一种超宽带电磁涡旋微波光子雷达

技术领域

本发明涉及微波光子雷达技术领域，具体为一种超宽带电磁涡旋微波光子雷达。

背景技术

微波光子雷达是一种结合了微波学和光学技术的新型雷达，通过合理的光电转换链路，可以突破传统微波系统“电子瓶颈”的困境，实现更高的工作带宽和更高的工作频率，目前微波光子雷达中应用的天线结构多采用传统的宽带相控阵天线。

涡旋天线是近十几年新兴的一种天线形式，涡旋天线通过特殊天线结构或者特殊馈电方式构建具有螺旋相位特性的电磁波波前，利用电磁波中的轨道角动量使回波信号中包含目标方位向信息，使雷达与目标之间不需要发生相对运动就可以获得对目标在方位向上的信息。目前的涡旋雷达受限于电学的“电子瓶颈”限制，带宽多低于1GHz，此外涡旋雷达距离向分辨率随着工作带宽增加而增加，涡旋雷达空间分辨率随着工作频率提高而提高，因此涡旋雷达的工作带宽和工作频率限制了涡旋雷达性能的进一步提升。

涡旋天线接收到的回波信号中包含有目标方位向的信息，雷达与目标之间不需要发生相对运动就可以获得对目标在方位向的分辨能力。此外现有的涡旋雷达多工作在较窄频段范围内工作带宽多低于1GHz，并且涡旋雷达距离向分辨率随工作带宽增加而提高。

经检索，申请号为CN202010039665.9的专利公开了一种微波光子雷达实现方法及系统，包括发射链路、发射天线、接收链路、接收天线和数据处理与控制模块，所述发射链路，其一端与所述数据处理与控制模块连接，另一端与所述发射天线连接，用于提供所需要的雷达发射信号；

所述发射天线，其与所述发射链路连接，用于发射雷达信号；

所述接收链路，其一端与所述数据处理与控制模块连接，另一端与所述接收天线连接，用于从接收到的雷达信号中提取目标信息；

所述接收天线，其与所述接收链路连接，用于接收雷达信号；

所述数据处理与控制模块，其与所述发射链路和所述接收链路连接，用于控制所述雷达系统的时序、通信及回波信号中目标信号的提取；

基于微波光子技术构建了一套中心载频和带宽均可独立调谐且能满足高精度探测的微波光子雷达系统，采用相位调制器、相位调制器和相位调制器对发射链路与接收链路的信号进行不同的调制，实现了发射链路雷达波形的产生和接收链路回波信号的接收处理，采用多级相位调制器加光组合的滤波方式实现了载频与带宽均可调谐雷达信号，相位调制器不需要状态控制，能够使微波光子雷达实现方法的系统工作状态稳定，而且结构简单，可以由独立器件的系统进行集成化设计，实现低成本的微波光子雷达系统芯片，使系统能够稳定运行。

上述专利并未明确天线的类型，只说明为发射/接受天线，上述方案的雷达系统的工作频率范围、抗电磁干扰能力以及分辨率有待提升，且上述雷达系统的成像精度低，带宽较小，影响雷达方位角的分辨，因此我们需要提出一种超宽带电磁涡旋微波光子雷达。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带电磁涡旋微波光子雷达，具有工作频率范围大、强抗电磁干扰和高分辨率的特点，满足了战场对雷达系统抗电磁干扰的、高分辨率的应用需求，解决了现有技术中微波雷达带宽窄、分辨率低、抗干扰能力差、目标识别能力低的问题，为新一代装备性能提升提供技术基础，成像精度明显大于单一的微波光子雷达或者涡旋雷达，由于涡旋天线的径向分辨率与信号带宽直接相关，信号带宽越大，分辨率越高，而微波光子的信号具有大带宽的特点，因此在相同涡旋电磁波的条件下，电磁涡旋微波光子雷达方位角分辨可达传统电学结构的涡旋雷达4倍以上，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超宽带电磁涡旋微波光子雷达，包括激光器、低频信号发生器、MZM、EDFA、第一低损耗光纤、第一光电转换器、多频段阵列涡旋天线组、低噪声电放大器、第二低损耗光纤、第一滤波器、PM、第三低损耗光纤、第二滤波器、第二光电转换器和信号处理单元，所述激光器、MZM、EDFA和第一光电转换器依次通过光纤连接，传递光信号，所述EDFA和第一光电转换器之间通过第一低损耗光纤连接；

