一种基于微波光子技术的多目标三坐标探测方法

1.本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标距离、方位角和俯仰角探测方法，该方法属于微波光子与雷达相交叉的技术领域。


背景技术：

2.雷达是20世纪电子工程领域内最重要的发明之一，利用无线电对目标进行探测。相比于光学以及红外探测手段，雷达具有的全天时、全天候、远距离工作的能力，在日常生活和军事领域中都具有广泛的应用。雷达需要对目标进行快速探测，为接下来的远距离预警、高精度定位、高分辨率成像等工作做好铺垫，这些都要求雷达系统具有更大的瞬时带宽以及更高的功能集成度。当前基于传统电子技术的雷达系统面临“电子瓶颈”的困扰，探测性能受到诸多限制，系统结构复杂，体积庞大。微波光子技术具有大带宽、抗电磁干扰、体积小、传输损耗低等优势，可在光域实现宽带雷达信号的产生及处理工作，为增强雷达探测系统性能提供了有效手段。
3.在对目标进行探测时，不仅要求雷达系统能够获得不同目标的距离、方位角以及俯仰角信息，还要具有大范围的方向探测能力以同时探测位于各个方向的目标。在现有的微波光子雷达探测方法中，存在多目标同时探测能力较差、方向探测范围较小的缺点，难以胜任在较大的方向探测范围内对多目标同时探测距离、方位角以及俯仰角的任务。


技术实现要素：

4.为了解决现有微波光子雷达探测技术难以在大方向范围内同时对多个目标进行距离、方位角以及俯仰角的测量，从而导致现有方法不利于在实际的军事及民用环境中应用的问题，本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标距离、方位角和俯仰角探测方法，将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的十字形天线阵列接收回波并对回波进行去斜处理。对去斜处理得到的去斜信号频率进行对称性分析，实现对不同目标的距离、方位角以及俯仰角探测信息的区分，实现同时探测多目标的距离、方位角以及俯仰角信息。
5.本发明具体技术方案如下：
6.一种基于微波光子技术的多目标距离、方位角和俯仰角探测方法，所述方法的具体实现链路包括激光源(ld)、马赫-曾德尔调制器(mzm)、信号源(sg)、第一光耦合器(oc1)、前置光电探测器(pd)、前置功率放大器(pa)、发射天线(pa)、第二光耦合器(oc2)、第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器(pdm-dmzm1)、第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器(pdm-dmzm2)、中间接收天线(rac)、x轴第一接收天线(rax1)、x轴第二接收天线(rax2)、y轴第一接收天线(ray1)、y轴第二接收天线(ray2)、第一偏振控制器(pc1)、第一偏振分束器(pbs1)、第二偏振控制器(pc2)、第二偏振分束器(pbs2)、第一光电探测器(pd1)、第二光电探测器(pd2)、第三光电探测器(pd3)、第四光电探测器(pd4)和信号采集处理模块。其中第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器均包括
上臂子调制器和下臂子调制器。中间接收天线与x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线的间距均为d。所述方法包括以下步骤：
7.步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号，具体如下：
8.激光源产生的连续光信号输入马赫-曾德尔调制器作为光载波，马赫-曾德尔调制器的射频驱动信号为由任意波形发生器产生的中频线性调频信号，设置直流偏置电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，抑制载波和偶数阶边带，只保留奇数阶边带；
9.接下来，利用第一光耦合器将马赫-曾德尔调制器的输出信号分成两路，其中一路输入前置光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号；
10.最后，先将该信号输入前置功率放大器进行放大，再利用发射天线发射，作为雷达探测信号。
11.步骤二：目标距离和方向的探测
12.利用第一光耦合器将马赫-曾德尔调制器输出信号分出的另一路输入第二光耦合器，第二光耦合器输出的两路光信号分别输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器做为参考信号。通过设置第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其上下两个子调制器均工作在正交偏置点。第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的上下两臂的子调制器各有两个驱动信号，其中第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器的驱动信号为由中间接收天线和x轴第一接收天线的接收回波信号；下臂子调制器的驱动信号为和由中间接收天线和x轴第二接收天线的接收回波信号；第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器的驱动信号为由中间接收天线和y轴第一接收天线的接收回波信号；下臂子调制器的驱动信号为和由中间接收天线和y轴第二接收天线的接收回波信号。使用第一偏振控制器和第一偏振分束器对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号。输出信号分别经过第一光电探测器、第二光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i1(t)和i2(t)。使用第二偏振控制器和第二偏振分束器对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号。输出信号分别经过第三光电探测器、第四光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i3(t)和i4(t)。四路电信号经过信号采集处理模块采集与处理后，可得到与目标距离、目标的回波x轴到达角以及y轴到达角相关的低频信号。对低频信号进行求解以及频率分析，便可同时得到每一个目标的距离和回波的x轴到达角以及y轴到达角信息。根据到达角和方位角以及俯仰角之间的几何关系，计算每一个目标的方位角和俯仰角，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测。
