基于去調頻接收技術的微波光子雙波段線性調頻連續波雷達

曹繼明 李若明 楊繼堯 孫 強 李王哲(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

②(微波成像技術重點實驗室 北京 100190)

③(中國科學院大學 北京 100049)

1 引言

雷達廣泛用于目標成像、追蹤以及目標識別等應用中[1,2]。脈沖壓縮技術是雷達信號處理中常用的處理方法，它通過調制發射信號和對接收信號進行匹配濾波，從而化解發射信號功率與雷達對目標的距離分辨率之間的相互制約關系，而線性調頻(Linear Frequency Modulation, LFM)信號是最基本且應用最廣泛的脈沖壓縮波形[3,4]。為了提高雷達的距離分辨率，需要發射更大帶寬的LFM信號，但同時這也要求模數轉換器(Analog to Digital Converters, ADC)，射頻混頻器和信號處理器等器件具有對大帶寬信號的處理能力[5]。去調頻技術通過將雷達全部時域回波轉換為距離相關的窄帶中頻信號，獲得高分辨率圖像的同時，極大地緩解了對ADC采樣速率的要求[6]。由于實際場景對不同波段的電磁波反射特性不同，工作在多波段的雷達系統能夠獲得場景的更多信息，因此多波段雷達系統有助于目標識別性能的提升和雷達分辨率的提高[7,8]。但是，對于去調頻處理而言，針對相同的觀測目標，不同波段回波信號去調頻得到的中頻信號可能出現頻率重疊，特別地，當雙帶的調頻率相同時，雙帶回波去調頻后的波形頻譜完全重疊。因此，對于傳統電學雷達系統，一般需要多個雷達接收系統對雷達在不同波段的回波信號進行接收，顯而易見，這樣會增大系統的體積和能耗等指標。

微波光子技術由于具有對大帶寬信號的處理能力，近年來被引入到雷達系統中以提升現代雷達系統的性能[9—13]，目前已開展了一些采用光子技術的多波段雷達系統和光子輔助多波段雷達信號接收系統的研究[14—16]。其中，意大利研究團隊在發射端利用一個鎖模激光器(Mode Locked Laser, MLL)實現光子變頻技術，產生雷達發射波形，在接收端對雷達回波進行基于光采樣的下變頻處理，通過將雷達回波調制到MLL產生的光脈沖串，經過串并轉換將高速串行采樣光脈沖轉換為并行低速脈沖，最后再用低速、高比特ADC進行并行時域交織采樣[14]。然而，該方案接收機的帶寬實質上受限于光串并轉換器的帶寬。為了同時接收具有大帶寬的雙波段雷達回波信號，去調頻技術被引入到雙波段雷達接收機中來緩解對ADC采樣速率的要求。北京郵電大學研究團隊在發射端使用正和負不同調頻率的LFM信號作為雙波段發射信號，接收機端利用光子I/Q混頻器對雙波段雷達信號進行去調頻接收，從而得到頻率分別為正和負的復中頻信號[15]。然而，由于器件性能引起的I路和Q路信號幅度和相位的失配會降低該系統鏡像抑制的性能，從而限制了對寬帶信號的操作效果。

本文提出一種光子輔助雙波段連續波雷達去調頻接收方案，該雙波段雷達接收機基于光子頻率下變頻器[17]。在發射機端，利用光子倍頻技術產生寬帶雷達發射信號，通過光延遲線將一個波段的發射LFM信號引入適當的時延，在接收端，利用光子輔助去調頻技術同時接收雙波段雷達的回波信號，從而可以通過低速ADC對雙波段信號進行采樣，且不同波段去調頻得到的中頻信號互不干擾。對于不同的探測場景，可以通過調節發射端延遲量的大小使不同波段去調頻得到的中頻信號位于不同的頻率，從而可以使用同一套接收設備對不同波段的雷達回波進行同時接收。在接收機中，用一個雙偏振正交相移鍵控(Dual? Polarization Quadrature Phase Shift Keying, DP?QPSK)調制器替代了文獻[9]中的雙偏振二進制相移鍵控(Dual?Polarization Binary Phase Shift Keying, DP?BPSK)調制器，其中DP?QPSK調制器包含2個分支，每個分支包含由2個子馬赫曾德爾調制器(Mach?Zehnder Modulator,MZM)組成的QPSK調制器，在DP?QPSK調制器的輸出端兩個分支的光波通過偏振合束實現光波的偏振正交復用，雙波段雷達系統的兩對參考信號和回波信號通過4個子MZM調制到光載波上。通過調節直流偏置電壓的大小，使4個子MZM工作在最小偏置點以壓制光載波和其他偶階光邊帶，選擇參考信號和回波信號調制之后的1階光邊帶進行光子輔助去調頻處理，得到雙波段雷達回波的去調頻中頻信號，再通過后續數字信號處理提取目標的信息。

