫频带宽。

在所述的信号接收机中，收发模块输出的信号通过电光转换后，借鉴时间拉 伸原理(参见Y.HanandB.Jalali,Photonictime-stretchedanalog-to-digitalconverter: Fundamentalconceptsandpracticalconsiderations,JournalofLightwaveTechnology, vol.21,no.12,pp.3085-3103,2003)实现带宽压缩与下变频。雷达回波信号通过 电光调制器加载到预先色散啁啾的光脉冲载波上，形成和雷达回波信号相对应的 调制光信号。第三光滤波器的滤波带宽需要大于第一光滤波器、第二光滤波器的 滤波带宽，再适当调节第二可调延时模块，使得多个目标的回波都能加载到光载 波上。通过一段有更大色散量的第三色散模块，经过第二光电探测器得到时间上 被拉伸数倍的电信号。若第一色散模块和第三色散模块的色散系数分别为D1和 D3，拉伸倍数M将由它们之比决定：

$M=\frac{D_3}{D_1}+1$

待采样射频信号在时间上被拉伸，等效于频率域中被压缩，从而大幅削弱后 端模拟-数字转换模块的带宽和采样率的压力。模拟-数字转换后的信号再通过数 字信号处理提取出有用的目标信息，且目标探测的距离分辨率仍然保持时间拉伸 之前的精度。

本发明具有以下优点：

1、本发明信号发射机和信号接收机基于相同的锁模激光器，可确保信号产 生和处理过程的高度相参，从而大幅提高本发明的测量精度。

2、本发明通过调节第一光滤波器和第二光滤波器，可以产生全波段覆盖或 任一波段的超宽带线性调频信号。

3、本发明的信号接收机利用了时间拉伸技术，将待采样信号在时间上拉伸、 在频率域中压缩，从而大幅削弱后端模拟-数字转换模块的带宽和采样率的压力。

4、本发明的全波段覆盖或不同波段的雷达信号采用可切换的收发通道，实 现了全波段覆盖的收发一体化。

5、本发明的目标探测分辨率由发射机产生的超宽带雷达信号带宽决定，与 时间拉伸倍数无关。

附图说明

图1为本发明全波段覆盖的超宽带全光雷达系统的结构示意图。

图2为收发模块的结构示意图。

图3为产生的全波段覆盖的超宽带线性调频信号特征的测试结果。(a)时域 波形，(b)短时傅里叶变换分析。

图4为产生的不同波段的线性调频信号的短时傅里叶变换分析的测试结果。 (a)X波段，(b)Ku波段，(c)Ka波段。

图5为使用所产生的X波段信号作为示例，进行的单目标探测和双目标探 测的实验示意图。(a)单目标，(b)双目标。

图6为单目标探测中，时间拉伸前后X波段线性调频信号的时域波形及其 短时傅里叶变换分析的测试结果。(a)拉伸前时域波形，(b)拉伸后时域波形，(c) 拉伸前短时傅里叶变换分析，(d)拉伸后短时傅里叶变换分析。

图7为双目标探测中，不同目标间距时的测试结果。(a)当距离为～6.3cm， 时间拉伸后的时域波形，(b)当距离为～15.0cm，时间拉伸后的时域波形，(c)当 距离为～6.3cm，匹配滤波处理后两个目标的位置，(d)当距离为～15.0cm，匹配 滤波处理后两个目标的位置。

具体实施方式

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应限于 下述的实施例。

图1为本发明全波段覆盖的超宽带全光雷达系统的结构示意图，如图所示， 一种全波段覆盖的超宽带全光雷达系统包括信号发射机1、收发模块2和信号接 收机3。所述的信号发射机1包括锁模激光器1-1、第一色散模块1-2、第一光耦 合器1-3、第二光耦合器1-4、第一光滤波器1-5、第二色散模块1-6、第二光滤 波器1-7、第一可调延时模块1-8、第三光耦合器1-9、光放大器1-10、第一光电 探测器1-11；

所述的信号接收机3包括第三光滤波器3-1、第二可调延时模块3-2、电光 调制器3-3、第三色散模块3-4、第二光电探测器3-5、模拟-数字转换模块3-6、 信号处理模块3-7。

图2为所述的收发模块2的结构示意图，如图所示，收发模块包括波段选择 开关2-1、第一电放大器阵列2-2、T/R组件阵列2-3、天线阵列2-4、第二电放 大器阵列2-5。

