微波光子四倍頻復(fù)合雷達(dá)信號生成及目標(biāo)多維度探測

梁丁丁，陳 陽

（華東師范大學(xué)通信與電子工程學(xué)院上海市多維度信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241）

1 引言

雷達(dá)波形的產(chǎn)生是現(xiàn)代雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的基本組成部分，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高精度、多維度探測的核心使能技術(shù)［1，2］. 不同種類的雷達(dá)信號波形可用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不同維度的探測，例如目標(biāo)的距離、速度和形狀［3～5］. 目標(biāo)的距離測量方法主要包括基于脈沖體制的回波延時測距和基于連續(xù)波體制的頻率差測距［6］，目標(biāo)的速度測量和形狀獲取則主要依據(jù)多普勒頻移和微波成像算法實(shí)現(xiàn). 為了實(shí)現(xiàn)高精度目標(biāo)探測，需要雷達(dá)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高頻率、大帶寬的雷達(dá)信號波形［7］. 然而，受到“電子瓶頸”的限制，傳統(tǒng)電子技術(shù)在高頻、大帶寬雷達(dá)信號生成方面面臨巨大挑戰(zhàn)，越來越難以滿足高精度、多維度目標(biāo)探測的需求［7，8］.

近年來，微波光子技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中，其目的是突破傳統(tǒng)雷達(dá)面臨的頻率和帶寬瓶頸，是一項(xiàng)具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)［9～11］. 許多基于微波光子技術(shù)的高頻、寬帶雷達(dá)信號產(chǎn)生方法已經(jīng)被提出［12～18］，尤其是線性調(diào)頻（Linearly Frequency-Modulated，LFM）信號［14～17］的產(chǎn)生方法. 文獻(xiàn)［16］使用微波光子四倍頻技術(shù)產(chǎn)生了瞬時帶寬高達(dá)8 GHz 的LFM 信號，并用于實(shí)現(xiàn)高分辨率實(shí)時逆合成孔徑雷達(dá)（Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR）成像，距離分辨率高達(dá)2 cm. 為了進(jìn)一步提高距離分辨率，文獻(xiàn)［17］基于微波光子六倍頻技術(shù)產(chǎn)生了瞬時帶寬高達(dá)10.02 GHz的雷達(dá)信號，ISAR成像距離分辨率高達(dá)1.68 cm. 基于微波光子信號產(chǎn)生技術(shù)，一些高精度的目標(biāo)測量方法也被提出［18～21］. 通常，單啁啾LFM 信號被用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離測量和高分辨率ISAR 成像［16，17］，而雙啁啾LFM 信號被用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的同時測量［18～20］. 文獻(xiàn)［18］提出了一種高分辨率的距離和速度測量方法，使用微波光子倍頻技術(shù)生成“V”型的雙啁啾LFM信號，其距離和速度的測量分辨率均能夠提高一倍. 文獻(xiàn)［19］提出使用多波段雙啁啾LFM 信號實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)距離和速度的相對測量誤差分別小于0.005%和0.59%. 文獻(xiàn)［20］提出使用雙波段對稱三角LFM 信號實(shí)現(xiàn)多個目標(biāo)的距離和速度測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)距離和速度絕對誤差分別小于9 mm 和0.16 m/s.上述方法［16～20］均可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高精度測量. 然而，文獻(xiàn)［16，17］可以實(shí)現(xiàn)距離測量和高分辨率微波成像，但無法準(zhǔn)確測量目標(biāo)速度，文獻(xiàn)［18～20］可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度測量，但當(dāng)目標(biāo)徑向速度較大時，2 個雙啁啾LFM 信號去斜后的信號將會互相干擾，導(dǎo)致難以進(jìn)行高質(zhì)量的ISAR 成像. 針對上述問題，文獻(xiàn)［21］提出使用一種復(fù)合雷達(dá)波形同時實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度測量以及高分辨率ISAR 成像. 在實(shí)驗(yàn)中，該復(fù)合雷達(dá)信號由正啁啾LFM 信號和單音微波信號組成，其信號產(chǎn)生方法是基于微波光子上變頻技術(shù). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)的距離和徑向速度絕對誤差分別小于5.9 cm 和2.8 cm/s. 該方法與上述3 種距離和速度測量方法［18～20］的不同之處在于使用單啁啾LFM 信號和單音微波信號的同時實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)距離、徑向速度的測量和ISAR 成像，且在實(shí)驗(yàn)中探測目標(biāo)處于運(yùn)動狀態(tài)而非靜止?fàn)顟B(tài)，目標(biāo)回波是真實(shí)回波而非由任意波形發(fā)生器模擬的回波.

