全波段覆蓋的超寬帶全光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波光子學(xué)和雷達(dá)領(lǐng)域，具體是一種全波段覆蓋的超寬帶全光雷達(dá)系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自20世紀(jì)80年代以來，隨著光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全光雷達(dá)的概念被提出并在國內(nèi) 外相關(guān)研究領(lǐng)域引起了廣泛重視。由于光子學(xué)技術(shù)本身具有大帶寬、低損耗、低抖動(dòng)等優(yōu) 勢(shì)，其在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用可以突破傳統(tǒng)的微波/毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中存在的"電子瓶頸"的 限制，為實(shí)現(xiàn)更高頻率、更大帶寬的寬帶信號(hào)產(chǎn)生、接收和處理提供了新的技術(shù)途徑。針對(duì) 雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)載頻和捷變性的要求，意大利的P. Ghelfi等人基于光子學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全 光相參雷達(dá)系統(tǒng)（參見 P. Ghelfi，F(xiàn). Laghezza, and F. Scotti,"A fully photonics-based coherent radar system, " Nature, vol. 507, no. 7492, ρρ· 341-345, 2014)。在該系統(tǒng)中， 雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生和接收基于同一臺(tái)鎖模激光器，從而保證了系統(tǒng)的高度相參，可有效抑制 了相位噪聲抖動(dòng)，并提高了雷達(dá)的探測(cè)精度。在對(duì)40GHz工作頻率的窄帶雷達(dá)的演示驗(yàn)證 中，該系統(tǒng)具有更高的量化保真度和測(cè)試精度。由于該系統(tǒng)的優(yōu)異性能，P. Ghelfi等人的 研究成果有望成為下一代雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（參見J. McKinney, "Technology:Photoni cs illuminates the future of radar，" Nature，2014, vol. 507, no. 7492, pp. 310-312, M ar. 2014) 〇
[0003] 與其他無線電技術(shù)一樣，雷達(dá)系統(tǒng)只能良好地工作在預(yù)先設(shè)計(jì)的波段上。多波段 雷達(dá)可以同時(shí)或交叉選通地工作在不同波段，因此發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率比普通雷達(dá)高。多波段 寬帶雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)包含許多頻率分量，因此它能夠突破窄頻段吸波材料的吸波效應(yīng)，有 效提升雷達(dá)的反隱身探測(cè)能力。多波段雷達(dá)有利于抑制和回避敵方施放的干擾，對(duì)提高分 辨率，降低多徑損耗，增強(qiáng)自身的生存率都有積極作用。（參見束咸榮，何丙發(fā).多頻段雷達(dá) [C].信息產(chǎn)業(yè)部雷達(dá)專業(yè)情報(bào)網(wǎng)第十五屆年會(huì)論文集.2003:26-32)。
[0004] 在實(shí)際應(yīng)用中，微波/毫米波雷達(dá)多采用以下信號(hào)形式：短脈沖信號(hào)、相位編碼信 號(hào)及線性調(diào)頻脈沖信號(hào)。在高精度測(cè)距中，短脈沖信號(hào)對(duì)脈沖的要求相當(dāng)高，需要極窄的脈 沖寬度，因此基于短脈沖信號(hào)的收發(fā)技術(shù)通常很難實(shí)現(xiàn)。相位編碼信號(hào)按照一定的時(shí)間間 隔在連續(xù)載波上加載相位信息來實(shí)現(xiàn)，其測(cè)試精度和旁瓣擬制比較高，但實(shí)現(xiàn)難度高且受 多普勒效應(yīng)的影響和本身動(dòng)態(tài)范圍的限制，不適用于大帶寬系統(tǒng)。相比之下，線性調(diào)頻脈沖 信號(hào)在高精度的測(cè)距和雷達(dá)探測(cè)中應(yīng)用廣泛，調(diào)頻帶寬決定著測(cè)距精度，是微波/毫米波 雷達(dá)系統(tǒng)的理想選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種全波段覆蓋的超寬帶全光 雷達(dá)系統(tǒng)。采用同一臺(tái)低抖動(dòng)、寬光譜的鎖模激光器分別產(chǎn)生和接收超寬帶線性調(diào)頻脈沖 信號(hào)，確保收發(fā)系統(tǒng)的高相參和測(cè)量的高精度。