微波光子全极化雷达探测方法及微波光子全极化雷达

摘要

本发明公开了一种微波光子全极化雷达探测方法。其包括：1、对光载波、复数基带信号和射频本振信号在光域进行上变频处理，产生两路相互正交的射频信号以及一路光参考信号；2、将两路相互正交的射频信号分别送入水平和垂直极化天线，同时辐射出两路正交的极化电磁波以照射目标；用水平和垂直极化天线接收目标的回波，得到两路回波信号；3、对两路回波信号及光参考信号在光域进行去斜和极化响应分离处理，得到分别对应目标极化散射矩阵中的四个元素的四路中频模拟电信号；4、对四路中频模拟电信号进行处理，得到目标探测信息。本发明还公开了一种微波光子全极化雷达。本发明能有效解决全极化雷达带宽受限、结构复杂以及难以瞬时测量的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及微波光子新体制雷达系统，尤其涉及一种微波光子全极化雷达探测方法及微波光子全极化雷达。

背景技术

雷达是人类利用无线电波感知环境的重要手段，在军用和民用领域具有广泛应用。近些年，战场侦查、遥感测绘、环境监测以及无人驾驶等领域对高分辨目标探测与成像提出了巨大需求，这要求雷达具有宽带工作能力。然而，传统的微波技术在实现宽带信号产生与处理等功能时均遇到巨大挑战，难以满足高分辨雷达的技术需求。近些年兴起的微波光子技术通过光子学手段实现微波信号的产生、处理与传输，具有高频、宽带、低损耗、抗电磁干扰等优势，是突破宽带雷达技术瓶颈的有效解决途径。基于微波光子技术构建的微波光子雷达已成为当今国际的研究热点，对利用微波光子雷达进行测距、测速与合成孔径成像的研究结果已经证明了宽带微波光子雷达在实现高分辨探测与成像方面的巨大优势。

除目标位置参数和速度信息之外，目标的极化响应也蕴涵了重要的目标特性，有助于实现高性能目标识别与成像。这里的极化响应包含目标反射强度随探测波极化态的变化，以及目标反射波极化态相对探测波极化态的改变。根据极化分解原理，目标极化响应的全部信息可用极化散射矩阵中的四个元素，即水平极化探测下的水平极化响应、水平极化探测下的垂直极化响应、垂直极化探测下的水平极化响应、垂直极化探测下的垂直极化响应推导得出。传统雷达在实现全极化探测时，不仅信号带宽受到限制，系统结构也较为复杂。同时，为避免极化响应的混叠，水平极化波与垂直极化波通常需要交替发射，测量以上四方面极化响应需要两个脉冲周期，这对瞬态极化信息的获取十分不利。因此，研究能够同时得到极化散射矩阵中四个元素的宽带全极化雷达探测方法，及结构简化的全极化雷达收发机是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子全极化雷达探测方法，通过紧凑的微波光子收发机结构实现大带宽同时全极化雷达探测，能有效解决全极化雷达带宽受限、结构复杂以及难以瞬时测量的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子全极化雷达探测方法，包括以下步骤：

步骤1、对光载波、复数基带信号和射频本振信号在光域进行上变频处理，产生两路相互正交的射频信号以及一路光参考信号；所述光载波为频率为f_c的单音光信号；所述复数基带信号为频率范围-B/2～+B/2，调频斜率为k的线性调频信号；所述射频本振信号为频率为f_m的单音射频信号；所述两路相互正交的射频信号为中心频率f_e，带宽为B，调频斜率分别为±k的线性调频信号，其中f_e是f_m的整数倍；所述光参考信号由cos(2πf_ct-2πf_et)、cos(2πf_ct+πkt²)、cos(2πf_ct+2πf_et)这三个分量叠加构成；

步骤2、将两路相互正交的射频信号分别送入水平极化天线和垂直极化天线，同时辐射出两路正交的极化电磁波以照射目标；用水平极化天线和垂直极化天线接收目标的回波，得到两路回波信号；

