一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法

技术领域

本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，该方法属于微波光子与雷达相交叉的技术领域。

背景技术

雷达是20世纪电子工程领域内最重要的发明之一，利用无线电对目标进行探测。相比于光学以及红外探测手段，雷达具有的全天时、全天候、远距离工作的能力，在日常生活和军事领域中都具有广泛的应用。雷达需要对目标进行快速探测，为接下来的远距离预警、高精度定位、高分辨率成像等工作做好铺垫，这些都要求雷达系统具有更大的瞬时带宽以及更高的功能集成度。当前基于传统电子技术的雷达系统面临“电子瓶颈”的困扰，探测性能受到诸多限制，系统结构复杂，体积庞大。微波光子技术具有大带宽、抗电磁干扰、体积小、传输损耗低等优势，可在光域实现宽带雷达信号的产生及处理工作，为增强雷达探测系统性能提供了有效手段。

在对目标进行探测时，不仅要求雷达系统能够获得不同目标的距离信息以及方向信息，还要具有大范围的方向探测能力以同时探测来自各个方向的目标。能够同时对目标进行测距测向的微波光子雷达探测方法目前虽然已有报道，但多目标同时探测能力较差，方向探测范围较小。现有的微波光子雷达探测手段难以胜任在较大的方向探测范围内对多目标同时进行测距测向的任务。

发明内容

为了解决现有微波光子雷达探测技术难以在大方向范围内同时对多个目标进行距离、方向测量，从而导致现有方法不利于在实际的军事及民用环境中应用的问题，本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的天线阵列接收回波并对回波进行去斜处理。对去斜处理得到的去斜信号频率进行对称性分析，实现对不同目标的距离、方向探测信息的区分，最终完成对多目标的同时测距测向工作。

本发明具体技术方案如下：

一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，所述方法的具体实现链路包括激光源、马赫-曾德尔调制器、任意波形发生器、50:50光耦合器、第一光电探测器、前置功率放大器、发射天线、偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器、第一接收天线、第一低噪声放大器、第二接收天线、第二低噪声放大器、第三接收天线、第三低噪声放大器、偏振控制器、偏振分束器、第二光电探测器、第三光电探测器和信号采集与处理模块，其中，偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器包括上臂子调制器和下臂子调制器。d为第一接收天线和第二接收天线之间的基线长度，其长度与第二接收天线和第三接收天线之间的基线长度相等，所述方法包括以下步骤：

步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号，具体如下：

激光源产生的连续光信号输入马赫-曾德尔调制器作为光载波，马赫-曾德尔调制器的射频驱动信号为由任意波形发生器产生的中频线性调频信号，设置直流偏置电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，抑制载波和偶数阶边带，只保留奇数阶边带；

接下来，利用50:50光耦合器将马赫-曾德尔调制器的输出信号分成两路，其中一路输入第一光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号；

最后，先将该信号输入前置功率放大器进行放大，再利用发射天线发射，作为雷达探测信号。

步骤二：目标距离和方向的探测

利用50:50光耦合器将马赫-曾德尔调制器输出信号分出的另一路作为参考信号输入偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器做其载波。通过设置偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其上下两个子调制器均工作在正交偏置点。上下两臂的子调制器各有两个驱动信号，其中上臂子调制器的驱动信号为由第一接收天线接收、第一低噪声放大器放大的微波信号以及由第二接收天线接收、第二低噪声放大器放大的微波信号；下臂子调制器的驱动信号为由第二接收天线接收、第二低噪声放大器放大的微波信号以及由第三接收天线接收、第三低噪声放大器放大的微波信号。使用偏振控制器与偏振分束器对偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号。偏振分束器的两路输出信号分别经过第二光电探测器、第三光电探测器进行光电转换后，输出的电信号经过信号采集与处理模块采集与处理，可得到与目标距离、方向相关的低频信号。对低频信号进行求解以及频率分析，便可同时得到每一个目标的距离和方向信息，实现多目标的同时测距测向。

