一种微波光子雷达通信一体化系统及方法
阅读说明：本技术 一种微波光子雷达通信一体化系统及方法 (Microwave photon radar communication integrated system and method ) 是由 郑小平 薛竹君 李尚远 薛晓晓 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于雷达通信一体化技术领域,尤其涉及一种微波光子雷达通信一体化系统及方法。本发明系统在一个具有选模、放大和光纤储能器件的传统OEO中插入光多维度调控模块,对光的频率、相位、幅度、偏振四个维度,进行灵活高速的控制和充分的复用,在射频频段实现雷达通信功能相对独立的并行融合。本发明方法利用OEO提供射频本振,优化了一体化信号的相位噪声,解决了对于高频外部源的依赖问题；通过在OEO环路中对光进行多维度调控和复用,解决了高速通信带来的雷达距离模糊问题。本发明方法可实现的雷达和通信性能为：最大探测距离通信容量距离分辨率可灵活改变M、N、τ的数值进行性能优化,更好地满足不同应用场景下对于雷达和通信性能的需求。(The invention belongs to the technical field of radar communication integration, and particularly relates to a microwave photon radar communication integration system and method. The system inserts the optical multi-dimensional regulation and control module into a traditional OEO with a mode selection device, an amplification device and an optical fiber energy storage device, flexibly and quickly controls four dimensions of optical frequency, phase, amplitude and polarization and fully multiplexes, and realizes the parallel integration of the radar communication function in a radio frequency band. The method provided by the invention utilizes OEO to provide the radio frequency local oscillator, optimizes the phase noise of the integrated signal and solves the problem of dependence on a high-frequency external source; by carrying out multi-dimensional regulation and multiplexing on light in the OEO loop, the problem of radar distance ambiguity caused by high-speed communication is solved. The radar and communication performance which can be realized by the method of the invention is as follows: maximum detection distance Communication capacity Distance resolution The values of M, N and tau can be flexibly changed to optimize performance, and the requirements on radar and communication performance under different application scenes can be better met.)
