基于光波分復用網絡的分布式多目標定位系統

朱 丹 徐威遠 陳文娟 劉 江 潘時龍

(南京航空航天大學雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室 南京 211106)

1 引言

對目標進行準確定位因其在雷達、電子戰和無線通信等領域的廣泛應用，一直以來是研究的熱點。使用TOA(Time of Arrival，到達時間)定位方法[1]的典型分布式定位系統結構為：在探測區域內廣泛分布多個發射機和接收機，發射機發射的正交信號經目標反射后，由接收機接收，將不同接收節點的數據綜合處理，利用信號的延時來計算目標位置。另一方面，隨著電磁頻譜環境的復雜化，對分布式定位系統的可重構性提出了要求。分布式目標定位系統具有陣元節點多、空間分布范圍廣，且各發射節點發射不同的正交波形的特點，其可重構特性的實現要求系統架構、發射波形組以及信號融合處理均能夠適應系統的靈活重構。

當前分布式目標定位系統主要基于電子技術構建，各節點通過電纜或者無線連接，存在傳輸損耗大，工作帶寬受限并易受電磁干擾的問題，從而限制了定位精度以及可重構性。由于難以實現寬帶信號的長距離傳輸，需要對接收到的信號在各接收單元處進行處理，對各節點之間高精度的時間同步提出了要求，極大增加了各節點以及整個系統的復雜度。

面對上述挑戰，微波光子技術為未來分布式可重構多目標定位系統的發展提供了可能的解決方案。該技術在大帶寬復雜波形的產生，寬帶、低損耗的信號長距離傳輸上具有很大的優勢，且具有頻率響應平坦和多路并行工作的能力。目前在基于光子技術實現單個目標或信號源的測距和定位工作方面已有進展。以色列的Grodensky D等人[2]利用光載射頻傳輸實現了遠端化天線前端，并結合摻鉺光纖放大器的自發輻射和受激布里淵散射構建了測距系統，實驗實現了10 cm的距離分辨率。中科院半導體所提出了功率譜可調的單發單收的超寬帶噪聲雷達，系統距離分辨率為厘米級[3]。西班牙的Llorente R等人[4]構建了光時分復用系統架構，實現對單個信號源的定位，通過光纖連接空間中廣泛分布的傳感節點，并嚴格控制光纖長度實現時分復用來區分不同節點的信號，實現對單個信號源的3維定位，定位誤差為48.5 cm。南京航空航天大學雷達成像與微波光子學教育部重點實驗室研究了基于光時分復用技術的多節點超寬帶定位系統架構，用于對單個靜止物體的定位[5]，定位精度為3.9 cm；文獻[6]提出并研究了結合時分復用和波分復用技術的分布式定位系統，對信號源進行定位，實驗實現了對單個WiFi信號源的定位，定位精度為16.21 cm。

上述方案通過時分復用技術來實現分布式系統架構，各節點之間的光纖長度必須嚴格控制，不利于實現系統的可重構，限制了實際應用[3–5]。針對這一問題，太原理工大學提出了基于光開關網絡的多節點測距系統[7]，基于光反饋半導體激光器產生混沌信號，通過光開關選擇發送到不同的遠端天線單元對不同的目標進行測距，實現距離分辨率8 cm。日本的Kanno A等人[8]基于光子變頻實現高頻大帶寬的線性調頻信號產生，結合波分復用技術構建分布式機場異物監測雷達系統。南京航空航天大學雷達成像與微波光子學教育部重點實驗室在這方面也開展了研究：提出并論證了基于波分復用技術的分布式超寬帶雷達定位系統[9]，構建可實現波長重用功能的超寬帶信號光子收發單元，實現了對單個靜止目標的最大誤差為1 cm的定位；提出和論證了基于波分復用技術的分布式多發多收系統實現單目標的定位[10]，最大定位誤差為6.49 cm。綜合上述研究現狀，目前的研究當中所提出的分布式系統架構，針對的是單個信號源或者單個目標的定位，難以實現對多個目標的同時定位。