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高精度、多維度目標(biāo)探測并降低系統(tǒng)對電域信號源的要求，本文提出一種微波光子四倍頻復(fù)合雷達(dá)信號產(chǎn)生方法，該復(fù)合雷達(dá)信號由單啁啾LFM 信號和單音微波信號組成，其中單音微波信號和單啁啾LFM 信號被聯(lián)合用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)徑向速度測量，單啁啾LFM 信號被用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離測量和高分辨率微波成像. 在發(fā)射端，使用微波光子四倍頻技術(shù)生成了瞬時帶寬為2 GHz 的正啁啾線性調(diào)頻信號和頻率為13.2 GHz的單音微波信號. 在接收端，目標(biāo)回波信號經(jīng)去斜后用來實(shí)現(xiàn)距離和徑向速度測量以及高分辨率ISAR 成像. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)的距離和徑向速度絕對誤差分別不超過4.2 cm 和1.7 cm/s，多個探測目標(biāo)成像結(jié)果清晰可辨.

2 基本原理

圖1 為復(fù)合雷達(dá)信號生成及目標(biāo)多維度探測系統(tǒng)原理圖. 激光器（Laser Diode，LD）產(chǎn)生的單頻光載波通過一個偏振控制器（Polarization Controller，PC）注入雙偏振馬赫-曾德爾調(diào)制器（Dual-polarization Mach-Zehnder Modulator，Dpol-MZM），該光載波可表示為

圖1 復(fù)合雷達(dá)信號生成及目標(biāo)多維度探測系統(tǒng)原理圖

其中，E0是光載波的電場幅度；f0是光載波的中心頻率.Dpol-MZM 由2 個馬赫-曾德爾調(diào)制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）組成. 中頻LFM 信號由任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）生成，經(jīng)電放大器（Electrical Amplifier，EA1）放大和帶通濾波器（Bandpass Filter，BPF1）濾波后用于驅(qū)動MZM1 上的射頻端口. 頻率為fL的單音信號由微波信號源（Microwave Signal Generator，MSG）產(chǎn)生并用于驅(qū)動MZM2 上的射頻端口. 因此，2個馬赫-曾德爾調(diào)制器上的調(diào)制信號可以分別表示為

其中，V1和V2分別是單音信號和中頻LFM 信號的幅度；fC和fB分別是中頻LFM 信號的中心頻率和帶寬；T為中頻LFM 信號的脈沖周期；k=fB/0.8T為中頻LFM 信號的啁啾率.

調(diào)節(jié)2 個子調(diào)制器的偏置電壓使其均工作在最大傳輸點(diǎn)，此時MZM1和MZM2輸出的光信號主要由光載波和±2 階光邊帶組成，如圖1（a）所示. 為了抑制光載波對復(fù)合雷達(dá)信號生成的影響，使用一個光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）對Dpol-MZM 輸出的光信號進(jìn)行處理.FBG 的透射譜可以當(dāng)作一個光陷波濾波器（Optical Notch Filter，ONF），用于濾除光載波，僅保留±2階光邊帶，如圖1（b）所示.FBG的反射譜將光載波進(jìn)行反射，被反射的光載波經(jīng)環(huán)形器（Circulator，CIR）的端口3 輸出并當(dāng)作反饋信號，如圖1（c）所示. 該反饋回路由一個光電探測器（Photodetector，PD2）和一個微控制器（Micro-Control Unit，MCU）組成，用于根據(jù)反射光載波的強(qiáng)度調(diào)節(jié)激光器中心波長使其與FBG 凹陷位置對齊. 此時，F(xiàn)BG 輸出的偏振復(fù)用的透射光信號可以表示為