技术领域
本发明属于雷达通信一体化技术领域，尤其涉及一种微波光子雷达通信一体化系统及方法。
背景技术
随着智能交通概念的兴起，车辆在对环境进行高精度检测的同时，需要与其他合作平台进行即时信息交互。在降低系统功耗和硬件冗余的必要性推动下，在雷达和通信的工作频率、硬件结构趋于一致的可行性支持下，于同一平台实现雷达和通信的功能集成和协同共存成为一个研究热点。近年来，众多基于时分、频分、空分、码分等思想的雷达通信一体化系统结构被提出，核心均是对不同类型的资源进行分配和复用，不可避免地会产生干扰，影响性能。而共用波形是通过信号设计和数字处理，对二者进行软件层面的融合和解耦，互不干扰，且效率最大化。一体化共用波形需要同时满足雷达高分辨以及通信高速有效的需求，但由于电子瓶颈的限制，数模转换器产生的信号不能覆盖高频和大带宽，影响了雷达的分辨率。电子倍频会恶化相位噪声，影响通信质量和接收机灵敏度。电缆传输的高损耗和电磁干扰对于智能城市网络的大范围覆盖也是一个挑战。微波光子学将光域的高频、大带宽、电磁干扰免疫等优势引入了电子领域，为高质量的一体化信号产生提供支持。
在现有的微波光子雷达通信一体化系统中，通过级联电光调制将通信功能嵌入在传统雷达脉冲波形中，破坏了两个功能彼此之间的独立性，使得雷达和通信性能之间存在折衷。同时，为满足现有汽车雷达的频段要求，利用一个外部微波源作为本振，将一体化信号进行上转换是必不可少的。但这增加了系统的成本和复杂性，额外引入的相位噪声使得一体化性能恶化，同时也导致系统无法完全脱离电瓶颈的限制。光电振荡器(Optoelectronic Oscillator，简称OEO)是光子技术在微波振荡信号产生领域的一个典型应用，光电混合的谐振腔提供了高Q值、低相位噪声和光电双输出的特性，可以通过光域的宽带高速多维度调控，实现相应的射频信号输出。因此已有一体化系统技术中存在通信和雷达之间的性能折衷以及对于高质量外部微波源的依赖，影响了系统的成本、复杂度和联合工作性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种微波光子雷达通信一体化系统及方法，利用OEO提供射频本振，优化了一体化信号的相位噪声，以解决已有技术对于高频外部源的依赖问题；通过在OEO环路中对光进行多维度调控和复用，解决高速通信带来的雷达距离模糊问题。
本发明提出的微波光子雷达通信一体化系统，包括：激光源，光多维度调控器、光耦合器、偏振分束器、平衡探测器、长光纤、光电探测器、放大器、滤波器、电耦合器、正交混频器、发射天线和接收天线；其中所述的激光器、光多维度调控器、长光纤、光电探测器、放大器、滤波器和电耦合器组成光电振荡器；
其中，所述的激光源的输出与光多维度调控器的光输入端口相连，所述的光多维度调控器的数字输入端口与一个二路数字码源相连，光多维度调控器的射频输入端口与光电振荡器的单频振荡信号相连，利用二路数字码源发出的数字信号和光电振荡器的单频振荡信号经所述的光多维度调控器，对激光源发出的激光进行频率、幅度、相位、偏振的调控和复用后，由光耦合器分成两路信号，光耦合器的一路输出信号依次经过长光纤、光电探测器、放大器和滤波器后，与电耦合器的输入相连，电耦合器的一路输出信号与光多维度调控器的射频输入端口连接，形成闭合的光电振荡器；光耦合器的另一路输出信号通过偏振分束器，输入平衡探测器，得到雷达通信一体化信号，雷达通信一体化信号通过发射天线发射，接收天线接收雷达通信一体化信号，该雷达通信一体化信号与光电振荡器中上述电耦合器的另一路输出信号一起发送至正交混频器，混频后的信号发送至数字信号处理模块，数字信号处理模块对混频后的信号进行处理和解调，得到雷达的距离信息和通信信息，实现雷达通信一体化。
本发明提出的微波光子雷达通信一体化方法，包括以下步骤：
(1)根据雷达通信一体化的工作频段，确定光电振荡器中滤波器的中心频率；光电振荡器中的射频信号经过一个90度电桥，在X偏振方向上驱动一个工作状态为单边带调制的双平行调制器，产生X偏振方向的单边带光谱Ex，该单边带光谱Ex中的光载波和射频调制边带之间的频率间隔即为光电振荡器的振荡频率ωe；