13.所述与第n个目标距离、回波到达角有关的低频信号频率表示为：
14.15.式中，
16.f
x1,n
为x轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，
17.f
x2,n
为x轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，
18.f
c,n
为中间接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，
19.f
y1,n
为y轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，
20.f
y2,n
为y轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，
21.k为信号源所产生的中频线性调频信号的调频斜率，
22.·
表示乘法运算，
23.n＝1、2、
…
、n，n为目标数量总数，
24.τ
x1,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到x轴第一接收天线时，所经历的时间延迟，
25.τ
x2,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到x轴第二接收天线时，所经历的时间延迟，
26.τ
c,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到中间接收天线时，所经历的时间延迟，
27.τ
y1,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到y轴第一接收天线时，所经历的时间延迟，
28.τ
y2,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到y轴第二接收天线时，所经历的时间延迟，
29.所述第n个目标的距离rn和第n个目标的回波的x轴到达角αn以及y轴到达角βn分别表示为
[0030][0031]
其中，c为空气中的光速。
[0032]
所述第n个目标的方位角θn和俯仰角可利用αn和βn分别表示为
[0033][0034]
本发明在发射端，利用马赫-曾德尔调制器对任意波形发生器产生的中频线性调频信号进行二倍频操作，产生具有大瞬时带宽的线性调频信号，并作为探测信号发射到自由空间用于目标探测。在接收端，利用五个对称放置的天线(x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、中间接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线)组成接收天线阵列，共同接收目标反射的回波信号。将x轴第一接收天线、x轴第二接收天线和中间接收天线接收到的回波信号作为第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号。使用第一偏振控制器和第一偏振分束器对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过第一光电探测器和第二光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号。将y轴第一接收天线、y轴第二接收天线和中间接收天线接收到的回波信号作为第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号。使用第二偏振控制器和第二偏振分束器对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过第三光电探测器和第四光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号。利用不同接收天线接收到的回波信号之间的关系以及回波信号与参考信号之间的关系实现多个目标距离和回波的x轴到达角以及y轴到达角的同时探测。最后，利用到达角和方位角以及俯仰角之间的几何关系，计算每个目标的方位角和俯仰角，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测。
[0035]
本发明的有益效果：
[0036]
本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标距离、方位角和俯仰角探测方法，将微波光子技术和雷达探测技术结合，利用对称结构的十字形天线阵列接收目标回波信号，根据接收回波与参考信号的关系实现目标距离和方向的探测，根据不同天线接收回波去斜结果之间的频率关系，实现不同目标探测结果的区分，实现在大方向探测范围内对多个目标距离、方位角和俯仰角的同时探测。相比于现有技术，本发明所述方法在很大程度上提高了基于微波光子技术的雷达对多目标同时探测的有效性，扩大了方向探测范围，使其更利于在军事及民用环境中的应用。
[0037]