所述第一光电转换器、多频段阵列涡旋天线组、低噪声电放大器、第二低损耗光纤、第一滤波器和PM之间依次通过电缆连接，传递电信号，所述低频信号发生器通过电缆连接到MZM，所述EDFA通过第二低损耗光纤连接到PM，所述PM通过第三低损耗光纤连接到第二滤波器，所述第二滤波器通过光纤连接到第二光电转换器；所述多频段阵列涡旋天线组产生涡旋电磁波后发射出去，并接收目标反射的回波信号。

优选的，还包括由微波光子雷达和涡旋天线结合而成的涡旋微波光子雷达，所述微波光子雷达具有超宽带的特点，所述涡旋天线的成像精度与本身工作带宽相关，且涡旋天线相比传统的天线电磁波波束具有螺旋的相位波前，可以在不发生相对位移的前提下获得好的方位向和距离向分辨率，所述涡旋微波光子雷达的分辨率可以实现超过4倍的单一微波光子雷达和涡旋雷达的效果。

优选的，所述第二光电转换器将光信号转换为电信号，所述第二光电转换器通过电缆连接到信号处理单元。

优选的，所述MZM为马赫-曾德尔电光调制器，所述EDFA为光纤放大器，所述PM为相位调制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明具有工作频率范围大、强抗电磁干扰和高分辨率的特点，满足了战场对雷达系统抗电磁干扰的、高分辨率的应用需求，解决了现有技术中微波雷达带宽窄、分辨率低、抗干扰能力差、目标识别能力低的问题，为新一代装备性能提升提供技术基础；

2、本发明成像精度明显大于单一的微波光子雷达或者涡旋雷达，由于涡旋天线的径向分辨率与信号带宽直接相关，信号带宽越大，分辨率越高，而微波光子的信号具有大带宽的特点，因此在相同涡旋电磁波的条件下，电磁涡旋微波光子雷达方位角分辨可达传统电学结构的涡旋雷达4倍以上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明多频段阵列涡旋天线组的示意图。

图中：1、激光器；2、低频信号发生器；3、MZM；4、EDFA；5、第一低损耗光纤；6、第一光电转换器；7、频段阵列涡旋天线组；8、低噪声电放大器；9、第二低损耗光纤；10、第一滤波器；11、PM；12、第三低损耗光纤；13、第二滤波器；14、第二光电转换器；15、信号处理单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

在不同附图中以相同标号来标示相同或类似组件；另外请了解文中诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“端”、“部”、“段”、“宽度”、“厚度”、“区”等等及类似用语仅便于看图者参考图中构造以及仅用于帮助描述本发明而已，并非是对本发明的限定。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超宽带电磁涡旋微波光子雷达，包括激光器1、低频信号发生器2、MZM3、EDFA4、第一低损耗光纤5、第一光电转换器6、多频段阵列涡旋天线组7、低噪声电放大器8、第二低损耗光纤9、第一滤波器10、PM11、第三低损耗光纤12、第二滤波器13、第二光电转换器14和信号处理单元15，所述激光器1、MZM3、EDFA4和第一光电转换器6依次通过光纤连接，传递光信号，所述EDFA4和第一光电转换器6之间通过第一低损耗光纤5连接；

还包括由微波光子雷达和涡旋天线结合而成的涡旋微波光子雷达，所述微波光子雷达具有超宽带的特点，所述涡旋天线的成像精度与本身工作带宽相关，且涡旋天线相比传统的天线电磁波波束具有螺旋的相位波前，可以在不发生相对位移的前提下获得较好的方位向和距离向分辨率，所述涡旋微波光子雷达的分辨率可以实现超过4倍的单一微波光子雷达和涡旋雷达的效果；

