基于微波光子學(xué)的超分辨雙波段雷達(dá)

彭韶文李尚遠(yuǎn)薛曉曉鄭小平

(1.清華大學(xué)電子工程系，北京 100084；2.北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心，北京 100084)

0 引言

雷達(dá)系統(tǒng)是探測(cè)目標(biāo)最有效的方法之一，它可以工作在全天候、全天時(shí)狀態(tài)[1]。目前，外部空間環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜多樣，使得人們對(duì)雷達(dá)性能的要求也變得越來(lái)越高。為了對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景有更加精細(xì)地識(shí)別，從不同維度收集信息并且獲得更加高分辨的成像變得尤為重要，這也就催生了多波段雷達(dá)的產(chǎn)生。由于在不同的環(huán)境和目標(biāo)下，電磁波的傳輸特性和反射特性有所不同，這使得工作在不同頻段下的雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能。比如說(shuō)S波段雷達(dá)由于其發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在空間傳輸時(shí)，尤其是在雨天等惡劣環(huán)境下依然能保持較低的損耗，所以可以應(yīng)用于預(yù)警。而X波段雷達(dá)則因其具有較小的空間波束角而廣泛應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤[2]。多波段雷達(dá)除了能夠集多個(gè)單一頻段雷達(dá)功能于一體外，更獨(dú)特的一項(xiàng)功能是能夠通過(guò)相參信號(hào)融合實(shí)現(xiàn)高分辨的一維距離像(High-Resolution Range Profile, HRRP)[3]。

HRRP是目標(biāo)最重要的特征之一，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別等領(lǐng)域。我們知道，一維距離像的分辨率是與帶寬成正比的，并且?guī)捲酱?，分辨率越高。而為了獲得目標(biāo)的HRRP，最有效的方法就是發(fā)射大帶寬的雷達(dá)信號(hào)[4]。近些年來(lái)，微波光子技術(shù)借助其獨(dú)一無(wú)二的高頻寬帶、抗電磁干擾等特性得到迅速發(fā)展[5-7]，許多基于微波光子的大時(shí)間帶寬積信號(hào)的生成和接收技術(shù)被提出。在信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)方面有光子倍頻[8-9]、光子數(shù)模轉(zhuǎn)換[10-11]、光學(xué)變頻[12-16]等，而在信號(hào)接收技術(shù)方面有光子去斜[9]、光子模數(shù)轉(zhuǎn)換[17]、光子匹配濾波器[18]等。盡管微波光子學(xué)的發(fā)展使得大帶寬信號(hào)的產(chǎn)生成為可能，但是雷達(dá)射頻前端器件帶寬有限，且大帶寬信號(hào)容易受到空中其他電磁波的干擾，目前的雷達(dá)難以工作在大帶寬下。而另外一種實(shí)現(xiàn)目標(biāo)HRRP的方案就是前面提及的多波段雷達(dá)。通過(guò)將多波段雷達(dá)的多頻段回波信號(hào)進(jìn)行融合處理，可以等效獲得一個(gè)大帶寬信號(hào)，進(jìn)而獲得目標(biāo)的高分辨一維距離像。

截至目前，已經(jīng)有很多工作致力于通過(guò)多波段信號(hào)融合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的HRRP。大量的融合處理算法被提出，并且仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它們的有效性[19-24]。然而，頻譜外推誤差的存在導(dǎo)致融合處理獲得的分辨率相比于子波段分辨率的提升倍數(shù)有限[19]，而傳統(tǒng)多波段雷達(dá)系統(tǒng)的各個(gè)子波段帶寬本身就有限，因此，即使通過(guò)數(shù)據(jù)融合，傳統(tǒng)多波段雷達(dá)的融合分辨率依然處于一個(gè)較低的水平[20]。此外，還有一個(gè)因素大大限制了現(xiàn)有的多波段雷達(dá)應(yīng)用于融合超分辨成像。現(xiàn)有的多波段雷達(dá)系統(tǒng)往往由多個(gè)不同頻段的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，其系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高[14]，同時(shí)由于多本振的相位抖動(dòng)和電混頻器的噪聲使得各個(gè)波段信號(hào)的相位無(wú)法存在確定的關(guān)系[15]，相參融合處理變得更加復(fù)雜甚至難以實(shí)現(xiàn)。