本文研究了光波分復用網絡的分布式多目標定位系統[11]，引入混沌光電振蕩器實現寬帶正交波形產生，引入基于光波分復用技術網絡將分布式發射和接收單元的寬帶信號傳輸回中心站進行信號處理，基于TOA定位方法實現對多目標的精確定位。多個光載波在中心站產生，中心站的資源可支撐復雜的高精度目標定位算法，遠端發射和接收單元結構得以簡化。構建了兩個接收機、兩個發射機的實驗定位系統，實現了對兩個目標的最大誤差為7.09 cm的2維定位，并對系統架構的可重構性進行了實驗驗證。

2 基于光波分復用網絡的分布式多目標定位系統架構

圖1給出了本文所研究的基于光波分復用網絡的分布式多目標定位系統架構，主要由中心站和若干分布在探測區域的發射機和接收機組成[11]。該系統利用了光波分復用技術將所有接收機接收到的信號和所有發射機傳出的參考信號一起傳輸到中心站進行信號處理。多個不同波長的光載波在中心站產生，每個光載波對應一個發射機或接收機。通過光波分復用器將多個光載波進行復用，通過光環形器1以及光纖傳輸到探測區域。在探測區域，復用的多個光載波經過光環形器2輸入到光分插復用器(Optical Add-Drop Multiplexer, OADM)。光分插復用器在不同光波長處有配對的下載(Drop)口和上載(Add)口：通過Drop口將對應的光載波和其他波長分離，并注入到相應發射機或者接收機的光輸入口；攜帶不同發射機及接收機原始數據信息的光信號通過對應的Add口合并入光分插復用器，再經過光環形器2和光纖傳回中心站，進入信號處理模塊，經過光波分解復用器分離后，分別注入到對應的光電探測器進行光電轉換，并進行后續處理。由于每個光波長對應于一個發射機或接收機，因此基于波分復用技術即能對來自不同遠端發射和接收單元的信號進行區分。該系統中不同發射機發射的信號具有正交特性，因此通過使用來自對應發射機的參考信號，即可獲得不同發射機和接收機之間的TOA，在此基礎上用適當的定位算法獲得目標的位置。

圖1 基于光波分復用網絡架構的分布式多目標定位系統Fig.1 Distributed multi-target localization system based on optical WDM network

該系統的發射機基于混沌光電振蕩器產生混沌信號[10–12]，其結構如圖2所示。來自中心站的光載波注入到馬赫曾德爾調制器，該調制器的光輸出順次連接一定長度的光纖，光分束器，光電探測器，電帶通濾波器、電放大器，以及電功分器，組成振蕩環路。其中光功分器用于將從電光調制器輸出的光信號分成兩路，一路構成振蕩環路，另一路用作參考光信號，傳輸到中心站。電功分器的一路輸出直接反饋回電光調制器的射頻端口構建環路，另一路作為電輸出，輸出產生的混沌信號到發射天線。

信號波形的正交特性主要包括2個方面：一是各發射信號自相關函數近似為沖擊函數，二是不同發射信號之間互相關函數近似為0。由于混沌信號擁有類隨機特性，且對初始值敏感，因此用以構建不同發射機的器件的細微差別即可帶來不同的初始值，從而保證不同發射機發射的混沌信號的良好正交特性，為系統的高精度定位奠定了基礎，并且保證系統可重構性的實現。同時，基于光電振蕩器產生的混沌信號帶寬較大，保證了延時估計及定位系統的精度。

該系統的接收機如圖3所示，主要由電放大器和馬赫曾德爾調制器構成。由于本文所研究的基于波分復用網絡架構的多目標定位系統，信號處理均在中心站處實現，因此接收機處僅實現電光調制，結構大為簡化。來自中心站的光載波注入到電光調制器的光輸入口，接收天線接收到目標的散射信號后，經過低噪聲放大器后注入到電光調制器的射頻口，從而將接收天線收到的信號調制到對應光載波上，傳回中心站進行處理。

