一种基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统

专利名称：一种基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211006099.7

专利申请（专利权）人：上海无线电设备研究所
权利人地址：上海市闵行区中春路1555号

专利发明（设计）人：李嘉琪,于祥祯,刘爱华,董千里,杜科,宋柯

专利摘要：本发明提供的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，包括激光器、若干个光耦合器、两个电光调制器、两个有源光纤谐振环；激光器发出的光通过光耦合器分为两路输出，每路上的电光调制器分别将雷达回波信号、雷达发射信号调制到对应的光载波中，并通过对应的有源光纤谐振环分别对各路携带雷达回波信号和雷达发射信号的光载波进行相参脉冲复制，并将复制后的信号通过光耦合器耦合输出至光电探测器；通过光电探测器进行光电转换输出多普勒频率；通过设置低通滤波器中心频率和带宽，对所述光电探测器输出的多普勒频率选择输出至信号处理器，实现低重频抗模糊多普勒测量。

主权利要求：
1.一种基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，包含：
激光器(1)，输出连续光作为光载波；
第一光耦合器(2)，与激光器(1)连接将所述连续光分为两路同步输出；第一电光调制器(11)和第二电光调制器(21)，分别与第一光耦合器(2)的两路输出端连接，其中第一电光调制器(11)将雷达回波信号调制到第一路光载波中输出，第二电光调制器(21)将雷达发射信号调制到第二路光载波中输出；
第二光耦合器(12)和第三光耦合器(22)，分别与第一电光调制器(11)以及第二电光调制器(21)的输出端连接；
第一有源光纤谐振环(13)和第二有源光纤谐振环(23)，分别与第二光耦合器(12)和第三光耦合器(22)的输出端和输入端连接；
第四光耦合器(3)，分别与第二光耦合器(12)和第三光耦合器(22)的输出端连接；
光电探测器(4)，与第四光耦合器(3)的输出端连接；
经过第一电光调制器(11)调制后的雷达回波信号经过第二光耦合器(12)分为两路输出，其中一路输入第一有源光纤谐振环(13)进行循环脉冲复制，另一路输入第四光耦合器(3)；经过第二电光调制器(21)调制后的雷达发射信号经过第三光耦合器(22)分为两路输出，其中一路输入第二有源光纤谐振环(23)进行循环脉冲复制，另一路输入第四光耦合器(3)；所述第四光耦合器(3)将两路信号耦合输入所述光电探测器(4)后输出多普勒频率。
2.如权利要求1所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，还包含：低通滤波器(5)、信号处理器(6)，所述低通滤波器(5)与光电探测器(4)的输出端连接，所述信号处理器(6)与低通滤波器(5)的输出端连接；所述低通滤波器(5)通过设置低通滤波器(5)中心频率和带宽，对所述光电探测器(4)输出的多普勒频率选择输出至信号处理器(6)，实现低重频抗模糊多普勒测量。
3.如权利要求1所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，所述第一有源光纤谐振环(13)包含第一光放大器(132)、第一衰减器(133)、第一光纤延迟线(131)。
4.如权利要求1所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，所述第二有源光纤谐振环(23)包含第二光放大器(232)、第二衰减器(233)、第二光纤延迟线(231)。
5.如权利要求3所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，第一路光载波通过第一光放大器(132)将信号放大，信号放大后的第一路光载波通过第一光纤延迟线(131)完成一定时间延迟输出第二光耦合器(12)，第一衰减器(133)用于平衡信号在第一光纤延迟线(131)内的增益和损耗。
6.如权利要求4所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，第二路光载波通过第二光放大器(232)将信号放大，信号放大后的第二路光载波通过第二光纤延迟线(231)完成一定时间延迟输出第三光耦合器(22)，第二衰减器(233)用于平衡信号在第二光纤延迟线(231)内的增益和损耗。
