曹繼明 李若明 楊繼堯 孫 強(qiáng) 李王哲(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

③(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

雷達(dá)廣泛用于目標(biāo)成像、追蹤以及目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用中[1,2]。脈沖壓縮技術(shù)是雷達(dá)信號(hào)處理中常用的處理方法，它通過調(diào)制發(fā)射信號(hào)和對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，從而化解發(fā)射信號(hào)功率與雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的距離分辨率之間的相互制約關(guān)系，而線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)信號(hào)是最基本且應(yīng)用最廣泛的脈沖壓縮波形[3,4]。為了提高雷達(dá)的距離分辨率，需要發(fā)射更大帶寬的LFM信號(hào)，但同時(shí)這也要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converters, ADC)，射頻混頻器和信號(hào)處理器等器件具有對(duì)大帶寬信號(hào)的處理能力[5]。去調(diào)頻技術(shù)通過將雷達(dá)全部時(shí)域回波轉(zhuǎn)換為距離相關(guān)的窄帶中頻信號(hào)，獲得高分辨率圖像的同時(shí)，極大地緩解了對(duì)ADC采樣速率的要求[6]。由于實(shí)際場(chǎng)景對(duì)不同波段的電磁波反射特性不同，工作在多波段的雷達(dá)系統(tǒng)能夠獲得場(chǎng)景的更多信息，因此多波段雷達(dá)系統(tǒng)有助于目標(biāo)識(shí)別性能的提升和雷達(dá)分辨率的提高[7,8]。但是，對(duì)于去調(diào)頻處理而言，針對(duì)相同的觀測(cè)目標(biāo)，不同波段回波信號(hào)去調(diào)頻得到的中頻信號(hào)可能出現(xiàn)頻率重疊，特別地，當(dāng)雙帶的調(diào)頻率相同時(shí)，雙帶回波去調(diào)頻后的波形頻譜完全重疊。因此，對(duì)于傳統(tǒng)電學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)，一般需要多個(gè)雷達(dá)接收系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)在不同波段的回波信號(hào)進(jìn)行接收，顯而易見，這樣會(huì)增大系統(tǒng)的體積和能耗等指標(biāo)。

微波光子技術(shù)由于具有對(duì)大帶寬信號(hào)的處理能力，近年來(lái)被引入到雷達(dá)系統(tǒng)中以提升現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的性能[9—13]，目前已開展了一些采用光子技術(shù)的多波段雷達(dá)系統(tǒng)和光子輔助多波段雷達(dá)信號(hào)接收系統(tǒng)的研究[14—16]。其中，意大利研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)射端利用一個(gè)鎖模激光器(Mode Locked Laser, MLL)實(shí)現(xiàn)光子變頻技術(shù)，產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射波形，在接收端對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行基于光采樣的下變頻處理，通過將雷達(dá)回波調(diào)制到MLL產(chǎn)生的光脈沖串，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換將高速串行采樣光脈沖轉(zhuǎn)換為并行低速脈沖，最后再用低速、高比特ADC進(jìn)行并行時(shí)域交織采樣[14]。然而，該方案接收機(jī)的帶寬實(shí)質(zhì)上受限于光串并轉(zhuǎn)換器的帶寬。為了同時(shí)接收具有大帶寬的雙波段雷達(dá)回波信號(hào)，去調(diào)頻技術(shù)被引入到雙波段雷達(dá)接收機(jī)中來(lái)緩解對(duì)ADC采樣速率的要求。北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)射端使用正和負(fù)不同調(diào)頻率的LFM信號(hào)作為雙波段發(fā)射信號(hào)，接收機(jī)端利用光子I/Q混頻器對(duì)雙波段雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行去調(diào)頻接收，從而得到頻率分別為正和負(fù)的復(fù)中頻信號(hào)[15]。然而，由于器件性能引起的I路和Q路信號(hào)幅度和相位的失配會(huì)降低該系統(tǒng)鏡像抑制的性能，從而限制了對(duì)寬帶信號(hào)的操作效果。