圖2 發射機結構圖Fig.2 The structure of the transmitter

圖3 接收機結構圖Fig.3 The structure of the receiver

3 TOA定位原理

本文所研究的基于光波分復用網絡的分布式多目標定位系統使用TOA定位方法進行多目標的定位。TOA定位方法典型的定位過程為：呈現分布式的多個發射機及接收機的位置坐標已知；不同發射機發射的信號經過目標反射，由各接收機接收；基于時延估計算法獲得信號從發射機到目標，再到接收機的傳播時間，從而得到目標與相應發射機及接收機的距離之和，建立方程組。進行3維定位時，基于多組發射機和接收機構建的方程組表現為多個橢球，而進行2維定位時，則表現為多個橢圓。通過求解該方程組即可得到多目標的估計位置。

本方案中使用廣義相關時延估計算法來實現時延估計，并以此計算傳播距離進而確定方程組；使用泰勒級數展開法作為定位算法來求解定位方程組。對多個目標定位時，方程組將出現虛解，通過數據關聯的方式進行排除。本方案中實現多目標定位的整個解算流程如圖4所示。

圖4 定位解算流程Fig.4 The localization solution process

以2維情況為例，對于具有K個發射機和L個接收機的定位系統，發射機的位置為(xTi,yTi),i=1,2, ··K，接收機的位置為(xRj,yRj),j=1, 2, ··L，待進行定位的目標位置為(xh,yh)，則目標h和發射機i的距離為

圖5 基于兩發兩收系統的TOA定位示意圖Fig.5 Schematic diagram of TOA localization with the system composed of two transmitters and two receivers

目標h和接收機j之間的距離為

從發射機i經目標h反射，再到接收機j的距離之和為

其中，tijh為從發射機i發射的信號，經目標h反射，再到接收機j的到達時間。式(3)描述的是以發射機i(xTi,yTi)和接收機j(xRj,yRj)為焦點的橢圓?；贙個發射機和L個接收機對P個目標進行定位，將產生由K·L·P個橢圓方程，通過求解方程組即可得到目標的位置。由于相同接收機及發射機對應不同目標的延時在建立方程組時可能存在匹配模糊，通過數據關聯，進行多次解算可以去除虛解，實現解模糊。

基于兩發兩收的系統對兩個目標進行2維定位時，其模型如圖5所示，可以得到8個橢圓，被定位的目標即位于橢圓的交點處。對方程組進行求解，并通過數據關聯去除虛解之后，所得到的解即為目標的位置。

4 實驗結果及討論

基于圖1所示的原理圖，實驗構建了兩發兩收的定位系統，對兩個金屬目標進行2維定位。使用1臺4通道激光器(Agilent N7714A)產生4個波長為1551.7 nm, 1548.5 nm, 1550.1 nm, 1553.3 nm的光載波，分別分配給發射機1和發射機2，接收機1和接收機2。所使用的光波分復用器(Wavelength Di-vision Multiplexing, WDM)通道間隔為100 GHz。所使用的光分插復用器通道間隔為100 GHz。在中心站，通過光解波分復用器分離的4路光信號，分別使用4個帶寬為20 GHz的光電探測器實現光電轉換。使用實時示波器(Keysight Infiniium DSOX93304，采樣率80 Gsa/s)同時采集對應發射機1和發射機2，以及接收機1和接收機2的4路電信號，進行后續定位計算。

實驗中的發射機基于圖2構建，其馬赫曾德爾調制器的工作帶寬為10 GHz，帶通電濾波器的通帶為3.1～10.6 GHz，單模光纖長度為1 km，微波放大器的工作帶寬為2.0～26.5 GHz，增益為30 dB。接收機基于圖3進行構建，馬赫曾德爾調制器的工作帶寬為10 GHz，低噪聲放大器帶寬為40 GHz，增益為30 dB。