7.如权利要求1所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，所述第一有源光纤谐振环(13)和所述第二有源光纤谐振环(23)的规格相同。
8.如权利要求1所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，还包含：第一偏振控制器(14)、第二偏振控制器(15)、第三偏振控制器(24)、第四偏振控制器(25)；
其中，第一偏振控制器(14)设置于第一光耦合器(2)与第一电光调制器(11)之间，第二偏振控制器(15)设置于第二光耦合器(12)与第四光耦合器(3)之间；
第三偏振控制器(24)设置于第一光耦合器与第二电光调制器(21)之间，
第四偏振控制器(25)设置于第三光耦合器(22)与第四光耦合器(3)之间。
9.如权利要求8所述的基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，其特征在于，第一偏振控制器(14)和第二偏振控制器(15)用于调节第一路光载波的偏振态保持一致；第三偏振控制器(24)和第四偏振控制器(25)用于调节第二路光载波的偏振态保持一致。 说明书 : 一种基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统技术领域[0001] 本发明属于雷达技术领域中的多普勒频率测量技术，具体涉及一种基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统。背景技术[0002] 在脉冲多普勒(PD)雷达对远程高速目标探测中，低重频波形下能够提高无模糊探测距离，但可能造成多普勒模糊；本发明针对低重频远距离探测时存在的多普勒模糊问题，提出一种基于有源光纤谐振环的抗模糊多普勒频率测量方法。该方法通过有源光纤环路实现对低重频脉冲信号的接收复制形成相参脉冲串，然后通过微波光子下变频链路，实现宽带信号的多普勒测量。发明内容[0003] 本发明基于微波光子技术，利用有源光纤谐振环实现对雷达回波信号和发射信号的分别有序复制形成两路高重频的相参脉冲串，再经过微波光子链路得到包含多普勒频率的梳状频谱，最后经过射频低通滤波器滤出多普勒频率。[0004] 为了实现上述目的，本发明提供的一种基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统，包含：[0005] 激光器，输出连续光作为光载波；[0006] 第一光耦合器，与激光器连接将所述连续光分为两路同步输出；[0007] 第一电光调制器和第二电光调制器，分别与第一光耦合器的两路输出端连接，其中第一电光调制器将雷达回波信号调制到第一路光载波中输出，第二电光调制器将雷达发射信号调制到第二路光载波中输出；[0008] 第二光耦合器和第三光耦合器，分别与第一电光调制器以及第二电光调制器的输出端连接；[0009] 第一有源光纤谐振环和第二有源光纤谐振环，分别与第二光耦合器和第三光耦合器的输出端和输入端连接；[0010] 第四光耦合器，分别与第二光耦合器和第三光耦合器的输出端连接；[0011] 光电探测器，与第四光耦合器的输出端连接；[0012] 经过第一电光调制器调制后的雷达回波信号经过第二光耦合器分为两路输出，其中一路输入第一有源光纤谐振环进行循环脉冲复制，另一路输入第四光耦合器；经过第二电光调制器调制后的雷达发射信号经过第三光耦合器分为两路输出，其中一路输入第二有源光纤谐振环进行循环脉冲复制，另一路输入第四光耦合器；所述第四光耦合器将两路信号耦合输入所述光电探测器后输出多普勒频率。[0013] 优选地，所述低重频抗模糊多普勒测频系统还包含低通滤波器、信号处理器，所述低通滤波器与光电探测器的输出端连接，所述低通滤波器通过设置低通滤波器中心频率和带宽，对所述光电探测器输出的多普勒频率选择输出至信号处理器，实现低重频抗模糊多普勒测量。[0014] 优选地，所述第一有源光纤谐振环包含第一光放大器、第一衰减器、第一光纤延迟线；[0015] 所述第二有源光纤谐振环包含第二光放大器、第二衰减器、第二光纤延迟线。