其中，m1和m2分別是MZM1和MZM2的調(diào)制指數(shù)；Jn（·）為n階第一類貝塞爾函數(shù). 該透射光信號經(jīng)PD1 探測后，產(chǎn)生四倍頻復(fù)合雷達(dá)信號，如圖1（d）所示. 該復(fù)合雷達(dá)信號可以表達(dá)為

其中，η為PD1 的響應(yīng)度. 從式（5）中可知，輸出線性調(diào)頻信號的頻率和帶寬以及單音微波信號的頻率均為輸入信號的4 倍. 生成的雷達(dá)信號經(jīng)電放大器（EA2）進(jìn)行放大，并使用帶通濾波器（BPF2）消除光電探測器輸出信號中的直流分量和非線性成分后，可以表達(dá)為

其中，V3和V4分別是單啁啾LFM信號和單音微波信號的幅度. 使用該復(fù)合雷達(dá)信號即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多維度探測.首先，將產(chǎn)生的寬帶LFM信號和單音微波信號經(jīng)功分器（Power Splitter，PS）分成2路，一路與混頻器（Mixer）本振端口相連作為雷達(dá)參考信號，另一路經(jīng)天線（Antenna）發(fā)射用于探測目標(biāo). 此時，雷達(dá)參考信號可以表達(dá)為

其中，E1和E2分別是單啁啾LFM 信號和單音微波信號的幅度. 移動目標(biāo)反射的雷達(dá)回波信號經(jīng)Δτ延時后由接收天線接收，該延時可以表達(dá)為

其中，c是真空中的光速；R0是目標(biāo)距離天線的起始距離；v是目標(biāo)的徑向速度；t是時間. 接收到的雷達(dá)回波信號通過一個電放大器（EA3）進(jìn)行放大. 放大后的回波信號可以表達(dá)為

其中，E3和E4分別是LFM信號和單音微波信號的幅度.

在雷達(dá)接收端，采用電域混頻方式實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)回波信號的去斜，圖2給出了雷達(dá)信號去斜處理的基本原理. 經(jīng)混頻器混頻、低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）濾波后的電信號可以表達(dá)為

圖2 雷達(dá)信號去斜處理的基本原理

該去斜后的電信號由2個頻率分量組成，即

由 于v?c和(2v/c)(4fC-2fB) ?4kΔτ，因此，式（12）可以簡化為

依據(jù)式（11）和（13），目標(biāo)的距離和徑向速度的大小可以表達(dá)為

為了確定目標(biāo)徑向速度的方向，需要使用相鄰采樣的2 個回波信號. 在實(shí)際的應(yīng)用中，目標(biāo)距離變化引起的去斜頻率fd-LFM變化遠(yuǎn)大于目標(biāo)速度變化引起的多普勒頻率fd-CW變化. 因此，假設(shè)相鄰2 次采樣目標(biāo)的徑向速度不變，若測量的目標(biāo)距離在增加，可確定目標(biāo)在遠(yuǎn)離雷達(dá)，此時，定義目標(biāo)的徑向速度方向?yàn)檎粗?，徑向速度方向?yàn)樨?fù). 通過式（14）、式（15）和上述方法，運(yùn)動目標(biāo)的距離和徑向速度信息均能夠獲取.