信號(hào)發(fā)射機(jī)利用了鎖模激光器的寬光譜和 兩臂上非平衡的色散啁嗽，可實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的中心頻率、帶寬和時(shí)間寬度的連續(xù)可調(diào)，從 而實(shí)現(xiàn)全波段覆蓋或任一工作波段的超寬帶雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生。信號(hào)接收機(jī)利用基于鎖模激光 器的時(shí)間拉伸技術(shù)壓縮寬帶信號(hào)的中心頻率和帶寬，大幅削弱后端模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換和處理 的壓力，然而目標(biāo)探測(cè)的距離分辨率仍然保持時(shí)間拉伸之前的精度。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種全波段覆蓋的超寬帶全光雷達(dá)系統(tǒng)，特電在于其構(gòu)成包括信號(hào)發(fā)射機(jī)、收發(fā) 模塊和信號(hào)接收機(jī)；所述的信號(hào)發(fā)射機(jī)包括鎖模激光器、第一色散模塊、第一光耦合器、第 二光親合器、第一光濾波器、第二色散模塊、第二光濾波器、第一可調(diào)延時(shí)模塊、第三光親合 器、光放大器和第一光電探測(cè)器；所述的收發(fā)模塊包括波段選擇開關(guān)、第一電放大器陣列、 T/R組件陣列、天線陣列、第二電放大器陣列；所述的信號(hào)接收機(jī)包括第三光濾波器、第二 可調(diào)延時(shí)模塊、電光調(diào)制器、第三色散模塊、第二光電探測(cè)器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處 理模塊，上述各部件的位置關(guān)系如下：
[0008] 所述的鎖模激光器輸出端經(jīng)第一色散模塊接第一光耦合器的輸入端，該第一光耦 合器分為第一輸出端和第二輸出端：所述的第一光親合器的第一輸出端接第二光親合器的 輸入端，所述的第二光耦合器將光路分為第一光路和第二光路，所述的第一光路依次是第 一光濾波器、第二色散模塊至第三光耦合器的輸入端，所述的第二光路依次是第二光濾波 器、第一可調(diào)延時(shí)模塊至第三光親合器的輸入端，所述的第三光親合器將第一光路和第二 光路的信號(hào)親合到一起輸出經(jīng)光放大器進(jìn)入第一光電探測(cè)器，該第一光電探測(cè)器將光信號(hào) 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到所述的收發(fā)模塊的波段選擇開關(guān)的輸入端口，所述的波段選擇開關(guān)具 有2個(gè)以上輸出端口，每個(gè)輸出端口依次連接相應(yīng)波段的第一電放大器陣列電放大器、T/R 組件陣列的T/R組件和天線陣列的天線構(gòu)成相應(yīng)波段的通道，所述的天線陣列發(fā)射的電信 號(hào)經(jīng)代稱目標(biāo)返回的回波信號(hào)依次經(jīng)過相應(yīng)波段的天線陣列、T/R組件陣列、第二電放大器 陣列的通道形成目標(biāo)回波電信號(hào)，輸入到所述的電光調(diào)制器（3 - 3)的射頻輸入端；
[0009] 所述的第一光耦合器的第二輸出端的光信號(hào)依次經(jīng)過所述的第三光濾波器、第二 可調(diào)延時(shí)模塊輸入到所述的電光調(diào)制器的光輸入端形成光脈沖載波；
[0010] 所述的電光調(diào)制器將所述的目標(biāo)回波電信號(hào)加載到所述的的光脈沖載波上，形成 與所述的目標(biāo)回波電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的回波調(diào)制光信號(hào)，所述的電光調(diào)制器輸出的回波調(diào)制光 信號(hào)依次經(jīng)過第三色散模塊、第二光電探測(cè)器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)入所述的信號(hào)處理 模塊。
[0011] 所述的鎖模激光器是一臺(tái)低抖動(dòng)、寬譜的鎖模激光器。
[0012] 所述的第三光濾波器的濾波帶寬大于第一光濾波器和第二光濾波器的濾波帶寬。
[0013] 在所述的信號(hào)發(fā)射機(jī)中，寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生原理是基于光譜濾波及非平 衡的色散啁嗽（參見 H.Zhang，W. Zou，and J. Chen, "Generation of widely tunable linearly-chirpedmicrowave waveform based on spectral filtering and unbalanced dispersion, " Optics Letters, vol. 40, no. 6, pp. 1085-1088, 2015)。通過調(diào)節(jié)第一可調(diào)光 濾波器和第二可調(diào)光濾波器的中心波長和濾波帶寬，以改變產(chǎn)生的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的中 心頻率和掃頻帶寬。