步骤3、对所得到的两路回波信号及所述光参考信号在光域进行去斜和极化响应分离处理，得到分别对应目标极化散射矩阵中的四个元素的四路中频模拟电信号；

步骤4、对所述四路中频模拟电信号进行处理，得到目标探测信息。

优选地，所述上变频处理具体如下：

步骤101、在X和Y两个偏振态上分别将所述射频本振信号和所述复数基带信号调制到所述光载波上，在其中一个偏振态上生成复数基带信号的光信号分量，在另一个偏振态上生成两个射频本振信号的光边带分量；

步骤102、将X和Y两个偏振态上的调制光信号叠加后分为两路，将其中一路叠加光信号分为两路，每路分别去除一个射频本振信号的光边带分量，然后分别转换为电信号，即产生所述两路相互正交的射频信号；另外一路叠加光信号作为所述光参考信号。

进一步优选地，通过将偏分复用双平行马赫曾德尔调制器设置为本振倍频模式或本振不倍频模式实现所述步骤101，具体如下：

本振倍频模式：其中一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最大点，两个子调制器的合成臂偏置于最小点，两个调制端口分别接所述射频本振信号经过90°微波电桥后产生的两路相差为90°的本振信号；另一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最小点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点，两个调制端口分别接所述复数基带信号分解成的I、Q两路实信号；

本振不倍频模式：其中一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最小点，两个子调制器的合成臂偏置于任意点，两个调制端口中的一个接所述射频本振信号，另一个调制端口接匹配负载或不接；另一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最小点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点，两个调制端口分别接复数基带信号分解成的I、Q两路实信号。

进一步优选地，所述将其中一路叠加光信号分为两路，每路分别去除一个射频本振信号的光边带分量，具体通过以下方式实现：一个1:1光功分器连接两个光带通滤波器，或者多通道可编程光滤波器，或者光波分复用解复用器。

优选地，所述去斜和极化响应分离处理具体如下：

步骤301、将水平极化、垂直极化两个天线接收到的信号分别调制到X和Y两个偏振态，完成电光转换与光域去斜；

步骤302、从完成电光转换与光域去斜的光信号中挑选出正斜率线性调频射频信号的去斜边带和负斜率线性调频射频信号的去斜边带，然后分别进行偏振解复用、光电转换，得到分别对应目标极化散射矩阵中的四个元素的四路中频模拟电信号。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种微波光子全极化雷达，包括：

光域信号上变频模块，用于对光载波、复数基带信号和射频本振信号在光域进行上变频处理，产生两路相互正交的射频信号以及一路光参考信号；所述光载波为频率为f_c的单音光信号；所述复数基带信号为频率范围-B/2～+B/2，调频斜率为k的线性调频信号；所述射频本振信号为频率为f_m的单音射频信号；所述两路相互正交的射频信号为中心频率f_e，带宽为B，调频斜率分别为±k的线性调频信号，其中f_e是f_m的整数倍；所述光参考信号由cos(2πf_ct-2πf_et)、cos(2πf_ct+πkt²)、cos(2πf_ct+2πf_et)这三个分量叠加构成；

水平极化天线和垂直极化天线，用于将两路相互正交的射频信号辐射出两路正交的极化电磁波以照射目标，并接收目标的回波，得到两路回波信号；

光域去斜和极化分离模块，用于对所得到的两路回波信号及所述光参考信号在光域进行去斜和极化响应分离处理，得到分别对应目标极化散射矩阵中的四个元素的四路中频模拟电信号；

数据处理模块，用于对所述四路中频模拟电信号进行处理，得到目标探测信息。

优选地，所述光域信号上变频模块包括：

电光调制模块，用于在X和Y两个偏振态上分别将所述射频本振信号和所述复数基带信号调制到所述光载波上，在其中一个偏振态上生成复数基带信号的光信号分量，在另一个偏振态上生成两个射频本振信号的光边带分量；