所述与第n个目标距离、方向有关的低频信号频率表示为：

式中，

f

f

f

·表示乘法运算，

n＝1、2、…、N，N为目标数量总数，

τ

τ

τ

所述第n个目标的距离信息R

其中，c为空气中的光速，d为天线的基线长度，k为任意波形发生器所产生中频线性调频信号的调频斜率，f

本发明在发射端，利用马赫-曾德尔调制器对任意波形发生器产生的中频线性调频信号进行二倍频操作，产生具有大瞬时带宽的线性调频信号，并作为探测信号发射到自由空间用于目标探测。在接收端，利用三个对称放置的天线(第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线)组成接收天线阵列，共同接收目标反射的回波信号。将三个接收天线接收到的回波信号作为偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号。使用偏振控制器和偏振分束器对偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号。最后，利用不同接收天线接收到的回波信号之间的关系以及回波信号与参考信号之间的关系实现多个目标方向和距离的同时探测，完成多目标的同时测距测向工作。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，将微波光子技术和雷达探测技术结合，利用对称结构的天线阵列接收目标回波信号，根据接收回波与参考信号的关系实现目标距离和方向的探测，根据不同天线接收回波去斜结果之间的频率关系，实现不同目标探测结果的区分，实现在大方向探测范围内对多个目标距离、方向的同时探测。相比于现有技术，本发明所述方法在很大程度上提高了基于微波光子技术的雷达对多目标同时探测的有效性，扩大了方向探测范围，使其更利于在军事及民用环境中的应用。

现有微波光子测向方法主要是根据回波信号的相位信息解算目标方向或通过在空间中进行波束扫描探测目标的方向。根据回波信号的相位信息解算目标方向时，测量精度易受激光器功率波动和调制器偏置点漂移的影响而下降；且为了实现无模糊方向测量，要求天线基线长度小于接收信号波长的一半，当接收信号频率较高波长较短时，过短的天线长度也会降低测量精度。通过在空间中进行波束扫描探测目标的方向时，受限于天线阻抗匹配、波束宽度随扫描角度增大而展宽等因素影响，波束扫描范围通常较小；且为提高方位探测分辨率，要求波束宽度很窄，导致扫描完整的空域需要较长的时间，无法做到大方向探测范围内多目标的实时探测。本发明基于接收回波信号与参考信号的频率差完成多个目标的距离、方向同时探测，对激光器功率波动和调制器偏置点漂移不敏感，因此具有更好的稳定性；接收天线的基线长度不必小于半波长，因此可以使用大孔径的接收天线阵列，以获得更高的探测精度；接收天线同时接收来自各个方向目标的回波信号，无需波束扫描而可以实现对大方向范围内空间的实时监测。经实验验证，本发明可以在-83.59°至83.19°的方向范围内有效进行多目标探测，而常见微波光子波束扫描雷达探测系统仅能在-60°至60°内对多目标进行有效探测。因此本发明具有更大的方向探测范围。

附图说明

图1为基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法的链路结构示意图。

图2为目标与雷达基线夹角为θ时接收天线阵列所接收到回波信号的示意图。

具体实施方式

为了解决现有微波光子雷达探测技术难以在大方向范围内同时对多个目标进行距离、方向测量，从而导致现有方法不利于在实际的军事及民用环境中应用的问题，本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的天线阵列接收回波并对回波去斜结果进行对称性分析，实现对大方向范围内不同目标的距离、方向探测信息的区分，最终完成对多目标的同时测距测向工作。