(2)设定通信信息的比特为cI和cQ，设计雷达通信一体化信号：即采用两路双极性编码的脉冲压缩信号rI(t)和rQ(t)，双极性编码的长度分别为M和N，双极性编码的码元周期为τ，将设定的通信信息比特cI和cQ调制在脉冲压缩信号rI(t)和rQ(t)的整体极性上，得到两路雷达通信一体化信号rcI(t)和rcQ(t)；
(3)根据步骤(2)的rcI(t)和rcQ(t)，在Y偏振方向上，驱动一个工作状态为抑制载波调制的双平行调制器，产生Y偏振方向的基带光谱Ey；
(4)利用一个光耦合器，使光多维度调控器的一部分信号输入至一个偏振分束器，使偏振分束器的两个输出信号分别为Ex+Ey和Ex-Ey，该两个输出信号在平衡探测器中进行单独拍频再相减，产生无载波泄露和镜频干扰的射频雷达通信一体化信号ExEy *，该雷达通信一体化信号ExEy *通过天线发射；
(5)步骤(4)的雷达通信一体化信号ExEy *被天线接收后，经过正交混频、模数转换后，在数字信号处理模块中对两路信号进行脉冲压缩，得到通信信息以及两路雷达回波延时信息△τI和△τQ，数字信号处理模块通过数据融合，得到真实雷达回波延时△τ，实现微波光子雷达通信一体化。
本发明提出的一种微波光子雷达通信一体化系统及方法，其特点和优点是：
本发明的微波光子雷达通信一体化系统，在一个具有选模、放大和光纤储能器件的传统OEO中插入一个光多维度调控模块，对光的频率、相位、幅度、偏振四个维度，进行灵活高速的控制和充分的复用，在射频频段实现雷达通信功能相对独立的并行融合。本发明的微波光子雷达通信一体化方法，利用OEO提供射频本振，优化了一体化信号的相位噪声，解决了对于高频外部源的依赖问题；通过在OEO环路中对光进行多维度调控和复用，解决了高速通信带来的雷达距离模糊问题，打破了传统一体化方法中存在的性能折衷，使得两个功能可以独立地进行设计和优化；由于OEO具有宽带可调谐性以及相位噪声与频率无关的特点，结合相应的信号接收和处理方法，突破了联合性能限制，消除了高速通信引起的雷达距离模糊问题，最终实现高质量、可重构的一体化系统。本发明的微波光子雷达通信一体化方法，可实现的雷达和通信性能为：最大探测距离通信容量距离分辨率可灵活改变M、N、τ的数值进行性能优化，以更好地满足不同应用场景下对于雷达和通信性能的需求。
附图说明
图1是本发明提出的一种微波光子雷达通信一体化系统的结构示意图。
图2是图1所示的系统中光多维度调控器的原理图。
图3是一体化信号产生过程中频谱变换的原理图。
图4是OEO的相位噪声曲线示意图。
图5是本发明实施例中实现的雷达距离像的结果示意图。
图6是本发明实施例实现的通信EVM曲线示意图。
具体实施方式
本发明提出的微波光子雷达通信一体化系统，其结构如图1所示，包括：激光源，光多维度调控器、光耦合器、偏振分束器、平衡探测器、长光纤、光电探测器、放大器、滤波器、电耦合器、正交混频器、发射天线和接收天线；其中所述的激光器、光多维度调控器、长光纤、光电探测器、放大器、滤波器和电耦合器组成光电振荡器；
其中，所述的激光源的输出与光多维度调控器的光输入端口相连，所述的光多维度调控器的数字输入端口与一个二路数字码源相连，光多维度调控器的射频输入端口与光电振荡器环路的单频振荡信号相连，利用二路数字码源发出的数字信号和光电振荡器环路的单频振荡信号经所述的光多维度调控器，对激光源发出的激光进行频率、幅度、相位、偏振的调控和复用后，由光耦合器分成两路信号，光耦合器的一路输出信号依次经过长光纤、光电探测器、放大器和滤波器后，与电耦合器的输入相连，电耦合器的一路输出信号与光多维度调控器的射频输入端口连接，形成闭合的光电振荡器，即OEO；光耦合器的另一路输出信号通过偏振分束器，输入平衡探测器，得到雷达通信一体化信号，信号产生过程中光谱变换的示意图如图3所示，雷达通信一体化信号通过发射天线发射，接收天线接收雷达通信一体化信号，该雷达通信一体化信号与光电振荡器中上述电耦合器的另一路输出信号一起发送至正交混频器，混频后的信号发送至数字信号处理模块，数字信号处理模块对混频后的信号进行处理和解调，得到雷达的距离信息和通信信息，实现雷达通信一体化。
