基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于时分‑差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，首先将调制光信号分为两路，一路调制光信号经光电转换后送入包含M个输出端口的射频开关，控制开关时序使发射天线阵列依次发射；将另一路调制光信号解波分复用分为N路，以其中第一路为参考，其余路光信号依次增加整数倍时延；以延时后的N路光信号分别对目标反射信号进行光域的接收得到N路接收光信号并合为一路，经光电转换后得到携带目标信息的中频信号，对此信号进行处理，得到探测目标信息。本发明专利技术还公开了一种基于时分‑差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，通过时分复用信号发射及差频复用信号接收技术，能够在降低雷达系统复杂度及成本的同时提高雷达系统角分辨率。

【技术实现步骤摘要】
基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法及系统
本专利技术涉及一种雷达探测方法，尤其涉及一种采用微波光子时分-差频复用辅助技术的MIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出）雷达探测方法及系统。
技术介绍
多输入多输出作为一种有效提高雷达工作孔径，可实现多维目标信息获取的技术，广泛应用于雷达探测中（参见[A.Frischen,J.Hasch,C.Waldschmidt,"ACooperativeMIMORadarNetworkUsingHighlyIntegratedFMCWRadarSensors"IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,vol.65,no.4,pp.1355-1366,2017.]）。然而电子链路窄带响应及高损耗极大地限制了其在宽带探测场景中的应用。得益于微波光子技术的快速发展以及其大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，为传统雷达克服电子瓶颈问题，改善提高技术性能，提供了新的技术支撑，成为下一代雷达的关键技术（参见[J.Yao,"MicrowavePhotonics,"JournalofLightwaveTechnology,vol.27,no.3,pp.314-335,2009.]）。例如，一种基于微波光子技术的频分复用MIMO雷达已详细研究了微波光子技术及MIMO技术带来的雷达系统性能提升（参见[F.Zhang,B.Gao,andS.Pan,"Photonics-basedMIMOradarwithhigh-resolutionandfastdetectioncapability,"OpticsExpress,vol.26,no.13,pp.17529-17540,2018.]）。但频分复用因为频率资源有限，系统通道数受限，从而限制了系统的等效孔径大小。此外一种基于微波光子时分复用MIMO雷达采用发射信号时域分级实现发射信号的正交（[F.Berland,T.Fromenteze,D.Boudescoque,P.Bin,H.Elwan,C.Berthelemot,C.Decroze,"MicrowavePhotonicMIMORadarforShort-Range3DImaging,"IEEEAccess,vol.8,pp.107326-107334,2020.]）。虽然该方法提高了雷达系统的频带利用率，但雷达信号产生与接收由独立功能模块实现，且光链路只实现了接收信号的传输，仍需高速光电探测器及高速模数转换器实现信号的光电转换及采集，导致系统实时处理能力受限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的探测思路，将微波光子时分复用与差频复用技术相结合，在MIMO雷达发射端采用时分复用技术提高雷达系统频带利用率，在MIMO雷达接收端采用差频复用技术实现接收通道的融合一体化光电转换、低通滤波及数字采集。基于两种技术的优势，在保证雷达系统频带利用率及性能的同时，大幅降低雷达系统的系统复杂度及制造成本。本专利技术具体采用以下技术方案：一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，同时具有微波光子技术和MIMO雷达技术的优势，在降低系统复杂度及成本的同时提高雷达系统角分辨率及目标多维度信息探测能力。该方法具体为：将调制光信号分为两路，并分别送入雷达发射端与雷达接收端；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得；在雷达发射端，一路调制光信号经光电转换后得到雷达探测信号，将雷达探测信号送入包含M个输出端的射频开关，控制射频开关通断时序使发射阵列天线依次发射雷达探测信号；在雷达接收端，另一路调制光信号解波分复用分为N路，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号；接收阵列天线接收目标反射信号得到目标回波信号，目标回波信号分别对延时后的N路参考光信号调制得到N路接收光信号；将N路接收光信号合为一路并经光电转换后得到携带目标信息的中频电信号，对中频电信号进行处理，得到探测目标信息。优选地，所述包含N个频率分量的光信号可以通过光频梳产生器、多波长激光器、波长不同的多个激光器产生；且N个频率分量之间频率间隔需大于6倍的基带信号源高频分量。优选地，所述以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号具体为：设定雷达有效探测距离为L，对应时延为τd=2L/c，则第二路至第N路光信号相比第一路光信号延时依次增加整数倍τd，对应的光纤长度依次增加整数倍ΔL=2L/nre，其中c为大气中的光速，nre为光纤的折射率。优选地，所述中频电信号在一个周期内包括N个中频分量，分别对应N个接收通道，中频分量的频率间隔为Δf=k2L/c，其中k为线性调频雷达发射信号的调频斜率。优选地，所述发射天线阵列及接收天线阵列的天线排布方式，可以为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵、分布式阵列。根据相同的专利技术思路还可以得到以下技术方案：一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测系统，包括：调制光信号源，用于生成调制光信号；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得；第一光电探测器，用于将一路调制光信号转换为电信号，得到雷达探测信号；1×M射频开关，用于将各个输出端口分别连接发射天线阵列，依次选通，控制发射阵列天线依次工作；发射天线阵列（包含M个天线单元），分别与1×M射频开关的输出端口对应连接，用于依次发射1×M射频开关选通端的雷达探测信号；接收阵列天线（包含N个天线单元），用于同时接收目标依次反射的回波信号；光延时模块，用于将另一路调制光信号分成N路光信号，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延，得到N路延时的参考光信号；多通道光接收模块，用于基于所述N路延时的参考光信号，对接收天线阵列所接收的回波信号分别进行光域接收，得到N路接收光信号；光波分复用器，用于将N路接收光信号合为一路；第二光电探测器，用于将光波分复用器输出的接收光信号转换为中频电信号；信号采集与处理单元，用于对所述中频电信号进行模数转换，并进行雷达数字信号处理，提取出探测目标信息；优选地，所述光延时模块包括：光解波分复用器，用于将另一路调制光信号解波分复用分成N路光信号；光延时线组，用于以其中一路光信号为参考，对其余N-1路光信号按顺序依次增加整数倍时延且每相邻两路光信号时延间隔相等。优选地，所述多通道光接收模块由N个光接收单元组成，每个光接收单元包括：低噪声放大器，用于对接收天线阵列接收的回波信号进行低噪声放大；电光调制器，用于将低噪声放大后的回波信号调制到参考光信号上，得到接收光信号；进一步地，所述发射天线阵列及接收天线阵列的天线排布方式，可以为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵、分布式阵列。...