本文提出了一種基于微波光子學(xué)的高分辨雙波段雷達(dá)，通過(guò)信號(hào)融合，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的HRRP。在發(fā)射端，雙波段線性調(diào)頻信號(hào)由光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器和光頻梳共同產(chǎn)生。在接收端，通過(guò)光學(xué)偏振復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)了雙波段信號(hào)的同時(shí)去斜接收處理，將兩個(gè)寬帶信號(hào)降為窄帶信號(hào)，降低后端電模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣壓力。該系統(tǒng)僅用一個(gè)收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)了雙波段信號(hào)的同時(shí)產(chǎn)生和處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且使得雙波段信號(hào)具有穩(wěn)定的相位關(guān)系，為雙波段的信號(hào)融合奠定基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 微波光子雷達(dá)系統(tǒng)

圖1是微波光子雙波段雷達(dá)的原理框圖。在發(fā)射端，光載多波段信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個(gè)光載的多波段線性調(diào)頻波。這個(gè)模塊可以通過(guò)光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器和光頻梳[25]共同實(shí)現(xiàn)。光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器[10-11]在我們之前的文章中已經(jīng)有過(guò)詳細(xì)的描述，利用它先產(chǎn)生光載的中頻線性調(diào)頻波,這個(gè)中頻線性調(diào)頻波可以表示為

圖1 微波光子雙波段雷達(dá)系統(tǒng)原理框圖

(1)

式中，i(i=1,2)表示兩個(gè)中頻的線性調(diào)頻波，Tpi為脈沖寬度，fi為中心頻率，ki為啁啾率，Ai表示信號(hào)的幅度。由于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的高性能，兩線性調(diào)頻波的帶寬可達(dá)數(shù)GHz。該光載線性調(diào)頻信號(hào)作為光源注入到光頻梳中。此時(shí)，中頻線性調(diào)頻波頻譜將會(huì)出現(xiàn)在光頻梳的每一根梳齒兩側(cè)。光頻梳的構(gòu)建有很多方法，并且光頻梳的重頻可以高達(dá)數(shù)十GHz，可以讓中頻線性調(diào)頻波上變頻至任意頻段。經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，輸出信號(hào)的電譜如圖2所示，通過(guò)射頻前端的濾波器可以濾出我們需要的兩個(gè)頻段的線性調(diào)頻波，其中心頻率可以分別表示為CF1=NfOFC±f1和CF2=MfOFC±f2，其中N和M分別是正整數(shù)，fOFC是光頻梳的重頻。這兩個(gè)線性調(diào)頻波經(jīng)射頻前端放大后分別被耦合成兩部分，其中一部分作為回波去斜處理的參考信號(hào)，另外一部分由一個(gè)寬帶天線輻射到空中。

圖2 發(fā)射機(jī)中光電轉(zhuǎn)換后輸出信號(hào)的頻譜

在接收端，目標(biāo)回波信號(hào)由射頻前端放大濾波后送入光學(xué)輔助的雙波段去斜接收模塊。該模塊可以由激光器、雙偏振雙驅(qū)動(dòng)調(diào)制器以及偏振分束器構(gòu)成，如圖1所示。激光器輸出的光進(jìn)入到雙偏振雙驅(qū)動(dòng)調(diào)制器后，分成兩束正交的偏振光，每個(gè)偏振光作為子調(diào)制器的光源被調(diào)制。每個(gè)子調(diào)制器上的調(diào)制信號(hào)分別是其中一個(gè)波段的參考信號(hào)和回波信號(hào)。兩個(gè)子調(diào)制器的偏置電壓都偏置在最小偏置點(diǎn)，僅考慮光信號(hào)的一階邊帶，每個(gè)子調(diào)制器的輸出光信號(hào)可以表示為

Eouti(t)∝ejwct·[jJ1(βti)e-jθti(t)+J0(βti)+

jJ1(βti)ejθti(t)]-

ejwct·[jJ1(βri)e-jθri(t)+J0(βri)+

jJ1(βri)ejθri(t)]

(2)

(3)

兩個(gè)去斜信號(hào)最后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后送入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行融合相參成像處理等分析。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，成像的距離分辨率δr=c/2B，其中c為光速，B為信號(hào)帶寬，由于每個(gè)子帶信號(hào)的帶寬都較大，因此每個(gè)子波段都可以獲得目標(biāo)的一個(gè)較高分辨率的一維距離像。此外兩頻段的信號(hào)產(chǎn)生和去斜都是同時(shí)在一個(gè)收發(fā)機(jī)里完成的，保證了兩信號(hào)都具有穩(wěn)定的相位關(guān)系，同時(shí)去斜降低了信號(hào)的采樣和計(jì)算處理壓力，為相參融合奠定了基礎(chǔ)。