现有微波光子方向探测方法主要是根据回波信号的相位信息解算目标方向或通过在空间中进行波束扫描探测目标的方向。根据回波信号的相位信息解算目标方向时，测量精度易受激光器功率波动和调制器偏置点漂移的影响而下降；且为了实现无模糊方向测量，要求天线基线长度小于接收信号波长的一半，当接收信号频率较高波长较短时，过短的天线长度也会降低测量精度。通过在空间中进行波束扫描探测目标的方向时，受限于天线阻抗匹配、波束宽度随扫描角度增大而展宽等因素影响，波束扫描范围通常较小；且为提高方位探测分辨率，要求波束宽度很窄，导致扫描完整的空域需要较长的时间，无法做到大方向探测范围内多目标的实时探测。本发明基于接收回波信号与参考信号的频率差完成多个目标的距离、方位角和俯仰角同时探测，对激光器功率波动和调制器偏置点漂移不敏感，因此具有更好的稳定性；接收天线的基线长度不必小于半波长，因此可以使用大孔径的接收天线阵列，以获得更高的探测精度；接收天线同时接收来自各个方向目标的回波信号，无需
波束扫描而可以实现对大方向范围内空间的实时监测。经实验验证，本发明可以在方位角0
°
至329.68
°
的范围内、俯仰角0
°
至71.80
°
的范围内有效进行多目标探测，而常见微波光子波束扫描雷达探测系统仅能在方位角0
°
至120
°
范围内、俯仰角0
°
至60
°
范围内对多目标进行有效探测。因此本发明具有更大的方向探测范围。
附图说明
[0038]
图1为基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法的链路结构示意图。
[0039]
图2为十字形天线阵列的结构示意图。
[0040]
图3为目标几何位置示意图。
具体实施方式
[0041]
为了解决现有微波光子雷达探测技术难以在大方向范围内同时对多个目标进行距离、方位角和俯仰角的测量，从而导致现有方法不利于在实际的军事及民用环境中应用的问题，本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标距离、方位角和俯仰角探测方法，将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的十字形天线阵列接收回波并对回波去斜结果进行对称性分析，实现对大方向范围内不同目标的距离、方位角和俯仰角探测信息的区分，最终完成对多目标的同时距离、方位角和俯仰角探测。
[0042]
本发明的基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法，过程如下：
[0043]
激光源产生的连续光信号进入马赫-曾德尔调制器，作为光载波。所述马赫-曾德尔调制器的驱动信号由信号源产生，通过调节直流偏置电压使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，从而实现载波及偶数阶边带的抑制而保留奇数阶边带。马赫-曾德尔调制器的输出信号输入第一光耦合器后分为两路，其中一路进入前置光电探测器，经过前置光电探测器光电转换后，得到倍频的线性调频信号。将所述倍频线性调频信号经过前置功率放大器放大后利用发射天线发射到自由空间，作为雷达探测信号。另一路输入第二光耦合器，再次被分为两路后，分别输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器作为参考信号。在接收端，利用五个对称放置的天线(x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、中间接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线)组成接收天线阵列，共同接收目标反射的回波信号。将x轴第一接收天线、x轴第二接收天线和中间接收天线接收到的回波信号作为第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号。使用第一偏振控制器和第一偏振分束器对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过第一光电探测器和第二光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号。将y轴第一接收天线、y轴第二接收天线和中间接收天线接收到的回波信号作为第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号。使用第二偏振控制器和第二偏振分束器对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过第三光电探测器和第四光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号。利用不同接收天线接收到的回波信号之间的关系以及回波信号与参考信号之间的关系实现多个目标方向和回波的x轴到达角以及y轴到达角的同时探测。最后，利用x轴到达角以及y轴到达角和方位角以及俯仰角之间的几何关系，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测。
[0044]
为了便于公众理解，下面结合附图和数学推导对本发明做进一步说明：
[0045]
图1为本发明的基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法的链路结构示意图，包括激光源(ld)、马赫-曾德尔调制器(mzm)、信号源(sg)、第一光耦合器(oc1)、前置光电探测器(pd)、前置功率放大器(pa)、发射天线(pa)、第二光耦合器(oc2)、第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器(pdm-dmzm1)、第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器(pdm-dmzm2)、中间接收天线(rac)、x轴第一接收天线(rax1)、x轴第二接收天线(rax2)、y轴第一接收天线(ray1)、y轴第二接收天线(ray2)、第一偏振控制器(pc1)、第一偏振分束器(pbs1)、第二偏振控制器(pc2)、第二偏振分束器(pbs2)、第一光电探测器(pd1)、第二光电探测器(pd2)、第三光电探测器(pd3)、第四光电探测器(pd4)和信号采集处理模块。其中第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器均包括上臂子调制器和下臂子调制器。中间接收天线与x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线的间距均为d。