本文提出一種光子輔助雙波段連續(xù)波雷達(dá)去調(diào)頻接收方案，該雙波段雷達(dá)接收機(jī)基于光子頻率下變頻器[17]。在發(fā)射機(jī)端，利用光子倍頻技術(shù)產(chǎn)生寬帶雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，通過光延遲線將一個(gè)波段的發(fā)射LFM信號(hào)引入適當(dāng)?shù)臅r(shí)延，在接收端，利用光子輔助去調(diào)頻技術(shù)同時(shí)接收雙波段雷達(dá)的回波信號(hào)，從而可以通過低速ADC對(duì)雙波段信號(hào)進(jìn)行采樣，且不同波段去調(diào)頻得到的中頻信號(hào)互不干擾。對(duì)于不同的探測(cè)場(chǎng)景，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射端延遲量的大小使不同波段去調(diào)頻得到的中頻信號(hào)位于不同的頻率，從而可以使用同一套接收設(shè)備對(duì)不同波段的雷達(dá)回波進(jìn)行同時(shí)接收。在接收機(jī)中，用一個(gè)雙偏振正交相移鍵控(Dual? Polarization Quadrature Phase Shift Keying, DP?QPSK)調(diào)制器替代了文獻(xiàn)[9]中的雙偏振二進(jìn)制相移鍵控(Dual?Polarization Binary Phase Shift Keying, DP?BPSK)調(diào)制器，其中DP?QPSK調(diào)制器包含2個(gè)分支，每個(gè)分支包含由2個(gè)子馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach?Zehnder Modulator,MZM)組成的QPSK調(diào)制器，在DP?QPSK調(diào)制器的輸出端兩個(gè)分支的光波通過偏振合束實(shí)現(xiàn)光波的偏振正交復(fù)用，雙波段雷達(dá)系統(tǒng)的兩對(duì)參考信號(hào)和回波信號(hào)通過4個(gè)子MZM調(diào)制到光載波上。通過調(diào)節(jié)直流偏置電壓的大小，使4個(gè)子MZM工作在最小偏置點(diǎn)以壓制光載波和其他偶階光邊帶，選擇參考信號(hào)和回波信號(hào)調(diào)制之后的1階光邊帶進(jìn)行光子輔助去調(diào)頻處理，得到雙波段雷達(dá)回波的去調(diào)頻中頻信號(hào)，再通過后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理提取目標(biāo)的信息。

2 結(jié)構(gòu)與原理

提出的光子輔助去調(diào)頻接收雙波段雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，雙波段雷達(dá)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)工作在C波段和Ku波段，該雙波段雷達(dá)系統(tǒng)由雙波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)、兩對(duì)天線和雙波段雷達(dá)接收機(jī)組成。其中，接收機(jī)中使用的DP?QPSK調(diào)制器包含上下兩條光路，每條路徑分別對(duì)應(yīng)一個(gè)偏振方向，且每條路徑都包含一個(gè)由2個(gè)子MZM構(gòu)成的QPSK調(diào)制器，如圖1(b)所示。在系統(tǒng)中，分別使用X和Y代表兩個(gè)正交的偏振方向，則雙波段接收機(jī)中使用的DP?QPSK調(diào)制器的4個(gè)子MZM可分別表示為偏振方向?yàn)閄的2個(gè)調(diào)制器XI和XQ以及偏振方向?yàn)閅的2個(gè)調(diào)制器YI和YQ。其中，C波段的雷達(dá)參考信號(hào)和回波信號(hào)通過調(diào)制器XI和調(diào)制器YI調(diào)制到光載波上，這兩路調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)偏振復(fù)用后輸出，且這2個(gè)子調(diào)制器均工作在最小偏置點(diǎn)。相似地，來(lái)自Ku波段的雷達(dá)參考信號(hào)和回波信號(hào)通過調(diào)制器XQ和YQ調(diào)制到光載波上，這2個(gè)子調(diào)制器也工作在最小偏置點(diǎn)，調(diào)制后的光波經(jīng)偏振復(fù)用后輸出。與C波段不同的是，Ku波段的發(fā)射LFM信號(hào)，是由中頻信號(hào)在光域倍頻產(chǎn)生，且發(fā)射信號(hào)在倍頻的同時(shí)在光域引入了延時(shí)。