[0016] 优选地，第一路光载波通过第一光放大器将信号放大，信号放大后的第一路光载波通过第一光纤延迟线完成一定时间延迟输出第二光耦合器，第一衰减器用于平衡信号在第一光纤延迟线内的增益和损耗。[0017] 优选地，第二路光载波通过第二光放大器将信号放大，信号放大后的第二路光载波通过第二光纤延迟线完成一定时间延迟输出第三光耦合器，第二衰减器用于平衡信号在第二光纤延迟线内的增益和损耗。[0018] 优选地，所述第一有源光纤谐振环和所述第二有源光纤谐振环的规格相同。[0019] 优选地，所述低重频抗模糊多普勒测频系统还包含：第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器；[0020] 其中，第一偏振控制器设置于第一光耦合器与第一电光调制器之间，第二偏振控制器设置于第二光耦合器与第四光耦合器之间；[0021] 第三偏振控制器设置于第一光耦合器与第二电光调制器之间，第四偏振控制器设置于第三光耦合器与第四光耦合器之间。[0022] 优选地，第一偏振控制器和第二偏振控制器用于调节第一路光载波的偏振态保持一致；第三偏振控制器和第四偏振控制器用于调节第二路光载波的偏振态保持一致。[0023] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：[0024] 1、基于微波光子链路实现低重频回波脉冲的重频扩展，进一步消除低重频波形探测时面临的多普勒模糊，为解决雷达低重频波形下面临的多普勒模糊提供了一种新的技术途径。[0025] 2、基于模拟微波光子链路实现低重频无模糊多普勒测量，为解决多目标探测下重频参差法去模糊时面临的计算复杂度高、算力不足等问题提供了新的解决方案。附图说明[0026] 图1为本发明多普勒测频系统框图；[0027] 图2为雷达发射信号与回波信号及复制后信号时域示意图；[0028] 图3为雷达发射信号与回波信号光频；[0029] 图4为经光电探测器输出的多普勒频谱。具体实施方式[0030] 以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种基于有源光纤谐振环的低重频抗模糊多普勒测频系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。[0031] 如图1所示，本发明的多普勒测频系统包括激光器1、第一光耦合器2、第一电光调制器11、第二电光调制器21、第二光耦合器12、第三光耦合器22、第一有源光纤谐振环13、第二有源光纤谐振环23、第四光耦合器3、光电探测器4、低通滤波器5、信号处理器6。激光器1的输出端与第一光耦合器2输入端连接，第一光耦合器2的两个输出端分别连接第一电光调制器11、第二电光调制器21，第一电光调制器11的输出端与第二光耦合器12输入端连接，第二光耦合器12的两个输出端分别连接第四光耦合器3、第一有源光纤谐振环13，第一有源光纤谐振环13的输出端进一步与第二光耦合器12输入端连接；第二电光调制器21的输出端与第三光耦合器22输入端连接，第三光耦合器22的两个输出端分别连接第四光耦合器3、第二有源光纤谐振环23，第二有源光纤谐振环23的输出端进一步与第三光耦合器22输入端连接；第四光耦合器3的输出端依次连接光电探测器4、低通滤波器5、信号处理器6。[0032] 所述激光器1输出的连续光作为光载波经过第一光耦合器2一分为二，形成第一路和第二路。雷达回波信号经过第一电光调制器11调制到第一路光载波上形成光载射频信号，经过第二光耦合器12进入第一有源光纤谐振环13，第一有源光纤谐振环13是用来产生复制脉冲序列的光学环路，可选地，主要由第一光纤延迟线131、第一光放大器132和第一衰减器133三个器件构成。其中，第一光放大器132用来补偿光载射频信号的能量损失；第一衰减器133用来平衡光载射频信号的增益和损耗，维持在一个动态平衡的状态；第一光纤延迟线131用来调节复制脉冲序列的重复周期；这三个器件共同构成了第一有源光纤环13的脉冲复制结构，确保能够稳定地将低重频的雷达回波信号进行相参复制生成高重频脉冲串，并通过第四光耦合器3输入光电探测器4。[0033] 与第一路同步地，位于第二路上的第二电光调制器21将雷达发射信号调制到第二路光载波上形成光载雷达发射信号，经过第三光耦合器22进入第二有源光纤谐振环23。