[0046]
利用图1所示的链路结构，完成基于微波光子技术的多目标同时测距测向方法过程如下：
[0047]
步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号；
[0048]
激光源产生的连续光信号可以被表示为e(t)＝e0·
exp(j
·
ωc·
t)，e0和ωc分别为连续光信号的振幅和中心角频率，
·
表示乘法运算，j表示虚数单位，连续光信号输入马赫-曾德尔调制器作为其光载波，马赫-曾德尔调制器的射频驱动信号为由信号源产生的中频线性调频信号，该信号可表示为：
[0049][0050]
式中，v
lfm
、t、f
lfm
和k分别为中频线性调频信号的幅值、持续时间、初始频率和调频斜率，为矩形函数，用于描述该信号的包络信息，t表示时间变量。调节直流偏置电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，抑制载波和偶数阶边带只保留奇数阶边带。当输入到马赫-曾德尔调制器的中频线性调频信号的幅值小于200mv时，可以认为该中频线性调频信号为小信号。此时，马赫-曾德尔调制器的输出信号可表示为：
[0051][0052]
式中为j1(m)第一类一阶贝塞尔函数，括号中的m代表第一类一阶贝塞尔函数自变量的取值，π为圆周率，v
lfm
为中频线性调频信号的幅值，v0为马赫-曾德尔调制器的半波电压。
[0053]
接下来，利用第一光耦合器将该信号分成两路，一路输入前置光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号，其可表示为：
[0054][0055]
分析可知二倍频后线性调频信号的瞬时频率与时间变量t的关系为f
t
(t)＝2
·
(f
lfm
+k
·
t)。将二倍频线性调频信号输入前置功率放大器进行放大，放大后的二倍频线性
调频信号功率为10w。然后利用发射天线将放大后的二倍频线性调频信号发射到自由空间作为雷达探测信号。
[0056]
步骤二：目标距离和方向的探测
[0057]
将第一光耦合器输出的另外一路光信号输入第二光耦合器中，被第二光耦合器再次分为两路。分别输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器作为参考信号。利用五个对称放置的天线(x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、中间接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线)组成接收天线阵列，共同接收目标反射的回波信号，如图2所示。
[0058]
如图3所示目标位于点p1处，r为目标与坐标原点的距离，方位角θa为目标径矢在xoy平面内的投影相对x轴正方向的夹角，俯仰角θe为相对xoy平面的夹角，目标回波的x轴到达角α和y轴到达角β分别为与x轴和y轴正方向的夹角。当总计存在n个目标时，假设第n个目标的回波的x轴到达角为αn，y轴到达角为βn，且τ
x1,n
，τ
x2,n
，τ
c,n
，τ
y1,n
和τ
y2,n
分别为第n个目标的回波到达x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、中间接收天线、y轴第一接收天线和y轴第二接收天线的时间延迟量，其表达式如下所示：
[0059][0060]
式中rn为第n个目标的距离信息，c为空气中光速，d为接收天线的间距。因此五个接收天线的接收回波信号可以分别表示为：
[0061][0062]
式中s
x1
(t)为x轴第一接收天线的接收回波信号，s
x2
(t)为x轴第二接收天线的接
收回波信号，sc(t)为中间接收天线的接收回波信号，s
y1
(t)为y轴第一接收天线的接收回波信号，s
y2
(t)为y轴第二接收天线的接收回波信号，n为目标数量总数。
[0063]
将中间接收天线和x轴第一接收天线的接收回波信号输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器中作为驱动信号，将中间接收天线和x轴第二接收天线的接收回波信号输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器下臂子调制器中作为驱动信号。将中间接收天线和y轴第一接收天线的接收回波信号输入第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器中作为驱动信号，将中间接收天线和y轴第二接收天线的接收回波信号输入第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器下臂子调制器中作为驱动信号。五个接收天线的输出信号的幅值均小于200mv，因此输入到两个偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器中的信号为小信号。此时，在小信号条件下，第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号可以表示为：
[0064][0065]
式中，表示偏振方向为x方向的光信号，表示偏振方向为y方向的光信号。第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号可以表示为：
[0066][0067]