上述微波光子雷达通信一体化系统中，所述的光多维度调控器的具体结构如图2所示，包括90度电桥和双偏振双平行调制器，所述的光电振荡器环路的单频振荡信号与所述的90度电桥相连，90度电桥的两个输出信号分别加载在X偏振方向的两个平行的马赫增德调制器(MZM)上，所述的二路数字码源输入加载在Y偏振方向的两个平行的马赫增德调制器上，X和Y偏振方向的两路光通过一个偏振合束器合并为一路，作为光多维度调控器的输出。
本发明提出的微波光子雷达通信一体化方法，包括以下步骤：
(1)根据雷达通信一体化的工作频段，确定光电振荡器中滤波器的中心频率；光电振荡器中的射频信号经过一个90度电桥，在X偏振方向上驱动一个工作状态为单边带调制的双平行调制器，产生X偏振方向的单边带光谱Ex，该单边带光谱Ex中的光载波和射频调制边带之间的频率间隔即为光电振荡器的振荡频率ωe；
(2)设定通信信息的比特为cI和cQ，设计雷达通信一体化信号：即采用两路双极性编码的脉冲压缩信号rI(t)和rQ(t)，双极性编码的长度分别为M和N，双极性编码的码元周期为τ，将设定的通信信息比特cI和cQ调制在脉冲压缩信号rI(t)和rQ(t)的整体极性上，得到两路雷达通信一体化信号rcI(t)和rcQ(t)；
(3)根据步骤(2)的rcI(t)和rcQ(t)，在Y偏振方向上，驱动一个工作状态为抑制载波调制的双平行调制器，产生Y偏振方向的基带光谱Ey；
(4)利用一个光耦合器，使光多维度调控器的一部分信号输入至一个偏振分束器，使偏振分束器的两个输出信号分别为Ex+Ey和Ex-Ey，该两个输出信号在平衡探测器中进行单独拍频再相减，产生无载波泄露和镜频干扰的射频雷达通信一体化信号ExEy *，该雷达通信一体化信号ExEy *通过天线发射；
(5)步骤(4)的雷达通信一体化信号ExEy *被天线接收后，经过正交混频、模数转换后，在数字信号处理模块中对两路信号进行脉冲压缩，得到通信信息以及两路雷达回波延时信息△τI和△τQ，数字信号处理模块通过数据融合，当△τ＝△τI+i·Mτ＝△τQ+j·Nτ(i和j是任意正整数)满足时，得到真实雷达回波延时△τ，实现微波光子雷达通信一体化。
本发明的微波光子雷达通信一体化方法，可实现的雷达和通信性能为：最大探测距离通信容量距离分辨率可灵活改变M、N、τ的数值进行性能优化，以更好地满足不同应用场景下对于雷达和通信性能的需求。
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明提出的微波光子雷达通信一体化系统，其中各部件实现如下：
所述的90度电桥、双偏振双平行调制器、平衡探测器、放大器、电耦合器、光电探测器、IQ混频器的响应速率大于目标一体化信号的工作频率；
所述滤波器的中心频率应等于目标一体化信号的工作频率；
所述数字码源的码率应大于目标一体化信号的带宽；
所述双偏振双平行调制器在X方向应偏置为单边带调制工作点，在Y方向应偏置为抑制载波调制工作点。
本发明的一个实施例中，使用的正交调制器由四川恒伟公司生产，产品型号为HWIQ60265-18；使用的电耦合器由A-INFO公司生产，产品型号为GF-T8-10-26.5；使用的双偏振双平行调制器，由富士通公司生产，产品型号为FTM7977。
以下介绍本发明方法的一个实施例：
本实施例以工作在24GHz频率，带宽2GHz的雷达通信一体化系统为例，M＝11，N＝13，实现了一个基于OEO的微波光子雷达通信一体化系统装置，并进行了实验验证。OEO中产生的载频的相位噪声如图4所示，在10kHz频偏处达到了-123dBc/Hz，证明了所产生的一体化信号具有较小的相位抖动。在接受端对两路信号分别进行脉冲压缩解调，改变以及一维距离像如图5(a)(b)所示，数据融合之后的一维距离像如图5(c)所示，在分辨率不变的情况下，大大扩大了最大探测范围，解决了因高速通信带来的距离模糊问题。同时，得到了335.6Mbps的通信容量，误差向量幅度随接收功率变化的曲线(EVM)如图6所示。
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