偏振分束器，用于将X和Y两个偏振态上的调制光信号叠加后分为两路；

光处理器，用于将偏振分束器输出的其中一路叠加光信号分为两路，每路分别去除一个射频本振信号的光边带分量；

光电转换模块，用于对光处理器输出的两路光信号进行光电转换。

优选地，所述电光调制模块为设置为本振倍频模式或本振不倍频模式的偏分复用双平行马赫曾德尔调制器，所述本振倍频模式和本振不倍频模式具体如下：本振倍频模式：其中一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最大点，两个子调制器的合成臂偏置于最小点，两个调制端口分别接所述射频本振信号经过90°微波电桥后产生的两路相差为90°的本振信号；另一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最小点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点，两个调制端口分别接所述复数基带信号分解成的I、Q两路实信号；

本振不倍频模式：其中一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最小点，两个子调制器的合成臂偏置于任意点，两个调制端口中的一个接所述射频本振信号，另一个调制端口接匹配负载或不接；另一个偏振态上的两个子调制器都偏置于最小点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点，两个调制端口分别接复数基带信号分解成的I、Q两路实信号。

优选地，所述光处理器具体为：一个1:1光功分器连接两个光带通滤波器，或者多通道可编程光滤波器，或者光波分复用解复用器。

优选地，所述光域去斜和极化分离模块包括：

电光调制模块，用于在X和Y两个偏振态上分别将水平极化、垂直极化两个天线接收到的信号分别调制到所述光参考信号上，完成电光转换与光域去斜；

光处理器，用于从完成电光转换与光域去斜的光信号中挑选出正斜率线性调频射频信号的去斜边带和负斜率线性调频射频信号的去斜边带；

两个偏振分束器，用于分别对正斜率线性调频射频信号的去斜边带和负斜率线性调频射频信号的去斜边带进行偏振解复用；

光电转换模块，用于两个偏振分束器输出的四路光信号分别进行光电转换，得到分别对应目标极化散射矩阵中的四个元素的四路中频模拟电信号。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1、相对于基于纯电子技术的全极化雷达，本发明可以产生并处理瞬时带宽更大的信号，有利于实现更高的测距和成像分辨率。

2、与现有微波光子雷达相比，本发明拓展了探测的维度，可实现极化响应信息的获取，而收发机的复杂度并未明显提升。

附图说明

图1为本发明微波光子全极化雷达的结构原理示意图；

图2为本发明微波光子全极化雷达一个优选实施例的结构示意图；

图3为光处理器甲的输入输出关系示意图；

图4为光处理器乙的输入输出关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

针对现有技术的不足，本发明的思路是通过设计紧凑的微波光子收发机结构，在一个脉冲周期内获取目标在同一频段下的极化散射矩阵，并保证高分辨测距与成像所需的瞬时带宽。

具体而言，本发明所提出的微波光子全极化雷达，包括：

光域信号上变频模块，用于对光载波、复数基带信号和射频本振信号在光域进行上变频处理，产生两路相互正交的射频信号以及一路光参考信号；所述光载波为频率为f_c的单音光信号；所述复数基带信号为频率范围-B/2～+B/2，调频斜率为k的线性调频信号；所述射频本振信号为频率为f_m的单音射频信号；所述两路相互正交的射频信号为中心频率f_e，带宽为B，调频斜率分别为±k的线性调频信号，其中f_e是f_m的整数倍；所述光参考信号由cos(2πf_ct-2πf_et)、cos(2πf_ct+πkt²)、cos(2πf_ct+2πf_et)这三个分量叠加构成；

水平极化天线和垂直极化天线，用于将两路相互正交的射频信号辐射出两路正交的极化电磁波以照射目标，并接收目标的回波，得到两路回波信号；

光域去斜和极化分离模块，用于对所得到的两路回波信号及所述光参考信号在光域进行去斜和极化响应分离处理，得到分别对应目标极化散射矩阵中的四个元素的四路中频模拟电信号；