使用第一偏振控制器和第一偏振分束器对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号。输出信号分别经过第一光电探测器、第二光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i1(t)和i2(t)。使用第二偏振控制器和第二偏振分束器对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号。输出信号分别经过第三光电探测器、第四光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i3(t)和i4(t)。使用信号采集处理模块采集四个光电探测器的输出电信号，i1(t)，i2(t)，i3(t)和i4(t)可分别表示为：
[0068][0069]
将电信号i1(t)中的频率成分记为f1，将电信号i2(t)中的频率成分记为f2，将电信号i3(t)中的频率成分记为f3，将电信号i4(t)中的频率成分记为f4。f1，f2，f3和f4的表达式可以分别写为：
[0070][0071]
式中，f
x1,n
为x轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
x1,n
＝2
·k·
τ
x1,n
；f
x2,n
为x轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
x2,n
＝2
·k·
τ
x2,n
；f
c,n
为中间接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
c,n
＝2
·k·
τ
c,n
；f
y1,n
为y轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
y1,n
＝2
·k·
τ
y1,n
；f
y2,n
为y轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
y2,n
＝2
·k·
τ
y2,n
。n为目标数量总数。结合式(4)，可以通过频率f
x1,n
和f
x2,n
计算第n个目标的回波的x轴到达角αn，可以通过频率f
y1,n
和f
y2,n
计算第n个目标的回波的y轴到达角βn，可以通过频率f
c,n
和αn计算第n个目标的距离rn[0072][0073]
第n个目标的方位角θn和俯仰角可利用αn和βn分别表示为
[0074][0075]
传统的基于微波光子技术的探测方法直接对目标回波经过去斜处理后的频率进行计算以得到该目标的距离、回波的x轴到达角和y轴到达角信息。但是，当存在多个目标时，对回波进行去斜处理后得到的频率成分增多，频谱信息变得十分复杂，往往难以准确地确定每一个目标的回波经过去斜处理后得到的频率成分的具体值，因此难以通过频谱信息准确地计算每一个目标的距离和回波的x轴到达角以及回波的y轴到达角，极容易出现错误判断和计算，无法有效地对多目标进行距离、方位角和俯仰角的同时探测。为了能够准确判断每一个目标回波经过去斜处理后得到的频率成分的具体值，并计算每一个目标的距离、方位角和俯仰角，本发明采用对称结构的十字形天线阵列接收回波，并结合偏振复用/解复用技术和微波光子去斜技术对接收回波进行处理，以实现对不同目标的同时距离、方位角和俯仰角探测。对于第n个目标，其回波信号的经过去斜处理后，得到的去斜信号包含两组对称的频率分量，即f
x1,n
和f
x2,n
关于f
c,n
对称，即f
y1,n
和f
y2,n
关于f
c,n
对称。其中f
c,n
同时出现在四路电信号i1(t)，i2(t)，i3(t)和i4(t)之中。因此四路电信号的频谱中重叠的频率成分即f
c,n
，而关于此频率对称的两组频率成分，f
x1,n
、f
x2,n
和f
y1,n
、f
y2,n
，将分别出现在四路电信号i1(t)，i2(t)，i3(t)和i4(t)中。
[0076]
利用偏振复用技术，x轴第一接收天线和x轴第二接收天线的回波分别作为驱动信号加载在第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器中光载波信号两个确定的正交偏振方向上。对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器输出信号进行偏振解复用并分别光电转换，可以将x轴第一接收天线和x轴第二接收天线的接收回波信号经过去斜后得到的去斜信号的频率f
x1,n
和f
x2,n
进行区分。同时，y轴第一接收天线和y轴第二接收天线的回波分别作为驱动信号加载在第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器中光载波信号两个确定的正交偏振方向上。对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器输出信号进行偏振解复用并分别光电转换，可以将y轴第一接收天线和y轴第二接收天线的接收回波信号经过去斜后得到的去斜信号的频率f
y1,n
和f
y2,n
进行区分。最终得到第n个目标回波信号的全部去斜信号的频率。将此方法应用到每一个重叠的频率成分上，可以确定每一个目标回波的去斜频率。最后，根据式(9)和式(10)准确计算出每一个目标的距离方位角和俯仰角，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测。
[0077]
综上所述，本发明提出了一种基于微波光子技术的多目标距离、方位角和俯仰角探测方法，将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的十字形天线阵列接收回波并对回波去斜结果进行对称性分析，实现对不同目标的距离、方位角和俯仰角探测信息的区分，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测。

技术特征：