由于目標(biāo)速度引起的多普勒頻率遠(yuǎn)小于寬帶LFM信號去斜后的頻率，因此，使用一個數(shù)字高通濾波器可消除多普勒頻率對ISAR 成像的影響. 理論上，ISAR 成像的距離分辨率和方位分辨率可以分別表達(dá)為其中，B是發(fā)射LFM信號的帶寬；λ和θ分別是發(fā)射LFM信號的中心波長和目標(biāo)在一幀圖像內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度. 依據(jù)式（16）和式（17）可知，高分辨率ISAR 成像可以通過采用大帶寬的LFM信號和積累更大的旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證該方案的可行性，根據(jù)圖1所示原理圖搭建了實(shí)驗(yàn)鏈路. 在實(shí)驗(yàn)中，激光器LD（HLT-ITLA-M-C-20-1-1-FA）輸出光載波的中心波長為1550.136 nm，功率為13 dBm. 中頻LFM 信號由任意波形發(fā)生器AWG（Keysight M8190A）產(chǎn)生，其中心頻率、帶寬和脈沖周期分別為3 GHz、0.5 GHz和100 μs. 該中頻LFM 信號經(jīng)電放大器EA1（Aeroflex AMPF-107MDA-09）放大和帶通濾波器BPF1（KGL YA351-2，2.4～4.1 GHz）濾波后注入雙偏振馬赫-曾德爾調(diào)制器Dpol-MZM（Fujitsu FTM7981EDA）中. 單音信號由微波信號源MSG（Agilent 83630B）產(chǎn)生，其頻率為3.3 GHz.Dpol-MZM 輸出的光信號經(jīng)環(huán)形器（Circulator，CIR）注入FBG 中，F(xiàn)BG 的中心波長和3 dB帶寬分別為1550.136 nm和10 GHz.FBG輸出的反射光信號經(jīng)光電探測器PD2（LSIPD-A75）轉(zhuǎn)換為電信號后輸入MCU，MCU 根據(jù)反射光載波功率的大小控制激光器的中心波長，使激光器的中心波長與FBG 凹陷位置對齊. FBG 輸出的透射光信號經(jīng)光電探測器PD1（HLT-PD-M-15550-40-0-1-FA）轉(zhuǎn)換為電信號，使用電放大器EA2（CLM 145-5023-293，5.85～14.5 GHz）放大和帶通濾波器BPF2（KGL YA356-2，10.4～14.1 GHz）濾波后，得到復(fù)合雷達(dá)信號，該信號可作為雷達(dá)發(fā)射信號用于高精度、多維度目標(biāo)探測.

系統(tǒng)產(chǎn)生的復(fù)合雷達(dá)信號經(jīng)功分器PS（Narda MODEL 4456，2～18 GHz）分成兩路，一路與混頻器（M/ACOM M14A）本振端口相連作為參考信號，另一路經(jīng)發(fā)射天線（GHA080180-SMF-14，8～18 GHz）發(fā)射用于探測目標(biāo). 目標(biāo)反射回波經(jīng)接收天線（GHA080180-SMF-14，8～18 GHz）接收、電放大器EA3（CLM 145-7039-293B，5.85～14.50 GHz）放大后與混頻器射頻端口相連. 混頻器輸出的信號經(jīng)低通濾波器LPF（Mini-Circuits SLP-1650，DC-1.4 GHz）濾波后，輸出去斜后的電信號. 該電信號由實(shí)時示波器OSC（R&S RTO2032）采樣，用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和徑向速度的測量以及高分辨率ISAR成像.

3.1 復(fù)合雷達(dá)信號生成

首先，使用光譜分析儀OSA（Ando AQ6137B）測量了FBG 輸入端和透射輸出端的光譜以及FBG 透射譜傳輸曲線，如圖3 所示. 紅色虛線表示FBG 透射譜傳輸曲線；黑色實(shí)線表示FBG 輸入端的光譜，即Dpol-MZM 輸出光信號的光譜；藍(lán)色實(shí)線表示FBG 輸出端的光譜，即FBG 光陷波濾波后光信號的光譜. 從圖3 中可知，經(jīng)FBG進(jìn)行陷波濾波后，光載波抑制比達(dá)到23.0 dB. 需要注意的是，圖3 顯示的光譜中2 個偏振態(tài)的光信號已經(jīng)疊加在一起，±2 階的單音光邊帶和±2 階的LFM 光邊帶并不能區(qū)分，這主要受限于光譜儀的分辨率.