2 結構與原理

提出的光子輔助去調頻接收雙波段雷達系統架構如圖1所示，雙波段雷達實驗演示系統工作在C波段和Ku波段，該雙波段雷達系統由雙波段雷達發射機、兩對天線和雙波段雷達接收機組成。其中，接收機中使用的DP?QPSK調制器包含上下兩條光路，每條路徑分別對應一個偏振方向，且每條路徑都包含一個由2個子MZM構成的QPSK調制器，如圖1(b)所示。在系統中，分別使用X和Y代表兩個正交的偏振方向，則雙波段接收機中使用的DP?QPSK調制器的4個子MZM可分別表示為偏振方向為X的2個調制器XI和XQ以及偏振方向為Y的2個調制器YI和YQ。其中，C波段的雷達參考信號和回波信號通過調制器XI和調制器YI調制到光載波上，這兩路調制后的光信號經偏振復用后輸出，且這2個子調制器均工作在最小偏置點。相似地，來自Ku波段的雷達參考信號和回波信號通過調制器XQ和YQ調制到光載波上，這2個子調制器也工作在最小偏置點，調制后的光波經偏振復用后輸出。與C波段不同的是，Ku波段的發射LFM信號，是由中頻信號在光域倍頻產生，且發射信號在倍頻的同時在光域引入了延時。

在雷達發射機端，C波段發射機由任意波形發生器(通道?1)，射頻鏈路?1和功分器組成，Ku波段發射機由任意波形發生器(通道?2)，中頻鏈路，光子輔助倍頻與延時器、射頻鏈路?4和射頻鏈路?5構成。在C波段雷達發射機端，任意波形發生器的通道?1產生一個C波段的LFM信號，該信號輸入到由一系列放大器和帶通濾波器構成的射頻鏈路?1中進行功率放大，經過功率放大的C波段LFM信號被一個功分器分為兩路。其中一路信號輸入到C波段發射天線作為C波段雷達發射信號；另一路信號輸入到調制器XI作為C波段參考信號。在Ku波段發射機端，雙通道任意波形發生器的通道?2產生一個中頻LFM信號，中頻鏈路用來放大該中頻LFM信號的功率，經過放大的中頻信號輸入到光子輔助倍頻與延時模塊，該模塊的功能是同時產生一個中心頻率和帶寬相對于原始中頻信號4倍頻之后的雷達發射信號和參考信號，并且對其中的發射信號進行延時。該光子輔助倍頻與延時模塊結構如圖1(d)所示，它由激光器、電光調制器、光耦合器、光纖和2個光電探測器構成，中頻微波信號通過電光調制器調制到光載波上，其中電光調制器工作在最大偏置點，調制之后的光信號被光耦合器分為兩路，其中一路經過光電探測器生成一個4倍頻的參考信號，另一路經過一段光纖延時后再通過光電轉換產生倍頻之后的Ku波段雷達發射信號。而射頻鏈路?4的功能是濾出4倍頻之后的射頻信號并將其功率進行放大，再輸入到Ku波段傳輸天線作為發射信號。射頻鏈路?5將Ku波段的參考信號放大之后，輸入到調制器XQ。雙波段的回波信號分別由相應的接收天線進行接收，其中，射頻鏈路?2作用是將C波段回波信號進行功率放大，放大后的C波段回波輸入到調制器YI；而Ku波段的回波經過射頻鏈路?3放大后輸入到調制器YQ。