所述第一光电转换器6、多频段阵列涡旋天线组7、低噪声电放大器8、第二低损耗光纤9、第一滤波器10和PM11之间依次通过电缆连接，传递电信号，所述低频信号发生器2通过电缆连接到MZM3，所述EDFA4通过第二低损耗光纤9连接到PM11，所述PM11通过第三低损耗光纤12连接到第二滤波器13，所述第二滤波器13通过光纤连接到第二光电转换器14。

所述多频段阵列涡旋天线组7产生涡旋电磁波后发射出去，并接收目标反射的回波信号。

回波信号通过低噪放和滤波后作为相位调制器的射频输入信号调制到光载波的相位域，第二滤波器13将光载波中多余频率分量滤除，通过光电探测器将回波信号下变频到低频段，送至信号处理单元15处理得到回波信息。

请参阅图2，多频段阵列涡旋天线组7可分为多种不同工作频率范围的阵列天线，包括18-22GHz/30-32GHz双频段涡旋阵列天线701、22-25GHz/32-35GHz双频段涡旋阵列天线702、25-28GHZ涡旋阵列天线703、27.5-30GHz涡旋阵列天线704、34-37GHz涡旋阵列天线705和36.5-40GHz涡旋阵列天线706。

本实施例中超宽带电磁涡旋微波光子雷达工作频率范围覆盖18～40GHz，角向分辨率达到π/N，径向分辨率达到c/2B，超实孔径雷达分辨率达到

所述第二光电转换器14将光信号转换为电信号，所述第二光电转换器14通过电缆连接到信号处理单元15。

所述MZM3为马赫-曾德尔电光调制器，所述EDFA4为光纤放大器，所述PM11为相位调制器。

本发明采用的是涡旋天线成像，不需要目标与雷达相对运动来合成孔径，并且兼具微波光子技术的大带宽、抗干扰和电磁涡旋技术的超高分辨率特性，带宽达到18～40GHz、角向分辨率达到0.5～1.5°，距离向分辨率达到0.05-0.2m。

以微波光子与电磁涡旋集成复用为基础，实现了工作频率范围覆盖18～40GHz范围的超宽带涡旋雷达，无需机械式扫描，即可实现雷达角向分辨率0.5°～1.5°，可显著提升成像分辨率，拓展了雷达应用领域。

综上所述，激光器1、MZM3、EDFA4和第一光电转换器6依次通过光纤连接，传递光信号，EDFA4和第一光电转换器6之间通过第一低损耗光纤5连接，第一光电转换器6、多频段阵列涡旋天线组7、低噪声电放大器8、第二低损耗光纤9、第一滤波器10和PM11之间依次通过电缆连接，传递电信号，低频信号发生器2通过电缆连接到MZM3，EDFA4通过第二低损耗光纤9连接到PM11，PM11通过第三低损耗光纤12连接到第二滤波器13，第二滤波器13通过光纤连接到第二光电转换器14，多频段阵列涡旋天线组7产生涡旋电磁波后发射出去，并接收目标反射的回波信号，第二光电转换器14将光信号转换为电信号，第二光电转换器14通过电缆连接到信号处理单元15；

本发明具有工作频率范围大、强抗电磁干扰和高分辨率的特点，满足了战场对雷达系统抗电磁干扰的、高分辨率的应用需求，解决了现有技术中微波雷达带宽窄、分辨率低、抗干扰能力差、目标识别能力低的问题，为新一代装备性能提升提供技术基础，成像精度明显大于单一的微波光子雷达或者涡旋雷达，由于涡旋天线的径向分辨率与信号带宽直接相关，信号带宽越大，分辨率越高，而微波光子的信号具有大带宽的特点，因此在相同涡旋电磁波的条件下，电磁涡旋微波光子雷达方位角分辨可达传统电学结构的涡旋雷达4倍以上。

本发明专利指出当涡旋天线应用在微波光子雷达时在成像精度上可以产生明显优于普通涡旋雷达和普通微波光子雷达的成像效果。

本具体实施例提出的超宽带电磁涡旋微波光子雷达具有分辨率更高的特点，可以更好的满足战场上对雷达更高分辨率的应用需求，解决了现有技术中微波雷达带宽窄、分辨率低、抗干扰能力差、目标识别能力低的问题，为新一代装备性能提升提供技术基础。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。