[0014] 在所述的信號(hào)接收機(jī)中，收發(fā)模塊輸出的信號(hào)通過電光轉(zhuǎn)換后，借鑒時(shí)間拉 伸原理（參見 Y. Han and B.Jalali, Photonic time-stretched analog-to-digital converter: Fundamental concepts and practical considerations,Journal of Lightwave Technology, vol. 21, no. 12, pp. 3085-3103, 2003)實(shí)現(xiàn)帶寬壓縮與下變頻。雷達(dá) 回波信號(hào)通過電光調(diào)制器加載到預(yù)先色散啁嗽的光脈沖載波上，形成和雷達(dá)回波信號(hào)相對(duì) 應(yīng)的調(diào)制光信號(hào)。第三光濾波器的濾波帶寬需要大于第一光濾波器、第二光濾波器的濾波 帶寬，再適當(dāng)調(diào)節(jié)第二可調(diào)延時(shí)模塊，使得多個(gè)目標(biāo)的回波都能加載到光載波上。通過一段 有更大色散量的第三色散模塊，經(jīng)過第二光電探測(cè)器得到時(shí)間上被拉伸數(shù)倍的電信號(hào)。若 第一色散模塊和第三色散模塊的色散系數(shù)分別為Dl和D3,拉伸倍數(shù)M將由它們之比決定：
[0015]
[0016] 待采樣射頻信號(hào)在時(shí)間上被拉伸，等效于頻率域中被壓縮，從而大幅削弱后端模 擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的帶寬和采樣率的壓力。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后的信號(hào)再通過數(shù)字信號(hào)處理 提取出有用的目標(biāo)信息，且目標(biāo)探測(cè)的距離分辨率仍然保持時(shí)間拉伸之前的精度。
[0017] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 1、本發(fā)明信號(hào)發(fā)射機(jī)和信號(hào)接收機(jī)基于相同的鎖模激光器，可確保信號(hào)產(chǎn)生和處 理過程的高度相參，從而大幅提高本發(fā)明的測(cè)量精度。
[0019] 2、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)第一光濾波器和第二光濾波器，可以產(chǎn)生全波段覆蓋或任一波 段的超寬帶線性調(diào)頻信號(hào)。
[0020] 3、本發(fā)明的信號(hào)接收機(jī)利用了時(shí)間拉伸技術(shù)，將待采樣信號(hào)在時(shí)間上拉伸、在頻 率域中壓縮，從而大幅削弱后端模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的帶寬和采樣率的壓力。
[0021] 4、本發(fā)明的全波段覆蓋或不同波段的雷達(dá)信號(hào)采用可切換的收發(fā)通道，實(shí)現(xiàn)了全 波段覆蓋的收發(fā)一體化。
[0022] 5、本發(fā)明的目標(biāo)探測(cè)分辨率由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的超寬帶雷達(dá)信號(hào)帶寬決定，與時(shí)間拉 伸倍數(shù)無關(guān)。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明全波段覆蓋的超寬帶全光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖3為產(chǎn)生的全波段覆蓋的超寬帶線性調(diào)頻信號(hào)特征的測(cè)試結(jié)果。（a)時(shí)域波形， (b)短時(shí)傅里葉變換分析。
[0026] 圖4為產(chǎn)生的不同波段的線性調(diào)頻信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換分析的測(cè)試結(jié)果。（a)X 波段，（b) Ku波段，（c) Ka波段。
[0027] 圖5為使用所產(chǎn)生的X波段信號(hào)作為示例，進(jìn)行的單目標(biāo)探測(cè)和雙目標(biāo)探測(cè)的實(shí) 驗(yàn)示意圖。（a)單目標(biāo)，（b)雙目標(biāo)。
[0028] 圖6為單目標(biāo)探測(cè)中，時(shí)間拉伸前后X波段線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域波形及其短時(shí)傅 里葉變換分析的測(cè)試結(jié)果。（a)拉伸前時(shí)域波形，（b)拉伸后時(shí)域波形，（c)拉伸前短時(shí)傅 里葉變換分析，（d)拉伸后短時(shí)傅里葉變換分析。
[0029] 圖7為雙目標(biāo)探測(cè)中，不同目標(biāo)間距時(shí)的測(cè)試結(jié)果。（a)當(dāng)距離為~6.3cm，時(shí)間拉 伸后的時(shí)域波形，（b)當(dāng)距離為~15. 0cm，時(shí)間拉伸后的時(shí)域波形，（c)當(dāng)距離為~6. 3cm， 匹配濾波處理后兩個(gè)目標(biāo)的位置，（d)當(dāng)距離為~15. 0cm，匹配濾波處理后兩個(gè)目標(biāo)的位 置。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。本實(shí)施