本发明的基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，过程如下：

激光源产生的连续光信号进入马赫-曾德尔调制器，作为光载波。所述马赫-曾德尔调制器的驱动信号由任意波形发生器产生，通过调节直流偏置电压使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，从而实现载波及偶数阶边带的抑制而保留奇数阶边带。马赫-曾德尔调制器的输出信号输入50:50光耦合器后分为两路，其中一路进入第一光电探测器，经过第一光电探测器光电转换后，得到倍频的线性调频信号。将所述倍频线性调频信号经过前置功率放大器放大后利用发射天线发射到自由空间，作为雷达探测信号。另一路作为参考信号输入偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器作为载波。采用具有对称结构的三天线接收阵列收集目标的回波信号。偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上下两臂子调制器的驱动信号分别为基线长度为d的第一接收天线、第二接收天线所接收到的微波信号和基线长度同样为d的第二接收天线、第三接收天线所接收到的微波信号。偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器输出信号是两路偏振方向正交的光信号，使用偏振控制器和偏振分束器对其进行偏振解复用后，得到两路分别携带不同接收回波信息的光信号。偏振分束器输出的两路光信号分别进入第二光电探测器和第三光电探测器进行光电转换后，再利用信号采集与处理模块对光电转换后的得到的光电流进行采集，得到与目标方向和距离相关的数个低频信号。对这些信号进行频率分析与关联性求解，可同时得到每一个目标的距离和方向信息，实现对多目标的距离、方向同时探测。

为了便于公众理解，下面结合附图和数学推导对本发明做进一步说明：

图1为本发明的基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法的链路结构示意图，包括激光源、马赫-曾德尔调制器、任意波形发生器、50:50光耦合器、第一光电探测器、前置功率放大器、发射天线、偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器、第一接收天线、第一低噪声放大器、第二接收天线、第二低噪声放大器、第三接收天线、第三低噪声放大器、偏振控制器、偏振分束器、第二光电探测器、第三光电探测器、信号采集与处理模块。

利用图1所示的链路结构，完成基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法过程如下：

步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号；

激光源产生的连续光信号可以被表示为E(t)＝E

式中，V

式中为J

接下来，利用50:50光耦合器将该信号分成两路，一路输入第一光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号，其可表示为：

分析可知二倍频后线性调频信号的瞬时频率与时间变量t的关系为f

步骤二：目标距离和方向的探测

将50:50光耦合器输出的另外一路光信号输入接收端的偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器作为参考信号。偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的上下两臂各自含有一个子调制器，上下两臂子调制器的驱动信号分别来自不同接收天线接收的回波信号。采用具有对称结构的三天线接收阵列接收目标回波。当总计存在N个目标时，假设第n个目标与雷达基线具有一定的夹角θ

式中R

式中S

将第一接收天线和第二接收天线所接收到的回波信号分别经过第一低噪声放大器和第二低噪声放大器放大后作为驱动信号输入到偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器中；将第二接收天线和第三接收天线所接收到的回波分别经过第二低噪声放大器和第三低噪声放大器放大后作为驱动信号输入到偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的下臂子调制器中。三个低噪声放大器的放大增益均为20dB。通过调节偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置电压，使偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的上下两个子调制器均工作在正交偏置点。三个低噪声放大器的输出信号的幅值均小于200mV，因此输入到偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器中的信号为小信号。此时，在小信号条件下，偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号可以表示为：

式中，

将光电流i

式中，f

传统的基于微波光子技术的方法直接对目标回波经过去斜处理后的频率进行计算以得到该目标的距离、方向信息。但是，当存在多个目标时，对回波进行去斜处理后得到的频率成分增多，频谱信息变得十分复杂，往往难以准确地确定每一个目标的回波经过去斜处理后得到的频率成分的具体值，因此难以通过频谱信息准确地计算每一个目标的距离和方向，极容易出现错误判断和计算，无法有效地对多目标进行距离和方向的同时探测。为了能够准确判断每一个目标回波经过去斜处理后得到的频率成分的具体值，并计算每一个目标的距离、方向，本发明采用对称结构的接收天线阵列接收回波，并结合偏振复用/解复用技术和微波光子去斜技术对接收回波进行处理，以实现对不同目标的同时距离、方向探测。由式(4)及式(8)可知，对于第n个目标，其回波信号的经过去斜处理后，得到的去斜信号包含三个对称的频率分量，即f

综上所述，本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的天线阵列接收回波并对回波去斜结果进行对称性分析，实现对不同目标的距离、方向探测信息的区分，最终完成对多目标的同时测距测向工作。