所產生的混沌信號的波形及頻譜分別如圖6(a)和圖6(b)所示，其帶寬為3.1～10.6 GHz。所產生混沌信號的自相關結果如圖7(a)所示，可以看出相關函數近似為沖擊函數?；煦缧盘柕膸拰⒂绊懽韵嚓P結果主瓣的時域半高全寬，從而影響距離分辨率。大的帶寬能夠保證窄的自相關主瓣，從而保證高的距離分辨率。從圖7(a)中的主瓣放大圖看出，實驗產生的混沌信號自相關結果的主瓣的時域半高全寬約為0.04 ns，將該值與光速相乘，可得所產生混沌信號的距離分辨率約為1.2 cm。不同混沌光電振蕩器所產生混沌信號的互相關函數如圖7(b)所示，可以看出不同發射信號之間的互相關函數近似為0。從圖7可以看出，本實驗中所產生的混沌信號具有較好的正交特性。

圖6 混沌信號Fig.6 The generated chaotic signal

圖7 混沌信號的相關結果Fig.7 The results of the generated chaotic signal

接收機所接收的信號經過電光調制，傳送回中心站，通過光電轉換后得到的電信號的波形和頻譜分別如圖8(a)和圖8(b)所示。由于不同發射機發射的混沌信號是正交的， 因此將不同發射機的參考信號和相應接收機的接收信號進行相關后即可獲得相應的時延?；趯嶒灚@得的發射信號和接收信號數據直接進行時延估計所得到的TOA估計值還包括了所構建的實驗系統所帶來的時延。為了獲取準確的時延值，通過系統校準來消除系統本身所帶來的時延：對位置已知的待測物體進行定位，將通過算法獲得的TOA值減去已知的真實值，即為系統引入的固有時延。通過多次多點的測量，實現對系統時延的有效校準。

圖8 接收信號Fig.8 The received signal

為了研究所構建的基于光波分復用網絡的分布式多目標定位系統的定位精度，實驗中將2個待測的金屬物體作為目標進行定位，2個目標的真實坐標位置為(0 cm, 95 cm)和(40 cm, 95 cm)。各發射及接收機的位置設置如圖9所示，分別為：發射機1 (–60 cm, 0 cm)，發射機2 (60 cm, 0 cm)，接收機1 (–30 cm, –40 cm)，接收機2 (30 cm, –40 cm)。實驗中進行5次獨立的測量，取5次TOA測量值的平均值，按圖4所示的TOA定位解算流程進行定位。所得到的目標坐標分別為(–6.83 cm, 93.10 cm)和(41.21 cm, 93.55 cm)，與目標真實位置相對比，定位誤差分別為7.09 cm和2.26 cm。

進一步地，對基于光波分復用的分布式多目標定位系統的可重構性進行了實驗研究。各發射及接收機的位置重新進行設置，如圖10所示：發射機1 (–30 cm, 0 cm)，發射機2 (30 cm, 0 cm)，而接收機1和接收機2的位置保持不變。待定位目標仍然保持在原位置不變。對系統實驗重新進行校準后，再次基于上述流程進行目標定位。只需在泰勒級數展開算法中相應更改發射機的位置參數，即可算出新的定位結果。實驗所得到的定位結果為目標1(1.04 cm, 94.05 cm)和目標2 (33.41 cm, 96.81 cm)，誤差分別為1.41 cm和6.66 cm。可以看出，改變發射機或者接收機的位置后，只需對應進行參數調整，系統即可正常工作，驗證了該定位系統的靈活性。

圖9 對2個目標的定位實驗結果Fig.9 Experimental results of two targets localization

圖10 改變發射機位置對兩個目標的定位實驗結果Fig.10 Experimental results of two targets localization when changing the transmitter positions

5 總結

本文研究了基于光波分復用網絡的分布式多目標定位系統，通過引入基于光波分復用技術構建的網絡架構，結合基于光電振蕩器的寬帶正交混沌波形產生，將分布式發射和接收單元的寬帶信號傳輸回中心站進行信號處理，基于TOA定位方法實現對多目標的精確定位。多個光載波在中心站產生，中心站的資源可支撐復雜的高精度目標定位算法，遠端發射和接收單元結構得以簡化。進行了原理驗證實驗，構建了兩發兩收的實驗定位系統，實現了對2個目標的最大誤差為7.09 cm的2維定位，實驗驗證了系統架構的可重構性。相關技術可應用于未來雷達、電子戰和無線通信中的多目標定位。