在雷達(dá)發(fā)射機(jī)端，C波段發(fā)射機(jī)由任意波形發(fā)生器(通道?1)，射頻鏈路?1和功分器組成，Ku波段發(fā)射機(jī)由任意波形發(fā)生器(通道?2)，中頻鏈路，光子輔助倍頻與延時(shí)器、射頻鏈路?4和射頻鏈路?5構(gòu)成。在C波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)端，任意波形發(fā)生器的通道?1產(chǎn)生一個(gè)C波段的LFM信號(hào)，該信號(hào)輸入到由一系列放大器和帶通濾波器構(gòu)成的射頻鏈路?1中進(jìn)行功率放大，經(jīng)過功率放大的C波段LFM信號(hào)被一個(gè)功分器分為兩路。其中一路信號(hào)輸入到C波段發(fā)射天線作為C波段雷達(dá)發(fā)射信號(hào)；另一路信號(hào)輸入到調(diào)制器XI作為C波段參考信號(hào)。在Ku波段發(fā)射機(jī)端，雙通道任意波形發(fā)生器的通道?2產(chǎn)生一個(gè)中頻LFM信號(hào)，中頻鏈路用來(lái)放大該中頻LFM信號(hào)的功率，經(jīng)過放大的中頻信號(hào)輸入到光子輔助倍頻與延時(shí)模塊，該模塊的功能是同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中心頻率和帶寬相對(duì)于原始中頻信號(hào)4倍頻之后的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和參考信號(hào)，并且對(duì)其中的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行延時(shí)。該光子輔助倍頻與延時(shí)模塊結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示，它由激光器、電光調(diào)制器、光耦合器、光纖和2個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成，中頻微波信號(hào)通過電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上，其中電光調(diào)制器工作在最大偏置點(diǎn)，調(diào)制之后的光信號(hào)被光耦合器分為兩路，其中一路經(jīng)過光電探測(cè)器生成一個(gè)4倍頻的參考信號(hào)，另一路經(jīng)過一段光纖延時(shí)后再通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生倍頻之后的Ku波段雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。而射頻鏈路?4的功能是濾出4倍頻之后的射頻信號(hào)并將其功率進(jìn)行放大，再輸入到Ku波段傳輸天線作為發(fā)射信號(hào)。射頻鏈路?5將Ku波段的參考信號(hào)放大之后，輸入到調(diào)制器XQ。雙波段的回波信號(hào)分別由相應(yīng)的接收天線進(jìn)行接收，其中，射頻鏈路?2作用是將C波段回波信號(hào)進(jìn)行功率放大，放大后的C波段回波輸入到調(diào)制器YI；而Ku波段的回波經(jīng)過射頻鏈路?3放大后輸入到調(diào)制器YQ。

雙波段雷達(dá)接收機(jī)，由1個(gè)窄線寬激光器、DP?QPSK調(diào)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(fù)用相干接收機(jī)和ADC組成。在雙波段接收機(jī)中，窄線寬激光器產(chǎn)生的激光輸入到DP?QPSK調(diào)制器，DP?QPSK調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，它的上下兩條路徑均由QPSK調(diào)制器構(gòu)成，其中，一條路徑上的光波偏振方向被旋轉(zhuǎn)90°。上下兩路的調(diào)制信號(hào)在DP?QPSK調(diào)制器輸出端經(jīng)偏振復(fù)用后輸出。其中，DP?QPSK調(diào)制器的4個(gè)子MZM均工作在最小偏置點(diǎn)，調(diào)制信號(hào)偶階光邊帶都被抑制。在DP?QPSK調(diào)制器的輸出端，雙波段雷達(dá)的光參考信號(hào)和相應(yīng)的光回波信號(hào)經(jīng)過偏振復(fù)用之后輸入到摻鉺光纖放大器中進(jìn)行功率放大，放大之后的光信號(hào)輸入到可調(diào)光濾波器，光濾波器同時(shí)濾出分布在兩個(gè)偏振方向上的C波段和Ku波段回波和參考信號(hào)的正1階光邊帶，經(jīng)過濾波后正交偏振的光信號(hào)被耦合進(jìn)入偏振解復(fù)用相干接收機(jī)中進(jìn)行光電探測(cè)。相干接收機(jī)的輸出中頻信號(hào)由ADC采樣后輸入到數(shù)字信號(hào)處理器中計(jì)算得到目標(biāo)的位置信息。值得注意的是，雙波段雷達(dá)的光參考和光回波信號(hào)通過偏振復(fù)用的方式在相同的光路中進(jìn)行傳輸，則可以認(rèn)為外界環(huán)境對(duì)參考信號(hào)和回波信號(hào)傳輸路徑的擾動(dòng)是相似的，這兩路信號(hào)的相位關(guān)系可認(rèn)為保持不變，因此在相干接收機(jī)的輸出端得到的是一個(gè)相位穩(wěn)定的中頻輸出信號(hào)。