1.2 相參融合原理

目標(biāo)的散射特性是隨頻率的不同而不同的。如果能夠構(gòu)建一個(gè)模型來(lái)描述這種散射特性，那么根據(jù)子波段回波波形及此模型就可以進(jìn)行頻譜外推獲得等效大帶寬信號(hào)，從而提高目標(biāo)成像的分辨率。多波段雷達(dá)信號(hào)融合的思想最早由林肯實(shí)驗(yàn)室提出，他們通過(guò)構(gòu)建全極點(diǎn)模型來(lái)描述并匹配散射特性，然后利用測(cè)量的回波數(shù)據(jù)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)[3]。這種估計(jì)算法在之后的研究中又得到進(jìn)一步的改進(jìn)，比如改進(jìn)的root-MUSIC算法。這種全極點(diǎn)模型可以描述為

(4)

式中，n為采樣的數(shù)據(jù)序列，P為散射中心點(diǎn)數(shù)，αl為這些散射點(diǎn)的復(fù)散射強(qiáng)度，pl為極點(diǎn)，反映的是目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)距離以及它的頻譜散射特性。利用該模型可以實(shí)現(xiàn)頻譜外推獲得大的等效帶寬。如圖3所示，子波段1和子波段2是雙波段雷達(dá)的工作頻段，定義它們的帶寬分別為Δf1和Δf2。通過(guò)模型和極點(diǎn)估計(jì)算法，我們可以進(jìn)一步外推出空白頻段Δf3的信號(hào)，進(jìn)而獲得一個(gè)等效帶寬達(dá)Δf=Δf1+Δf2+Δf3的信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提雙波段雷達(dá)的性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。原理圖中的光頻梳由馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器和信號(hào)源產(chǎn)生。一個(gè)4比特的光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)光載中頻雙波段線性調(diào)頻波。這兩個(gè)線性調(diào)頻波的周期均為10 μs,脈寬為8 μs,中心頻率分別為2.75 GHz和6 GHz,帶寬分別為1.5 GHz和3 GHz。之后該光信號(hào)注入到馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器中(AVANEX SD40)。調(diào)制器偏置在正交偏置點(diǎn)，并且被產(chǎn)生于信號(hào)源(Agilent E8403A)的16 GHz的射頻信號(hào)調(diào)制。調(diào)制器輸出的光信號(hào)進(jìn)入光電探測(cè)器(U2T XPDV2120RA)拍頻后可以產(chǎn)生多波段信號(hào)，利用多通道濾波器可以將其中的S和X波段濾出，中心頻率分別為2.75 GHz和10 GHz，這個(gè)濾波器中的兩個(gè)通道頻帶分別為2～4 GHz和8～12 GHz。這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后由功分器分別耦合成兩份，一份作為參考信號(hào)去驅(qū)動(dòng)雙偏振調(diào)制器，另外一份先通過(guò)耦合器合路后再由天線輻射到空中。該天線的工作帶寬為2～18 GHz。

產(chǎn)生的S和X波段的線性調(diào)頻波通過(guò)示波器采樣獲得。S波段時(shí)域波形和時(shí)頻曲線分別如圖5(a)和(b)所示。X波段的時(shí)域波形和時(shí)頻曲線如圖5(c)和(d)所示。為了測(cè)量這兩個(gè)信號(hào)的性能，我們將這兩個(gè)信號(hào)分別和各自對(duì)應(yīng)的理想信號(hào)進(jìn)行脈壓處理。圖6中的紅色虛線是理想的S信號(hào)的自相關(guān)結(jié)果，其主瓣寬度和峰值旁瓣比分別為590 ps和13.2 dB;藍(lán)色實(shí)線是測(cè)量的S信號(hào)和理想的S信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果，其主瓣寬度和峰值旁瓣比分別為594 ps和13.2 dB。圖7中的紅色虛線是理想的X信號(hào)的自相關(guān)結(jié)果，其主瓣寬度和峰值旁瓣比分別為295 ps和13.2 dB; 藍(lán)色實(shí)線是測(cè)量的X信號(hào)和理想的S信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果，其主瓣寬度和峰值旁瓣比分別為296 ps和13.2 dB。這兩個(gè)信號(hào)與理想信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果和理想信號(hào)的自相關(guān)結(jié)果相當(dāng)，展現(xiàn)了該方案產(chǎn)生的多波段信號(hào)具有良好的性能。