同上所述，第二有源光纤谐振环23是用来产生复制脉冲序列的光学环路，第二有源光纤谐振环23与第一有源光纤谐振环13的规格完全相同，主要由第二光纤延迟线231、第二光放大器232和第二衰减器233三个器件构成。其中，第二光放大器232是用来补偿雷达发射信号的能量损失；第二衰减器233是用来平衡雷达发射信号的增益和损耗，维持在一个动态平衡的状态；第二光纤延迟线231是用来调节复制脉冲序列的重复周期的；这三个器件共同构成了第二有源光纤环23脉冲复制结构，确保能够稳定地将低重频的雷达发射信号进行相参复制生成高重频脉冲串，并输入第四光耦合器2与脉冲复制后的雷达回波信号耦合输入光电探测器4中完成光电转换，并将光电转换后的电信号经过低通滤波器5进入信号处理器6进行傅里叶变换重构多普勒频谱，实现低重频抗模糊多普勒测量。[0034] 本发明的多普勒测频系统还包含第一偏振控制器14、第二偏振控制器15、第三偏振控制器24、第四偏振控制器25；其中，第一偏振控制器14设置于第一光耦合器2与第一电光调制器11之间，第二偏振控制器15设置于第二光耦合器12与第四光耦合器3之间；第三偏振控制器24设置于第一光耦合器2与第二电光调制器21之间，第四偏振控制器25设置于第三光耦合器22与第四光耦合器3之间。[0035] 第一路光载波经过第一偏振控制器14后进入第一电光调制器11，经过第一电光调制器11与雷达回波信号调制后形成的光载射频信号经过第二光耦合器12将一部分信号输出，通过第二偏振控制器15、第四光耦合器3输入光电探测器4完成光电转换，另一部分信号进入第一有源光纤谐振环13，经过第一光放大器132后将信号放大，再经过第一光纤延迟线131完成一定时间的延迟后该信号周期变小，重频变大，并将延迟后的信号输入到第二光耦合器12，第二光耦合器12再将该延迟后信号分成两路，一路输出并经过第一偏振控制器15、第四光耦合器4输入光电探测器4完成光电转换，另一路再进入第一有源光纤谐振环13循环复制，如此反复多次便可完成雷达回波信号的相参复制，可复制出一系列相参高重频脉冲串。第一偏振控制器14和第二偏振控制器15用于调节第一路光载波的偏振态使其保持一致，减小偏振噪声带来的干扰。[0036] 同步地，第二路光载波经过第三偏振控制器24后进入第二电光调制器21，经过第二电光调制器21与雷达发射信号调制后形成的光载雷达发射信号经过第三光耦合器22将一部分信号输出，通过第四偏振控制25、第四光耦合器3输入至光电探测器4完成光电转换，另一部分信号进入第二有源光纤谐振环23，经过第二光放大器232后将信号放大，再经过第二光纤延迟线231完成一定时间的延迟后该信号周期变小，重频变大，并将延迟后的信号输入到第三光耦合器22，第三光耦合器22再将该延迟后信号分成两路，一路输出并经过第四偏振控制器25、第四光耦合器3输入至光电探测器4完成光电转换，另一路再进入第二有源光纤谐振环23循环复制，如此反复多次便可完成雷达发射信号的相参复制，生成一系列高重频脉冲串。第三偏振控制器24和第四偏振控制器25用于调节第二路光载波的偏振态使其保持一致，减小偏振噪声带来的干扰。[0037] 由于第一路和第二路相参复制生成的高重频脉冲串的时域包络是不同的，第一路由于复制的是雷达回波信号而携带目标多普勒信息，而第二路是对雷达本振调制产生的发射信号进行相参复制，因此不携带多普勒信息。[0038] 进一步地，对于复制后脉冲的重复时间间隔，是由第一光纤延迟线131和第二光延迟线231来进行调节的，延时设置是根据待测目标多普勒频率范围来进行设置的。具体规则如下：[0039] 假设某个输入脉冲信号si(t)，表达式为：[0040][0041] 设光纤谐振环一圈的延迟时间为Tr，则光纤谐振环的输出信号为：[0042][0043][0044] 式中：τ表示脉冲宽度，ω0为载波角频率，对应频率为f0， 为信号初始相位。当改变有源光纤谐振环中的延迟线时，相当于改变式(2)中的Tr。[0045] 进一步的，利用有源光纤谐振环对输入脉冲的相参复制特点，可对雷达脉冲重频进行扩展，避免多普勒模糊。具体机理如下：[0046] 雷达发射低重频脉冲信号，经过空间辐射和目标散射后回波信号进入接收机，通过距离门的选择获得距离信息，距离不存在模糊；但在雷达回波信号中，多普勒信号对应脉冲序列的包络，重频相当于多普勒采样率，根据采样定理，低重频难以满足采样定理，无法得到准确的多普勒信息。