1.一种基于微波光子技术的多目标三坐标探测方法，其特征在于：所述方法的具体实现链路包括激光源(ld)、马赫-曾德尔调制器(mzm)、信号源(sg)、第一光耦合器(oc1)、前置光电探测器(pd)、前置功率放大器(pa)、发射天线(pa)、第二光耦合器(oc2)、第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器(pdm-dmzm1)、第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器(pdm-dmzm2)、中间接收天线(rac)、x轴第一接收天线(rax1)、x轴第二接收天线(rax2)、y轴第一接收天线(ray1)、y轴第二接收天线(ray2)、第一偏振控制器(pc1)、第一偏振分束器(pbs1)、第二偏振控制器(pc2)、第二偏振分束器(pbs2)、第一光电探测器(pd1)、第二光电探测器(pd2)、第三光电探测器(pd3)、第四光电探测器(pd4)和信号采集处理模块；其中第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器均包括上臂子调制器和下臂子调制器；中间接收天线与x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线的间距均为d。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：激光源产生的连续光信号输入马赫-曾德尔调制器作为光载波，马赫-曾德尔调制器的射频驱动信号为由任意波形发生器产生的中频线性调频信号，设置直流偏置电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，抑制载波和偶数阶边带，只保留奇数阶边带；接下来，利用第一光耦合器将马赫-曾德尔调制器的输出信号分成两路，其中一路输入前置光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号；最后，先将该信号输入前置功率放大器进行放大，再利用发射天线发射，作为雷达探测信号；步骤二：目标距离和方向的探测利用第一光耦合器将马赫-曾德尔调制器输出信号分出的另一路输入第二光耦合器，第二光耦合器输出的两路光信号分别输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器做为参考信号；通过设置第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其上下两个子调制器均工作在正交偏置点；第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的上下两臂的子调制器各有两个驱动信号，其中第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器的驱动信号为由中间接收天线和x轴第一接收天线的接收回波信号；下臂子调制器的驱动信号为和由中间接收天线和x轴第二接收天线的接收回波信号；第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器的驱动信号为由中间接收天线和y轴第一接收天线的接收回波信号；下臂子调制器的驱动信号为和由中间接收天线和y轴第二接收天线的接收回波信号；使用第一偏振控制器和第一偏振分束器对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号；输出信号分别经过第一光电探测器、第二光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i1(t)和i2(t)；使用第二偏振控制器和第二偏振分束器对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号；输出信号分别经过第三光电探测器、第四光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i3(t)和i4(t)；四路电信号经过信号采集处理模块采集与处理后，可得到与目标距离、目标的回波x轴到达角以及y轴到达角相关的低频信号；对低频信号进行求解以及频率分析，便可同时得到每一个目标的距离和回波的x轴到达角以及y轴到达角信息；根据到达角和方位角以及俯仰角之
间的几何关系，计算每一个目标的方位角和俯仰角，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测；所述与第n个目标距离、回波到达角有关的低频信号频率表示为：式中，f
x1,n
为x轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
x2,n
为x轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
c,n
为中间接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
y1,n
为y轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
y2,n
为y轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，k为信号源所产生的中频线性调频信号的调频斜率，
·
表示乘法运算，n＝1、2、
…
、n，n为目标数量总数，τ
x1,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到x轴第一接收天线时，所经历的时间延迟，τ
x2,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到x轴第二接收天线时，所经历的时间延迟，τ
c,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到中间接收天线时，所经历的时间延迟，τ
y1,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到y轴第一接收天线时，所经历的时间延迟，τ
y2,n
为探测信号由发射天线发射后，被第n个目标反射，然后传输到y轴第二接收天线时，所经历的时间延迟，所述第n个目标的距离r
n
和第n个目标的回波的x轴到达角α
n
以及y轴到达角β
n
分别表示为
其中，c为空气中的光速；所述第n个目标的方位角θ