圖3 FBG輸入端和輸出端的光譜及FBG透射譜傳輸曲線

然后，使用頻譜分析儀ESA（R&S，F(xiàn)SP-40）分別測量了AWG 輸出的中頻LFM 信號和產(chǎn)生的復(fù)合雷達(dá)信號的頻譜，如圖4所示. 由圖4可知，寬帶雷達(dá)LFM信號的中心頻率和帶寬分別是AWG輸出的中頻LFM信號的4倍，即中心頻率為12 GHz、帶寬為2 GHz. 在圖4（b）中，頻率為13.2 GHz 的單音微波信號是由微波信號源產(chǎn)生的頻率為3.3 GHz的信號經(jīng)微波光子四倍頻生成的. 需要指出的是，在頻率為12 GHz處存在一個干擾信號，這是由AWG 12 GHz 的采樣時鐘及非線性引起的. 由于干擾信號的功率遠(yuǎn)小于頻率為13.2 GHz 的單音微波信號和寬帶LFM 信號的功率，因此，該干擾信號的影響在實(shí)驗(yàn)中可以被忽略.

圖4 AWG輸出的中頻LFM信號和產(chǎn)生的復(fù)合雷達(dá)信號的頻譜

3.2 距離和徑向速度測量

在實(shí)驗(yàn)中，利用系統(tǒng)產(chǎn)生的寬帶LFM 信號進(jìn)行了物體測距. 沿著雷達(dá)視線方向，2 個靜止的長方體相距8 cm，被測物體的實(shí)物圖如圖5（a）所示.2 個靜止目標(biāo)的反射回波經(jīng)混頻后由示波器進(jìn)行采樣，示波器采樣率為4 MSa/s. 圖5（b）是一個周期采樣信號的頻譜. 由圖5（b）能夠明顯地觀測到2 個峰值，其頻率分別為163.4 kHz和178.5 kHz. 依據(jù)式（14），可計算出2個峰值相距9.1 cm，對應(yīng)的測量絕對誤差為1.1 cm.

圖5 實(shí)驗(yàn)情況

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的測距和測速能力，使用單個沿圓周運(yùn)動的圓柱體作為待測目標(biāo). 該目標(biāo)位于轉(zhuǎn)臺上，目標(biāo)與轉(zhuǎn)臺中心的距離R為30 cm，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)周期為24.56 s，轉(zhuǎn)臺中心與天線距離L為137.5 cm，如圖6（a）所示. 在旋轉(zhuǎn)過程中，目標(biāo)回波的采樣受電腦控制，每隔17/16 旋轉(zhuǎn)周期采樣一次，共采樣17 次，每次采樣時間為2 s. 圖6（b）是第13 次采樣信號的時域波形，經(jīng)快速傅里葉變換后，頻譜如圖6（c）所示. 從圖6（c）可知，在頻率為100 kHz 附近，存在一個較強(qiáng)的干擾信號，該干擾信號主要是發(fā)射端發(fā)射信號被泄露到接收天線引起的. 由于干擾信號出現(xiàn)的位置與目標(biāo)回波去斜后的信號在頻域上是分開的，因此可用一個數(shù)字帶阻濾波器來消除該干擾信號對目標(biāo)距離和徑向速度測量的影響. 圖6（d）是消除天線自干擾后信號的頻譜，其低頻分量是目標(biāo)運(yùn)動引起的多普勒頻率，較高頻率分量是寬帶LFM 信號去斜后的頻率，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖2 分析結(jié)果一致. 因此，依據(jù)式（14）和式（15），可從低頻分量處提取目標(biāo)的徑向速度大小，從較高頻率分量處提取目標(biāo)的距離信息. 目標(biāo)的徑向速度方向可通過相鄰2 次采樣回波信號提取的距離信息進(jìn)行確定. 圖7 是待測目標(biāo)在轉(zhuǎn)臺圓周內(nèi)不同位置處（通過17 個周期17 次測量得到）測量得到的距離和速度曲線. 其中，藍(lán)色五星和黑色方塊分別表示各采樣點(diǎn)的測量值和理論值，紅色圓圈表示測量誤差. 由圖7 可知，目標(biāo)距離和徑向速度的測量值與理論值高度一致，其絕對誤差分別小于4.2 cm和1.7 cm/s.