如果对进入距离门的回波信号，使用有源光纤谐振环进行脉冲复制，产生N‑1个新脉冲，填充在原来低重频脉冲序列的两个脉冲之间，就得到了一个重频提高了N倍(N为大于2的整数)的相参回波脉冲串，且保留了目标的多普勒频率信息，此时要求重频提高N倍后需要满足采样定理，即大于2倍的多普勒频率才能重构真实的多普勒包络，如附图2(a)所示；发射信号经过复制后也得到另一个重频提高了N倍的相参脉冲串，如附图2(b)所示。[0047] 进一步地，在选择有源光纤谐振环的延时时间时，要遵循以下原则：[0048] 1)延时应大于一个距离门的宽度，否则循环时将会引起混叠；[0049] 2)光延迟线延时时间Tr应为发射低重频脉冲周期的1/N，这样能够保证当前一个回波脉冲被循环复制N‑1个后，后一个回波脉冲也进入同一个距离门，并恰好与最后一个复制得到的脉冲相距Tr，如此循环就得到等脉冲间隔为Tr的相参脉冲串信号；[0050] 3)脉冲复制后的重频fr应当大于2倍的多普勒频率fd。[0051] 在采取上述脉冲复制链路和延时设置后，新的脉冲串的脉冲重复间隔Tr＝T0/N，在多普勒域，不模糊多普勒测量范围扩展为原来的N倍。相对原先的低重频来说，采用有源光纤谐振环复制回波脉冲后，也可以在低重频下实现不模糊测速。[0052] 经过上述延时设置的光纤环路完成两路脉冲相参复制后形成的光谱如附图3所示，其中fc为光载波，fr为复制后脉冲重频。将两路信号经过第四光耦合器3进行合波后输入光电探测器4完成光电转换。由于光电探测器4的工作机理，会对两路信号的频率产生两两拍频输出。如图4所示，目标多普勒信息会包含于输出的梳状谱的低频部分，通过合理设置低通滤波器中心频率和带宽，便可完成多普勒频率选择输出，实现基于模拟微波光子链路的低重频抗模糊多普勒测量。[0053] 本例中，激光器1采用Santec公司的TSL‑510可调谐连续光源作为系统载波光源，激光器发射的光波长范围为1510nm～1630nm，为保证链路传输损耗最低，调节波长设定为1550nm，使系统工作在低损耗传输窗口；第一、第二电光调制器11、21选用中国电子科技集团的GG77010S调制模块，带宽30GHz；第一、第二、第三、第四光耦合器2、12、22、3选用康冠光电科技公司的FWBC‑1550耦合器，分光比50:50；第一、第二光放大器132、232选用脉锐光电EDFA‑PL‑NS型号，最大增益18dB；第一、第二光衰减器133、233选用欧亿光电公司的MEMS可调光衰减器OE‑VOA‑A；光电探测器选用中国电子科技集团的GG系列多通道光电探测模块，带宽18GHz；低通滤波器的截止频率选用10KHz～100KHz范围；第一、第二、第三、第四偏振控制器14、15、24、25选用康冠光电科技公司的KG‑MPC‑3‑FA；雷达发射信号和雷达回波信号由雷达目标模拟器产生。[0054] 按照如附图1所示连接器件，系统供电打开激光器1，功率设置为20mW。调节第一、第二电光调制器偏置电压，使其工作在载波抑制双边带模式；打开雷达目标模拟器，设置目标速度为700m/s，雷达信号工作频率18GHz，对应的多普勒频率为82.353KHz；设置发射/回波脉冲重频为20KHz，此时如果进行多普勒频率测量会存在多普勒模糊。调节第一、第二、第三、第四偏振控制器14、15、24、25使得第一、第二路光载波偏振噪声最小；调节第一、第二有源光纤谐振环的第一光放大器、第二光放大器、第一光衰减器、第二光衰减器，使得射频脉冲能够在光域稳定复制，输出光谱稳定；通过光电探测器4将两个谐振环输出光脉冲转换为电域脉冲，调节第一、第二光纤延迟线131、132，使得两路复制脉冲间隔为原来的1/5，此时两个脉冲间填充了4个脉冲，脉冲重复频率上转换为100KHz，大于目标多普勒频率82.353KHz，避免了多普勒模糊。[0055] 两路脉冲串通过第四光耦合器3进入光电探测器4完成拍频，再经过截止频率为10KHz～100KHz的低通滤波器5滤波后，进入计算机进行傅里叶变换重构多普勒频谱。测量得到的目标多普勒频率为82.3KHz，接近理论多普勒频率82.353KHz。[0056] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

专利地区：上海

专利申请日期：2022-08-22

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115453553B