假設(shè)光延遲線對(duì)Ku波段引入的時(shí)延為τ0, C波段和Ku波段雷達(dá)發(fā)射LFM信號(hào)分別為STx_C和STx_Ku，則雙波段雷達(dá)發(fā)射信號(hào)可表示為

其中，VC,VKu,ωC,ωKu,kC和kKu分別是雙波段雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的幅度、角頻率和調(diào)頻率。

雷達(dá)回波信號(hào)可以看作為發(fā)射LFM信號(hào)的延時(shí)，且回波信號(hào)幅度被目標(biāo)的反射特性加權(quán)。這里假設(shè)在距離雷達(dá)為r處有一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，則雙波段雷達(dá)回波信號(hào)可以表示為

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

激光器產(chǎn)生的光載波可記為A0exp(jω0t)，調(diào)制C波段雷達(dá)參考信號(hào)和回波信號(hào)的2個(gè)子MZM工作在最小偏置點(diǎn)，在DP?QPSK調(diào)制器的輸出端，C波段的調(diào)制信號(hào)可記為

其中，A0為調(diào)制信號(hào)的幅度值，且其和輸入光載波功率P0之間滿足關(guān)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(shù)，和分別為C波段參考信號(hào)和回波信號(hào)的調(diào)制系數(shù)，且和隨后可調(diào)光濾波器濾出的C波段的調(diào)制信號(hào)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(gè)光邊帶在偏振解復(fù)用相干接收機(jī)中進(jìn)行平衡探測(cè)，接收機(jī)的2個(gè)光電探測(cè)器所產(chǎn)生的帶內(nèi)光電流可記為

式中，n=1, 2,R為光電探測(cè)器的響應(yīng)度，則在相干接收機(jī)的輸出端，由C波段雷達(dá)回波信號(hào)產(chǎn)生的去調(diào)頻中頻信號(hào)可表示為

同樣地，用于調(diào)制Ku波段雷達(dá)參考信號(hào)和回波信號(hào)的2個(gè)子MZM工作在最小偏置點(diǎn)，則在DP?QPSK調(diào)制器的輸出端，Ku波段的調(diào)制信號(hào)可表示為

同理可以得到，Ku波段雷達(dá)回波信號(hào)產(chǎn)生的去調(diào)頻中頻信號(hào)可表示為

由式(6)和式(8)可知，C波段和Ku波段去調(diào)頻得到的中頻信號(hào)的頻率分別是kCτ和kKu(τ+τ0)，它們都是一個(gè)與目標(biāo)距離相關(guān)的頻率，因此可以通過進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理恢復(fù)得到目標(biāo)的位置信息。這里首先將Ku波段的發(fā)射信號(hào)加上一個(gè)延時(shí)量τ0，通過調(diào)節(jié)延時(shí)量的大小，能夠使得Ku波段和C波段去調(diào)頻后得到的中頻信號(hào)在頻域上分離，從而避免相互干擾，因此能用同一套雷達(dá)接收機(jī)接收雙帶雷達(dá)回波信號(hào)。

圖2 雙波段發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)的頻譜Fig.2 The spectrum of transmitted signals