雙波段雷達接收機，由1個窄線寬激光器、DP?QPSK調制器、摻鉺光纖放大器、雙偏振光濾波器(Dual?Polarization Optical Band Pass Filter,DP?OBPF)、偏振解復用相干接收機和ADC組成。在雙波段接收機中，窄線寬激光器產生的激光輸入到DP?QPSK調制器，DP?QPSK調制器的結構如圖1(b)所示，它的上下兩條路徑均由QPSK調制器構成，其中，一條路徑上的光波偏振方向被旋轉90°。上下兩路的調制信號在DP?QPSK調制器輸出端經偏振復用后輸出。其中，DP?QPSK調制器的4個子MZM均工作在最小偏置點，調制信號偶階光邊帶都被抑制。在DP?QPSK調制器的輸出端，雙波段雷達的光參考信號和相應的光回波信號經過偏振復用之后輸入到摻鉺光纖放大器中進行功率放大，放大之后的光信號輸入到可調光濾波器，光濾波器同時濾出分布在兩個偏振方向上的C波段和Ku波段回波和參考信號的正1階光邊帶，經過濾波后正交偏振的光信號被耦合進入偏振解復用相干接收機中進行光電探測。相干接收機的輸出中頻信號由ADC采樣后輸入到數字信號處理器中計算得到目標的位置信息。值得注意的是，雙波段雷達的光參考和光回波信號通過偏振復用的方式在相同的光路中進行傳輸，則可以認為外界環境對參考信號和回波信號傳輸路徑的擾動是相似的，這兩路信號的相位關系可認為保持不變，因此在相干接收機的輸出端得到的是一個相位穩定的中頻輸出信號。

假設光延遲線對Ku波段引入的時延為τ0, C波段和Ku波段雷達發射LFM信號分別為STx_C和STx_Ku，則雙波段雷達發射信號可表示為

其中，VC,VKu,ωC,ωKu,kC和kKu分別是雙波段雷達發射信號的幅度、角頻率和調頻率。

雷達回波信號可以看作為發射LFM信號的延時，且回波信號幅度被目標的反射特性加權。這里假設在距離雷達為r處有一個點目標，則雙波段雷達回波信號可以表示為

其中，fC(r)和fKu(r)分別為目標在C波段和Ku波段的反射率，τ=2r/c為回波的時延，c為光在空氣中的傳播速度。

激光器產生的光載波可記為A0exp(jω0t)，調制C波段雷達參考信號和回波信號的2個子MZM工作在最小偏置點，在DP?QPSK調制器的輸出端，C波段的調制信號可記為

其中，A0為調制信號的幅度值，且其和輸入光載波功率P0之間滿足關系式P0=|A0|2/2,ω0為光載波的角頻率，J1(x)是1階第1類貝塞爾函數，和分別為C波段參考信號和回波信號的調制系數，且和隨后可調光濾波器濾出的C波段的調制信號正1階光邊帶可表示為

其中，g為摻鉺光纖放大器的線性增益。所濾出的兩個光邊帶在偏振解復用相干接收機中進行平衡探測，接收機的2個光電探測器所產生的帶內光電流可記為

式中，n=1, 2,R為光電探測器的響應度，則在相干接收機的輸出端，由C波段雷達回波信號產生的去調頻中頻信號可表示為

同樣地，用于調制Ku波段雷達參考信號和回波信號的2個子MZM工作在最小偏置點，則在DP?QPSK調制器的輸出端，Ku波段的調制信號可表示為

同理可以得到，Ku波段雷達回波信號產生的去調頻中頻信號可表示為

由式(6)和式(8)可知，C波段和Ku波段去調頻得到的中頻信號的頻率分別是kCτ和kKu(τ+τ0)，它們都是一個與目標距離相關的頻率，因此可以通過進一步的數字信號處理恢復得到目標的位置信息。這里首先將Ku波段的發射信號加上一個延時量τ0，通過調節延時量的大小，能夠使得Ku波段和C波段去調頻后得到的中頻信號在頻域上分離，從而避免相互干擾，因此能用同一套雷達接收機接收雙帶雷達回波信號。