n
和俯仰角可利用α
n
和β
n
分别表示为在发射端，利用马赫-曾德尔调制器对任意波形发生器产生的中频线性调频信号进行二倍频操作，产生具有大瞬时带宽的线性调频信号，并作为探测信号发射到自由空间用于目标探测；在接收端，利用五个对称放置的天线即x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、中间接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线组成接收天线阵列，共同接收目标反射的回波信号；将x轴第一接收天线、x轴第二接收天线和中间接收天线接收到的回波信号作为第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号；使用第一偏振控制器和第一偏振分束器对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过第一光电探测器和第二光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号；将y轴第一接收天线、y轴第二接收天线和中间接收天线接收到的回波信号作为第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的驱动信号；使用第二偏振控制器和第二偏振分束器对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用后，通过第三光电探测器和第四光电探测器将偏振解复用光信号转换为电信号；利用不同接收天线接收到的回波信号之间的关系以及回波信号与参考信号之间的关系实现多个目标距离和回波的x轴到达角以及y轴到达角的同时探测；最后，利用到达角和方位角以及俯仰角之间的几何关系，计算每个目标的方位角和俯仰角，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一：产生具有大瞬时带宽的探测信号；激光源产生的连续光信号被表示为e(t)＝e0·
exp(j
·
ω
c
·
t)，e0和ω
c
分别为连续光信号的振幅和中心角频率，
·
表示乘法运算，j表示虚数单位，连续光信号输入马赫-曾德尔调制器作为其光载波，马赫-曾德尔调制器的射频驱动信号为由信号源产生的中频线性调频信号，该信号可表示为：式中，v
lfm
、t、f
lfm
和k分别为中频线性调频信号的幅值、持续时间、初始频率和调频斜
率，为矩形函数，用于描述该信号的包络信息，t表示时间变量；调节直流偏置电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，抑制载波和偶数阶边带只保留奇数阶边带；当输入到马赫-曾德尔调制器的中频线性调频信号的幅值小于200mv时，认为该中频线性调频信号为小信号；此时，马赫-曾德尔调制器的输出信号表示为：式中为j1(m)第一类一阶贝塞尔函数，括号中的m代表第一类一阶贝塞尔函数自变量的取值，π为圆周率，v
lfm
为中频线性调频信号的幅值，v0为马赫-曾德尔调制器的半波电压；接下来，利用第一光耦合器将该信号分成两路，一路输入前置光电探测器，进行光电转换，得到二倍频线性调频信号，表示为：分析可知二倍频后线性调频信号的瞬时频率与时间变量t的关系为f
t
(t)＝2
·
(f
lfm
+k
·
t)；将二倍频线性调频信号输入前置功率放大器进行放大，放大后的二倍频线性调频信号功率为10w；然后利用发射天线将放大后的二倍频线性调频信号发射到自由空间作为雷达探测信号；步骤二：目标距离和方向的探测将第一光耦合器输出的另外一路光信号输入第二光耦合器中，被第二光耦合器再次分为两路；分别输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器和第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器作为参考信号；利用五个对称放置的天线即x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、中间接收天线、y轴第一接收天线、y轴第二接收天线组成接收天线阵列，共同接收目标反射的回波信号；目标位于点p1处，r为目标与坐标原点的距离，方位角θ
a
为目标径矢在xoy平面内的投影相对x轴正方向的夹角，俯仰角θ
e
为相对xoy平面的夹角，目标回波的x轴到达角α和y轴到达角β分别为与x轴和y轴正方向的夹角；当总计存在n个目标时，假设第n个目标的回波的x轴到达角为α
n
，y轴到达角为β
n
，且τ
x1,n
，τ
x2,n
，τ
c,n
，τ
y1,n
和τ
y2,n
分别为第n个目标的回波到达x轴第一接收天线、x轴第二接收天线、中间接收天线、y轴第一接收天线和y轴第二接收天线的时间延迟量，其表达式如下所示：
式中r
n
为第n个目标的距离信息，c为空气中光速，d为接收天线的间距；因此五个接收天线的接收回波信号分别表示为：式中s
x1
(t)为x轴第一接收天线的接收回波信号，s
x2
(t)为x轴第二接收天线的接收回波信号，s
c
(t)为中间接收天线的接收回波信号，s
y1
(t)为y轴第一接收天线的接收回波信号，s
y2
(t)为y轴第二接收天线的接收回波信号，n为目标数量总数；将中间接收天线和x轴第一接收天线的接收回波信号输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器中作为驱动信号，将中间接收天线和x轴第二接收天线的接收回波信号输入第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器下臂子调制器中作为驱动信号；将中间接收天线和y轴第一接收天线的接收回波信号输入第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器上臂子调制器中作为驱动信号，将中间接收天线和y轴第二接收天线的接收回波信号输入第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器下臂子调制器中作为驱动信号；五个接收天线的输出信号的幅值均小于200mv，因此输入到两个偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器中的信号为小信号；此时，在小信号条件下，第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号表示为：