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

接著本文對(duì)微波光子雙波段雷達(dá)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。C波段LFM信號(hào)由任意波形發(fā)生器(Keysight M8190A)的通道?1直接產(chǎn)生，它是一個(gè)中心頻率為5.5 GHz，帶寬為1 GHz，脈沖重復(fù)周期為50 μs的LFM連續(xù)波信號(hào)。Ku波段發(fā)射LFM信號(hào)由一個(gè)中頻LFM信號(hào)在光域倍頻產(chǎn)生，該中頻LFM信號(hào)由任意波形發(fā)生器通道?2產(chǎn)生，它是一個(gè)中心頻率為3.75 GHz，帶寬為0.5 GHz，脈沖重復(fù)周期為50 μs的LFM連續(xù)波信號(hào)。該中頻信號(hào)輸入到光子輔助倍頻與延時(shí)器，產(chǎn)生的Ku波段LFM信號(hào)脈沖重復(fù)周期與倍頻前的中頻LFM信號(hào)一致，其中心頻率為15 GHz，帶寬為2 GHz，實(shí)驗(yàn)中，光子倍頻與延時(shí)模塊中使用的延時(shí)光纖長(zhǎng)度為150 m，延時(shí)后的發(fā)射信號(hào)經(jīng)過放大后輸入到Ku波段發(fā)射天線，射頻鏈路?4的增益系數(shù)為35 dB。按照雷達(dá)距離分辨率計(jì)算公式c/2B，其中B為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)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(shí)驗(yàn)中，C波段信號(hào)發(fā)射功率為8.6 dBm,Ku波段的發(fā)射功率為15.8 dBm，發(fā)射LFM信號(hào)頻率譜如圖2所示。在接收機(jī)端，接收機(jī)由激光器，DP?QPSK調(diào)制器，放大器，濾波器和偏振解復(fù)用相干接收機(jī)(discovery semiconductors)構(gòu)成。采用的窄線寬激光器(teraxion)的波長(zhǎng)為1550.14 nm，功率為17.6 dBm。來(lái)自于激光器的光波被輸入到DP?QPSK調(diào)制器(Fujitsu FTM7977HQA)中作為光載波。在實(shí)驗(yàn)中，DP?QPSK調(diào)制器的4個(gè)子MZM都工作在最小偏置點(diǎn)。光濾波器用來(lái)濾出雙波段雷達(dá)光參考信號(hào)和光回波信號(hào)的正1階光邊帶，圖3所示為C波段和Ku波段調(diào)制信號(hào)以及經(jīng)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(gè)偏振方向光波的疊加。濾波后的調(diào)制信號(hào)輸入到偏振解復(fù)用相干接收機(jī)中進(jìn)行光子輔助去調(diào)頻處理。其中，偏振解復(fù)用相干接收機(jī)是一個(gè)由偏振波束分束器，平衡探測(cè)器和光路匹配的3 dB耦合器構(gòu)成的集成模塊單元。相干接收機(jī)輸出的去調(diào)頻中頻信號(hào)由采樣速率為100 MSa/s的ADC采集記錄，量化后的信號(hào)輸入到數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行信號(hào)處理以恢復(fù)目標(biāo)的距離和多普勒頻率等信息。其中雷達(dá)接收機(jī)混頻器的變頻增益為—22 dB，混頻器噪聲系數(shù)約為33 dB。

為了驗(yàn)證所提出的光子輔助雙波段雷達(dá)系統(tǒng)，本文采用一對(duì)邊長(zhǎng)為15 cm的三面角反射器作為目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的轉(zhuǎn)臺(tái)成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，C波段收發(fā)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(biāo)至天線中心的距離約為7.5 m，并且轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)平面與波束遠(yuǎn)場(chǎng)等相位面垂直。首先，將兩個(gè)角反射器在距離向擺放相差約為35 cm，對(duì)這兩個(gè)角反射器進(jìn)行距離測(cè)量。相干接收機(jī)輸出的C波段和Ku波段去調(diào)頻中頻信號(hào)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(duì)應(yīng)于兩個(gè)目標(biāo)的兩個(gè)頻率峰值。在C波段兩個(gè)頻率峰相差43 kHz，對(duì)應(yīng)于測(cè)量距離32.25 cm，而在Ku波段兩個(gè)頻率峰相差92 kHz，對(duì)應(yīng)于距離測(cè)量結(jié)果為34.5 cm。隨后，將兩個(gè)角反射器放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為(/9) rad/s，兩個(gè)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(shí)間為0.4 s。雙波段雷達(dá)成像結(jié)果如圖5所示，C波段成像結(jié)果表明兩目標(biāo)在方位向和距離向測(cè)量距離分別為46.4 cm和48.8 cm，而在Ku波段的測(cè)量結(jié)果分別為42.3 cm和48.3 cm，成像結(jié)果表明雙波段雷達(dá)在C波段和Ku波段都能夠正確地恢復(fù)目標(biāo)的位置信息。本文所提出的光子輔助雙波段雷達(dá)系統(tǒng)適合對(duì)目標(biāo)跟蹤時(shí)進(jìn)行高分辨率成像。

4 結(jié)論

本文提出并驗(yàn)證了一種新的光子輔助雙波段去調(diào)頻雷達(dá)系統(tǒng)方案，綜合分析了該方案的工作原理，并對(duì)提出的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所提出的光子輔助雙波段雷達(dá)系統(tǒng)，共享一套接收機(jī)硬件，能夠在C波段和Ku波段同時(shí)獨(dú)立工作，為減小雙帶雷達(dá)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(shù)在多波段雷達(dá)系統(tǒng)中的潛力。