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 測量結(jié)果

3.3 高分辨率ISAR成像

在ISAR 成像實(shí)驗(yàn)中，中心頻率為12 GHz、帶寬為2 GHz 的單啁啾LFM 信號和頻率為13.2 GHz 的單音微波信號仍作為雷達(dá)發(fā)射信號. 為了實(shí)現(xiàn)高分辨率ISAR成像，使用一個數(shù)字高通濾波器消除單音微波信號和天線自干擾信號對ISAR 成像的影響. 實(shí)驗(yàn)中，將3 個圓柱體和3 個長方體置于轉(zhuǎn)臺上，具體實(shí)驗(yàn)場景如圖8（a）所示. 沿著雷達(dá)視線方向，轉(zhuǎn)臺中心與天線相距為1.52 m，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)周期為24.56 s. 依據(jù)式（16）和式（17），帶寬為2 GHz的LFM信號對應(yīng)的ISAR成像距離分辨率為7.5 cm，積累時間為2 s的方位分辨率為2.4 cm.ISAR成像結(jié)果如圖8（b）所示，6 個目標(biāo)清晰可辨. 圖8（b）中成像結(jié)果在方位向和距離向的顯示分辨率分別為2.4 cm和6 cm. 由于發(fā)射信號是占空比80%的LFM信號，而該圖是通過對整個信號周期內(nèi)的信號使用成像算法得到的，因此圖中顯示分辨率為6 cm.

圖8 ISAR成像

為了進(jìn)一步展示系統(tǒng)ISAR 成像的性能，3 個長方體作為探測目標(biāo)被置于轉(zhuǎn)臺的不同位置，如圖9（a）所示. 與第一次ISAR 成像實(shí)驗(yàn)參數(shù)不同之處在于，轉(zhuǎn)臺中心與天線相距為1.75 m. 在旋轉(zhuǎn)過程中，目標(biāo)每隔5/4周期采樣一次，共采樣5 次，每次采樣時間為2 s. 圖9（b）是第一次采樣后ISAR 成像結(jié)果，3 個探測目標(biāo)清晰可辨. 圖9（c）和（d）分別是第三次和第四次的成像結(jié)果，同樣實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的高分辨率成像.

圖9 多目標(biāo)連續(xù)多幀ISAR成像

4 結(jié)論

本文提出了一種微波光子四倍頻復(fù)合雷達(dá)信號產(chǎn)生方法，該復(fù)合雷達(dá)信號包括單啁啾LFM 信號和單音微波信號. 通過實(shí)驗(yàn)，利用低頻、窄帶寬的LFM 信號和微波信號生成了頻率為11～13 GHz 的寬帶單啁啾LFM信號和頻率為13.2 GHz 的單音微波信號. 利用該復(fù)合信號，可同時實(shí)現(xiàn)高精度的目標(biāo)距離和徑向速度測量以及高分辨率ISAR成像. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)的距離和徑向速度絕對誤差分別不超過4.2 cm 和1.7 cm/s，多個探測目標(biāo)成像結(jié)果清晰可辨. 本文所提出的方法可以為測距、測速和成像一體化的多功能雷達(dá)提供新的技術(shù)途徑和解決方案.