【技术保护点】
1.一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，/n将调制光信号分为两路，并分别送入雷达发射端与雷达接收端；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得；/n在雷达发射端，一路调制光信号经光电转换后得到雷达探测信号，将雷达探测信号送入包含M个输出端的射频开关，控制射频开关通断时序使发射阵列天线依次发射雷达探测信号；/n在雷达接收端，另一路调制光信号解波分复用分为N路，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号；接收阵列天线接收目标反射信号得到目标回波信号，目标回波信号分别对延时后的N路参考光信号调制得到N路接收光信号；将N路接收光信号合为一路并经光电转换后得到携带目标信息的中频电信号，对中频电信号进行处理，得到探测目标信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，
将调制光信号分为两路，并分别送入雷达发射端与雷达接收端；所述调制光信号由基带信号源调制包含N个频率分量的光信号所得；
在雷达发射端，一路调制光信号经光电转换后得到雷达探测信号，将雷达探测信号送入包含M个输出端的射频开关，控制射频开关通断时序使发射阵列天线依次发射雷达探测信号；
在雷达接收端，另一路调制光信号解波分复用分为N路，以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号；接收阵列天线接收目标反射信号得到目标回波信号，目标回波信号分别对延时后的N路参考光信号调制得到N路接收光信号；将N路接收光信号合为一路并经光电转换后得到携带目标信息的中频电信号，对中频电信号进行处理，得到探测目标信息。


2.如权利要求1所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，所述包含N个频率分量的光信号通过光频梳产生器、多波长激光器或波长不同的多个激光器产生；且N个频率分量之间频率间隔需大于6倍的基带信号源高频分量。


3.如权利要求1所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，所述以其中一路为参考，其余N-1路光信号依次增加整数倍时延获得N路参考光信号具体为：设定雷达有效探测距离为L，对应时延为τd=2L/c，则第二路至第N路光信号相比第一路光信号延时依次增加整数倍τd，对应的光纤长度依次增加整数倍ΔL=2L/nre，其中c为大气中的光速，nre为光纤的折射率。


4.如权利要求1所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，所述中频电信号在一个周期内包括N个中频分量，分别对应N个接收通道，中频分量的频率间隔为Δf=k2L/c，其中k为线性调频雷达发射信号的调频斜率。


5.如权利要求1所述一种基于时分-差频复用的微波光子MIMO雷达探测方法，其特征在于，所述发射天线阵列及接收天线阵列的天线排布方式为集总式一维/二维稀疏阵、集总式一维/二维均匀阵、集总式共形阵或分布式阵列。


6.一种基于时分-差频复用的微波...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭清水，陈佳佳，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：浙江;33