数据处理模块，用于对所述四路中频模拟电信号进行处理，得到目标探测信息。

其基本结构如图1所示，激光器输出的光载波、基带信号发生器产生的复数基带信号、射频本振源输出的射频本振信号作为光域信号上变频模块的输入，光域信号上变频模块在光域对输入信号进行上变频处理，产生两路相互正交的射频信号以及一路光参考信号。所述光载波为频率为f_c的单音光信号；所述复数基带信号为频率范围-B/2～+B/2，调频斜率为k的线性调频信号；所述射频本振信号为频率为f_m的单音射频信号；所述两路相互正交的射频信号为中心频率f_e，带宽为B，调频斜率分别为±k的线性调频信号，其中f_e是f_m的整数倍；所述光参考信号由cos(2πf_ct-2πf_et)、cos(2πf_ct+πkt²)、cos(2πf_ct+2πf_et)这三个分量叠加构成。

两路相互正交的射频信号经功率放大后分别送入水平极化H天线和垂直极化V天线，H天线和V天线辐射出两路正交的极化电磁波以照射目标，并接收目标的回波，得到两路回波信号。

两路回波信号经低噪声放大后与光参考信号一起输入光域去斜和极化分离模块，在光域进行去斜和极化响应分离处理后，得到分别对应目标极化散射矩阵中的四个元素的四路中频模拟电信号S_VV、S_HV、S_VH、S_HH。

将四路中频模拟电信号S_VV、S_HV、S_VH、S_HH模数转换为数字信号后进行信号处理和存储，得到目标探测信息。

为了便于公众理解，下面以一个优选实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明。

本实施例中的微波光子全极化雷达，如图2所示，由基带信号发生模块、射频本振源、光域信号上变频模块(包含激光器、90°微波电桥、偏振控制器、偏分复用双平行马赫曾德尔调制器、光处理器甲、光电探测器)、射频放大与天线模块(包含功率放大器、低噪声放大器、水平极化天线和垂直极化天线)、光域去斜和极化响应分离模块(包含偏分复用马赫曾德尔调制器、光处理器乙、偏振控制器、偏振分束器、光电探测器)以及模数转换与数字信号处理和存储模块组成。其中，所述光处理器可采用多种方式实现，例如一个1:1光功分器连接两个光带通滤波器，或者多通道可编程光滤波器，或者光波分复用解复用器。

首先，由激光器产生光载波，设光载波的中心频率为f_c，则光载波可表示为

E_c(t)＝cos(2πf_ct)(1)

下面由偏分复用双平行马赫曾德尔调制器分别在X与Y两个偏振态上对光载波进行强度调制。X(此处X与Y两个偏振态可互换，现以X为例进行说明)偏振态的两路调制信号来自基带信号发生模块，分别为复数线性调频信号的实部和虚部

S_ILFM(t)＝cos(πkt²)(2)

S_QLFM(t)＝sin(πkt²)(3)

其中k为调频斜率，不妨设k>0。调节直流偏压，将X偏振态上的两个子调制器都偏置于最小点，子调制器的合成臂偏置于正交点，则X偏振态上调制器的输出信号可表示为：

E_X(t)∝cos(2πf_ct)×cos(πkt²)-sin(2πf_ct)×sin(πkt²)(4)

即：

E_X(t)∝cos(2πf_ct+πkt²)(5)

另一个偏振态Y上的两路调制信号是由微波源产生的射频本振信号。其中，在本振倍频模式下，微波源产生的射频本振信号频率为f_e/2，两个子调制器都偏置于最大点，子调制器的合成臂偏置于最小点，两个调制端口分别接由所述微波源发出的，经过90°微波电桥后产生的两路相差为90°的射频本振信号；而在本振不倍频模式下，微波源产生的射频本振信号频率为f_e，两个子调制器都偏置于最小点，子调制器的合成臂偏置于任意点，两个调制端口一个接射频本振信号，另一个接匹配负载或不接。这样，在两种模式下Y偏振态上得到的信号都可以表示为：