圖5 S波段和X波段的時(shí)域波形和時(shí)頻曲線

圖6 S波段信號(hào)的脈壓曲線

圖7 X波段信號(hào)的脈壓曲線

接收天線收下來(lái)的回波信號(hào)被送往和前面所述性能一致的多通道濾波器中，濾波器將其分成S波段和X波段回波。這兩個(gè)回波作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別加載到雙偏振雙驅(qū)動(dòng)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(Fujitsu FTM7980EDA)的兩個(gè)子調(diào)制器中，每個(gè)子調(diào)制器上的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)就是對(duì)應(yīng)頻段的參考信號(hào)。從雙偏振雙驅(qū)動(dòng)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器中輸出的光信號(hào)被偏振分束器分成正交的兩束光后分別進(jìn)入光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，該探測(cè)器的工作帶寬為3 GHz。光電轉(zhuǎn)換后的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器和放大器后被示波器同時(shí)采樣獲得。示波器和信號(hào)源以及光數(shù)模轉(zhuǎn)換器共用一個(gè)10 MHz的時(shí)鐘，保證了整個(gè)系統(tǒng)的參考時(shí)鐘是一致的。

完成雙波段雷達(dá)系統(tǒng)的基本校準(zhǔn)之后，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的成像性能。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖8所示，首先我們將兩金屬板相距20 cm放置在天線前方。利用雷達(dá)對(duì)其探測(cè)，S和X波段的去斜信號(hào)同時(shí)由示波器采樣獲得，示波器的采樣速率為100 MS/s。對(duì)采樣獲得的信號(hào)進(jìn)行分析可以獲得S和X波段測(cè)得的目標(biāo)一維距離像，分別如圖9中的淺紅色曲線和橙色曲線。對(duì)采樣獲得的S和X波段信號(hào)進(jìn)行相參融合處理獲得了一個(gè)等效大帶寬信號(hào)，其目標(biāo)一維距離像如圖9中的淡藍(lán)色。此時(shí)，S波段和X波段以及融合處理都可以清晰地觀測(cè)到兩金屬板。并且從這些一維距離像中可以計(jì)算獲得S波段、X波段以及融合處理測(cè)得的兩目標(biāo)間距分別為19.1，19.8 和19.9 cm。之后我們將距離天線較遠(yuǎn)的那個(gè)金屬板依次移近距離天線較近的金屬板，在這個(gè)過(guò)程中S波段和X波段依次變得無(wú)法將兩個(gè)金屬板分開(kāi)，而經(jīng)過(guò)融合處理的成像結(jié)果依然能夠清晰地看到兩目標(biāo)，直至兩目標(biāo)相距1.6 cm，如圖10所示。此時(shí)，S和X波段無(wú)法區(qū)分出兩目標(biāo)，而融合處理可以分辨出兩目標(biāo)且測(cè)得其相距1.8 cm?？梢?jiàn)，利用該雷達(dá)通過(guò)相參融合處理可以顯著提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能，其成像分辨率要高于其中單個(gè)頻段信號(hào)獲得的分辨率。

圖8 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

圖9 測(cè)距結(jié)果圖

圖10 測(cè)距結(jié)果圖

根據(jù)前面的相參融合原理部分的分析可知，1.5 GHz的S波段線性調(diào)頻波和3 GHz的X波段線性調(diào)頻波進(jìn)行融合處理后，其等效帶寬為9.5 GHz，相對(duì)應(yīng)的理論分辨率為1.58 cm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的1.6 cm分辨率和該理論值基本一致，展現(xiàn)了系統(tǒng)良好的性能，其主要的誤差來(lái)源為收發(fā)系統(tǒng)幅相校正的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種光學(xué)輔助的融合超分辨雙波段雷達(dá)。該雷達(dá)基于一套收發(fā)機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)雙波段寬帶線性調(diào)頻波的同時(shí)產(chǎn)生和去斜接收處理。通過(guò)對(duì)各個(gè)子頻段信號(hào)的相參融合處理，可實(shí)現(xiàn)超分辨一維距離像。實(shí)驗(yàn)中，基于光子數(shù)模轉(zhuǎn)換器和光頻梳結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了S和X波段線性調(diào)頻波，帶寬分別為1.5 GHz和3 GHz，通過(guò)互相關(guān)處理驗(yàn)證了信號(hào)的優(yōu)異性能。接收端，利用偏振復(fù)用的思想基于光偏振雙驅(qū)動(dòng)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了雙波段回波的同時(shí)去斜接收處理，最后對(duì)雙金屬板的成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)距離分辨率達(dá)1.6 cm的融合超分辨一維距離像。這項(xiàng)技術(shù)將使得成像雷達(dá)的能力進(jìn)一步得到顯著提升，有望應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域。