式中，表示偏振方向为x方向的光信号，表示偏振方向为y方向的光信号；第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号表示为：使用第一偏振控制器和第一偏振分束器对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号；输出信号分别经过第一光电探测器、第二光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i1(t)和i2(t)；使用第二偏振控制器和第二偏振分束器对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号进行偏振解复用，得到两路偏振方向正交的输出信号；输出信号分别经过第三光电探测器、第四光电探测器进行光电转换后，输出两路电信号i3(t)和i4(t)；使用信号采集处理模块采集四个光电探测器的输出电信号，i1(t)，i2(t)，i3(t)和i4(t)分别表示为：
将电信号i1(t)中的频率成分记为f1，将电信号i2(t)中的频率成分记为f2，将电信号i3(t)中的频率成分记为f3，将电信号i4(t)中的频率成分记为f4；f1，f2，f3和f4的表达式分别写为：式中，f
x1,n
为x轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
x1,n
＝2
·
k
·
τ
x1,n
；f
x2,n
为x轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
x2,n
＝2
·
k
·
τ
x2,n
；f
c,n
为中间接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
c,n
＝2
·
k
·
τ
c,n
；f
y1,n
为y轴第一接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
y1,n
＝2
·
k
·
τ
y1,n
；f
y2,n
为y轴第二接收天线接收到的第n个目标回波信号经去斜处理后得到的信号的频率，f
y2,n
＝2
·
k
·
τ
y2,n
；n为目标数量总数；结合式(4)，通过频率f
x1,n
和f
x2,n
计算第n个目标的回波的x轴到达角α
n
，通过频率f
y1,n
和f
y2,n
计算第n个目标的回波的y轴到达角β
n
，通过频率f
c,n
和α
n
计算第n个目标的距离r
n
第n个目标的方位角θ
n
和俯仰角利用α
n
和β
n
分别表示为采用对称结构的十字形天线阵列接收回波，并结合偏振复用/解复用技术和微波光子去斜技术对接收回波进行处理，以实现对不同目标的同时距离、方位角和俯仰角探测；对于第n个目标，其回波信号的经过去斜处理后，得到的去斜信号包含两组对称的频率分量，即f
x1,n
和f
x2,n
关于f
c,n
对称，即f
y1,n
和f
y2,n
关于f
c,n
对称；其中f
c,n
同时出现在四路电信号i1(t)，i2(t)，i3(t)和i4(t)之中；因此四路电信号的频谱中重叠的频率成分即f
c,n
，而关于此频率对称的两组频率成分，f
x1,n
、f
x2,n
和f
y1,n
、f
y2,n
，将分别出现在四路电信号i1(t)，i2(t)，i3(t)和i4(t)中；利用偏振复用技术，x轴第一接收天线和x轴第二接收天线的回波分别作为驱动信号加载在第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器中光载波信号两个确定的正交偏振方向上；对第一偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器输出信号进行偏振解复用并分别光电转换，将x轴第一接收天线和x轴第二接收天线的接收回波信号经过去斜后得到的去斜信号的频率f
x1,n
和f
x2,n
进行区分；同时，y轴第一接收天线和y轴第二接收天线的回波分别作为驱动信号加载在第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器中光载波信号两个确定的正交偏振方向上；对第二偏振复用双驱动马赫-曾德尔调制器输出信号进行偏振解复用并分别光电转换，将y轴第一接收天线和y轴第二接收天线的接收回波信号经过去斜后得到的去斜信号的频率f
y1,n
和f
y2,n
进行区分；最终得到第n个目标回波信号的全部去斜信号的频率；应用到每一个重叠的频率成分上，确定每一个目标回波的去斜频率；最后，根据式(9)和式(10)计算出每一个目标的距离方位角和俯仰角，实现多目标的距离、方位角和俯仰角同时探测。

技术总结
一种基于微波光子技术的多目标三坐标探测方法属于微波光子与雷达相交叉领域。本发明将微波光子技术和雷达探测技术相结合，采用光子倍频手段产生宽带发射信号对目标进行探测，使用具有对称结构的十字形天线阵列接收回波并对回波进行去斜处理。对去斜处理得到的去斜信号频率进行对称性分析，实现对不同目标的距离、方位角以及俯仰角探测信息的区分，实现同时探测多目标的距离、方位角以及俯仰角信息。本发明对激光器功率波动和调制器偏置点漂移不敏感，因此具有更好的稳定性；接收天线的基线长度不必小于半波长，因此可以使用大孔径的接收天线阵列，以获得更高的探测精度；需波束扫描而可以实现对大方向范围内空间的实时监测。测。测。


技术研发人员：王云新 何铮 王大勇 张钰 张静 赵洁 戎路
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/10/11