E_Y(t)∝cos(2πf_ct+2πf_et)+cos(2πf_ct-2πf_et)(6)

经过调制的信号E_X、E_Y通过偏振分束器后分成两路，一路送入光域去斜和极化响应分离模块用作电光转换的载波，即光参考信号，记为E_PBS1；另一路送入光处理器甲用于发射信号的产生，记为E_PBS2。设偏振分束器的检偏角为45°，则经过偏振分束器后的两路信号如(7)式表示：

E_PBS2经过光处理器甲后分成两路，每路分别去除一个本振边带，如图3所示。则两路信号分别为

E_OP1，1(t)∝cos(2πf_ct+πkt²)-cos(2πf_ct+2πf_et)(8)

E_OP1，2(t)∝cos(2πf_ct+πkt²)-cos(2πf_ct-2πf_et)(9)

两路信号分别进入光电探测器进行光电转换，再经过功率放大，即得到水平极化(H)天线和垂直极化(V)天线的激励信号波形

其中PD(·)代表分别因光电探测器响应速度限制和交流耦合而舍去光频分量与直流分量的运算。可见，生成的发射信号是两路中心频率为f_e，调频斜率分别为-k和k的线性调频波。

接收端也有水平和垂直极化天线各一个，用于接收目标在两种极化激励下可能散射的HH、HV、VH、VV四种回波(接收端极化方式在前，发送端极化方式在后)。简化起见，现仅考虑目标只有一个散射点的情况。此时，两个天线接收到的信号为：

H天线(水平)：

V天线(垂直)：其中Δt_i表示回波信号的延迟，(i＝1,3时取负号，i＝2,4时取正号)表示回波信号附加的相位，η_HH、η_HV、η_VH、η_VV分别表示各路回波信号的强度。两个天线接收的信号通过低噪声放大器后分别被送入光域去斜和极化响应分离模块，并由偏分复用马赫曾德尔调制器的两个子调制器对分入两个偏振态的光载波E_PBS1进行强度调制(保留载波分量)。以S_HH信号为例，经S_HH调制后的光信号如(13)式表示：

注意到调制后的信号分量的频率f_c+f_e+kΔt₁中含有代表目标距离的信号延时信息，且与载波分量cos(2πf_ct+2πf_et)的频率f_c+f_e接近。同理，S_VH经过调制后有信号分量其频率f_c+f_e+kΔt₃中含有目标的位置信息，且与载波分量cos(2πf_ct+2πf_et)的频率f_c+f_e接近。

对于S_HV、S_VV，在调制后可分别获得信号与其目标位置信息分别在频率f_c-f_e+kΔt₂与f_c-f_e+kΔt₄中，且与载波分量cos(2πf_ct-2πf_et)的频率f_c-f_e接近。因此可通过光处理器乙分别在频率f_c+f_e处分离出S_HH、S_VH对应的回波信息，并在频率f_c-f_e处分离出S_HV、S_VV对应的回波信息，完成极化响应的分离。调制后的信号通过光处理器乙后分为两路，如图4所示，其中每一路都因为偏分复用而有两个独立的信号：

其中，E_HHOP2,1与E_VHOP2,1分别在两个互相垂直的光偏振态上，E_HVOP2,2与E_VVOP2,2也分别在两个互相垂直的光偏振态上。此时便可利用偏振分束器2和3将这四路信号分离并通过光电探测器进行光电转换，则去除直流分量和探测器无法响应的快变光频分量后的四路信号为

此时已得到信号去斜后的中频分量。以此为基础可通过傅里叶分析得到信号的延时，即目标的距离信息，并可通过多个相参脉冲间的相位关系得到目标的多普勒信息。