圖2 雙波段發射線性調頻信號的頻譜Fig.2 The spectrum of transmitted signals

3 實驗結果與分析

接著本文對微波光子雙波段雷達進行了實驗驗證。C波段LFM信號由任意波形發生器(Keysight M8190A)的通道?1直接產生，它是一個中心頻率為5.5 GHz，帶寬為1 GHz，脈沖重復周期為50 μs的LFM連續波信號。Ku波段發射LFM信號由一個中頻LFM信號在光域倍頻產生，該中頻LFM信號由任意波形發生器通道?2產生，它是一個中心頻率為3.75 GHz，帶寬為0.5 GHz，脈沖重復周期為50 μs的LFM連續波信號。該中頻信號輸入到光子輔助倍頻與延時器，產生的Ku波段LFM信號脈沖重復周期與倍頻前的中頻LFM信號一致，其中心頻率為15 GHz，帶寬為2 GHz，實驗中，光子倍頻與延時模塊中使用的延時光纖長度為150 m，延時后的發射信號經過放大后輸入到Ku波段發射天線，射頻鏈路?4的增益系數為35 dB。按照雷達距離分辨率計算公式c/2B，其中B為雷達發射信號帶寬，C波段和Ku波段的理論距離分辨率分別為15.0 cm和7.5 cm。實驗中，C波段信號發射功率為8.6 dBm,Ku波段的發射功率為15.8 dBm，發射LFM信號頻率譜如圖2所示。在接收機端，接收機由激光器，DP?QPSK調制器，放大器，濾波器和偏振解復用相干接收機(discovery semiconductors)構成。采用的窄線寬激光器(teraxion)的波長為1550.14 nm，功率為17.6 dBm。來自于激光器的光波被輸入到DP?QPSK調制器(Fujitsu FTM7977HQA)中作為光載波。在實驗中，DP?QPSK調制器的4個子MZM都工作在最小偏置點。光濾波器用來濾出雙波段雷達光參考信號和光回波信號的正1階光邊帶，圖3所示為C波段和Ku波段調制信號以及經過光濾波器后的光譜，需要注意的是每一條光譜曲線都是兩個偏振方向光波的疊加。濾波后的調制信號輸入到偏振解復用相干接收機中進行光子輔助去調頻處理。其中，偏振解復用相干接收機是一個由偏振波束分束器，平衡探測器和光路匹配的3 dB耦合器構成的集成模塊單元。相干接收機輸出的去調頻中頻信號由采樣速率為100 MSa/s的ADC采集記錄，量化后的信號輸入到數字信號處理器中進行信號處理以恢復目標的距離和多普勒頻率等信息。其中雷達接收機混頻器的變頻增益為—22 dB，混頻器噪聲系數約為33 dB。

為了驗證所提出的光子輔助雙波段雷達系統，本文采用一對邊長為15 cm的三面角反射器作為目標，對系統進行了一系列的轉臺成像實驗。實驗中，C波段收發天線之間距離約為1.05 m，Ku波段天線之間的距離約為1 m，目標至天線中心的距離約為7.5 m，并且轉臺的旋轉平面與波束遠場等相位面垂直。首先，將兩個角反射器在距離向擺放相差約為35 cm，對這兩個角反射器進行距離測量。相干接收機輸出的C波段和Ku波段去調頻中頻信號頻譜如圖4所示，可以看到，在C波段和Ku波段均能觀察到對應于兩個目標的兩個頻率峰值。在C波段兩個頻率峰相差43 kHz，對應于測量距離32.25 cm，而在Ku波段兩個頻率峰相差92 kHz，對應于距離測量結果為34.5 cm。隨后，將兩個角反射器放置在轉臺上進行動目標成像實驗，轉臺轉速為(/9) rad/s，兩個角反射器的初始位置為距離向相差45 cm，方位向相差50 cm，成像積分時間為0.4 s。雙波段雷達成像結果如圖5所示，C波段成像結果表明兩目標在方位向和距離向測量距離分別為46.4 cm和48.8 cm，而在Ku波段的測量結果分別為42.3 cm和48.3 cm，成像結果表明雙波段雷達在C波段和Ku波段都能夠正確地恢復目標的位置信息。本文所提出的光子輔助雙波段雷達系統適合對目標跟蹤時進行高分辨率成像。

4 結論

本文提出并驗證了一種新的光子輔助雙波段去調頻雷達系統方案，綜合分析了該方案的工作原理，并對提出的系統進行了實驗驗證。所提出的光子輔助雙波段雷達系統，共享一套接收機硬件，能夠在C波段和Ku波段同時獨立工作，為減小雙帶雷達的體積，重量和功耗提供了一套有效方案。本工作展示了微波光子技術在多波段雷達系統中的潛力。