上述元部件的连接关系如下：

所述的锁模激光器1-1输出的脉冲信号先经过第一色散模块1-2，再由第一 光耦合器1-3分为两部分，一部分进入第二光耦合器1-4，另一部分进入第三光 滤波器3-1。第二光耦合器1-4将光路分为第一光路和第二光路，所述的第一光 路依次是第一光滤波器1-5、第二色散模块1-6至所述的第三光耦合器1-9，所述 的第二光路依次是第二光滤波器1-7、第一可调延时模块1-8至所述的第三光耦 合器1-9。该第三光耦合器1-9将第一光路和第二光路的信号耦合到一起，依次 进入光放大器1-10、第一光电探测器1-11。所述的第一光电探测器1-11将光信 号转换为电信号，第一光电探测器1-11输出的电信号输入到收发模块。根据信 号的波段，所述的波段选择开关2-1将切换到对应的通路，所述的波段选择开关 2-1的多个输出端分别依次连接第一电放大器阵列2-2、T/R组件阵列2-3、天线 阵列2-4形成多个通路。经所述的天线阵列2-4发射的信号经被测物体返回的回 波信号依次经过相应的天线阵列2-4、T/R组件阵列2-3和第二电放大器阵列2-2 通道输入所述的电光调制器3-3的射频输入端。第一光耦合器1-3的第二输出端 的光信号在依次经过第三光滤波器3-1、第二可调延时模块3-2后，输入到电光 调制器3-3的光输入端。所述的电光调制器3-3的输出信号依次经过第三色散模 块3-4、第二光电探测器4-5、模拟-数字转换模块3-6进入所述的信号处理模块 3-7。

本发明的工作原理如下：

在图1的信号发射机中，宽带线性调频信号的产生是基于光谱滤波及第一光 路、第二光路上非平衡的色散啁啾。通过调节第一可调光滤波器1-5和第二可调 光滤波器1-7的中心波长和滤波带宽，可以改变产生的宽带线性调频信号的中心 频率和扫频带宽。

图2为收发模块的结构示意图。当产生不同波段的信号时，波段选择开关切 换到对应通道。收发模块将信号发射机产生的信号经过放大后通过天线发射出去， 并接收、放大回波信号。

图3为产生的全波段覆盖的超宽带线性调频信号的实验结果，其中，(a)为 时域波形、(b)为短时傅里叶变换分析。信号的频率范围约为5-60GHz，时间宽 度为～23ns，时间带宽积达到～1265。

图4为产生的不同波段的线性调频信号的短时傅里叶变换分析的实验结果， 其中，(a)X波段(8-12GHz)，(b)Ku波段(12-18GHz)，(c)Ka波段(26.5-40GHz)。 信号发射机产生的信号验证了全波段覆盖或任一波段的超宽带雷达系统能力。

为了验证本发明的可行性，信号发射机产生X波段雷达信号对目标进行探 测，信号接收机接收回波信号进行初步实验验证。图5为使用本发明所产生的X 波段雷达信号为例，进行单目标探测和双目标探测的示意图。在图5(a)(b)中，信 号发射和信号接收使用两个独立的X波段喇叭天线，两天线同方向平行地放置， 待探测的目标是垂直于信号发射方向的金属平面。若采用含T/R组件的收发一体 天线，效果等同。

在所述的信号接收机中，收发模块的回波信号通过基于时间拉伸的接收系统 实现带宽压缩与下变频。利用时间拉伸原理，电信号通过电光调制器加载到预先 色散啁啾的光脉冲载波上，形成和电信号相对应的调制光信号。第三光滤波器 3-4的滤波带宽需要大于第一光滤波器1-5、第二光滤波器1-7的滤波带宽，再适 当调节第二可调延时模块3-2，使得多个目标的回波都能加载到光载波上。通过 一段有更大色散量的第三色散模块3-4，经过第二光电探测器3-5可以得到时间 上被拉伸数倍的电信号。待采样射频信号在时间上被拉伸，等效于频率域中被压 缩，从而大幅削弱后端模拟-数字转换模块3-6的带宽和采样率的压力。图6为 单目标探测中，时间拉伸前后X波段线性调频信号的时域波形及其短时傅里叶 变换分析对比图。图6(a)(c)分别为所产生的X波段信号的时域波形和短时傅里 叶变换分析的实验结果，图6(b)(d)分别为反射的X波段回波经过时间拉伸后的 时域波形和短时傅里叶变换分析的实验结果。经过时间拉伸，X波段信号在时域 上拉伸约为原来时间的5倍，信号的频率和带宽均被压缩了约5倍。时间拉伸后 被压缩的频率和带宽使后端信号量化处理的压力被削弱的可行性得以验证。

利用宽带线性调频信号进行目标探测可获得较好的目标特性，距离分辨率由 发射信号的带宽决定。模拟-数字转换后的信号再通过数字信号处理提取出有用 的目标信息。目标探测的距离分辨率仍然保持时间拉伸之前的精度。图7为双目 标探测中不同目标间距时的测试结果。图7(a)是当距离为～6.3cm，时间拉伸后的 时域波形，图7(b)是当距离为～15.0cm，时间拉伸后的时域波形，图7(c)是当距 离为～6.3cm，匹配滤波处理后两个目标的位置，图7(d)是当距离为～15.0cm，匹 配滤波处理后两个目标的位置。X波段信号虽然在信号接收机中经过了时间拉伸 及频率压缩处理，但是仍然保持原有超宽带信号的探测精度。