CN104678390A - 基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，将超宽带混沌发生器产生的混沌信号直接作为雷达信号，经宽带功分器分为三路同相分量，一路作为探测信号，由宽带加脊喇叭天线发射；一路与信号发生器产生的本振信号混频，作为参考信号Ⅰ；另一路作为参考信号Ⅱ，直接输入数据采集和处理单元，并将与回波信号进行互相关处理。目标散射的信号与杂波信号作为回波信号由宽带加脊喇叭天线接收，回波信号经宽带功分器分为两路同相分量，一路直接输入数据采集和处理单元进行数据采集和相关处理；另一路与参考信号Ⅰ进行外差处理，输入到I/Q混频器，然后输入数据采集和处理单元进行采集，从输出信号中提取目标的速度信息。
Description
技术领域
本发明涉及雷达探测装置技术领域，特别是涉及一种基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，可应用于遥感、侦查等领域。
背景技术
随着信息技术的快速发展，雷达已成为现代通信、军事保障等不可或缺的工具。在多重复杂干扰环境下，各种应用对雷达也提出了更高的要求，即：精度高、抗干扰能力强、多目标跟踪、多径干扰小、自适应性能良好等，所以随之衍生了超宽带雷达。超宽带雷达是指工作带宽大于或等于其中心频率25％的雷达。与窄带雷达相比，超宽带雷达的优势在于，传输速率高；安全性和保密性好，有很强的隐蔽性，很难被截获；定位精度高，系统距离分辨率高；多径分辨能力强；功耗低等。所以越来越多的研究人员将目光聚焦于超宽带雷达的研究和设计。
在超宽带雷达的研究和设计中，波形的设计与选择直接影响获取的目标信息量，特别是在的空间上扩展的目标。设计适当的波形需要考虑诸多因素，如：距离分辨率、多普勒分辨率、探测环境、系统成本以及应用频率的限制等等。
混沌信号是类噪声信号，对初值敏感、可控、频谱宽，具有超宽带特性和良好的相关特性，在雷达应用中可以实现高距离和多普勒分辨率、强抗干扰、强抗多径衰落、强电子反干扰和良好的目标识别等。所以超宽带混沌雷达成为了新体制雷达的研究热点。
超宽带混沌信号可以由电域或光域系统产生。目前电域混沌信号可以通过模拟电路产生，如：改进型的Colpitts混沌振荡电路。光域混沌信号可以通过光反馈、光电反馈或光注入的方式产生混沌光，然后通过光电转换器将光信号转化为电信号进行目标探测。两种方式各有优势，光域系统产生的混沌信号中心频率及带宽灵活可控，带宽可高达数十GHz；电域系统产生的混沌信号幅度大，与混频器结合可达到中心频率灵活可控，且产生成本低。
2004年，加州大学洛杉矶分校的刘佳明等人利用半导体激光器产生的混沌激光，经光电转换后作为雷达发射信号，用于空间目标测距(IEEE Journal of Quantum Electronics,40(6),815-820,2004和IEEEJournal of Quantum Electronics,40(6),682-689,2004)；2007年到2010年，浙江大学的史治国等人研究了Colpitts电路产生的混沌信号作为雷达信号的抗干扰能力(Progress In ElectromagneticsResearch,77,1-14,2007)，并将其运用于目标测距的仿真和实验(Progress In Electromagnetics Research,90,15-30,2009和Journal ofElectromagnetics Waves and Application,24,1229-1239,2010)；2008年以来，太原理工大学的王云才课题组对混沌激光雷达抗干扰性能进行了分析(红外与激光工程,36(z1),214-218,2007和中国激光,38(5),0514002,2011)并将其应用于多目标测距(Chinese OpticsLetters,11,868-870,2008)和汽车防撞(中国激光,36(9),2426-2430,2009)等领域。这些混沌雷达均是将混沌信号直接作为雷达信号，称为直接混沌雷达。此外，加拿大麦克马斯特大学，国内南京理工大学、南京航空航天大学、电子科技大学、西安电子科技大学、桂林电子科技大学、北京航空航天大学等科研院校的研究者将混沌信号作为调制信号，对连续波或脉冲信号进行调制后作为雷达发射波形，称为混沌调制雷达。
已有研究表明超宽带直接混沌雷达可用于空间或障碍物后的目标测距，由于这些雷达系统采用传统的直接相关法进行探测，故只能提取目标的距离信息，而丢失了目标的相位信息，无法实现目标测速。而利用直接混沌雷达进行目标测速只是通过仿真进行了验证(RadarConference 2013,IET International,1-5,2013)，且采用软件方法，即将发射信号与回波信号的傅里叶变换进行匹配滤波后采用MUSIC谱估计算法获得目标的多普勒频移从而计算目标的速度。利用硬件实现直接混沌雷达目标测距尚未有文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，采用外差相关法，利用超宽带混沌信号发生器产生混沌信号，同时提取目标的距离信息和相位信息，从而实现目标的距离和速度探测。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，包括发射端、接收端、数据采集和处理单元。
所述发射端由超宽带混沌信号发生器产生混沌信号，经第一宽带功分器分为三路同相分量：第一路作为探测信号，经第一功率放大器放大后，由宽带加脊喇叭天线发射；第二路与信号发生器Ⅰ通过第二宽带功分器产生的一路本振信号通过第一混频器混频后，作为参考信号Ⅰ，并将与回波信号进行外差处理；第三路作为参考信号Ⅱ，直接输入到数据采集和处理单元进行采集，并将与回波信号进行相关处理，用于提取目标的距离信息。
所述接收端，目标散射的信号与杂波信号作为回波信号由宽带加脊喇叭天线接收，回波信号经低噪放大器后，通过第三宽带功分器分为两路同相分量：第一路与参考信号Ⅰ通过第二混频器进行外差处理，再经带通滤波器、第二功率放大器后输入到I/Q混频器，信号发生器Ⅰ通过第二宽带功分器产生的另一路本振信号输入到I/Q混频器，然后I/Q混频器输出两路信号至数据采集和处理单元进行采集和处理，提取目标的相位信息，从而获得目标的速度信息；第二路直接输入数据采集和处理单元进行采集，与参考信号Ⅱ进行相关处理，提取目标的距离信息。
外差相关法的工作原理是通过改变超宽带混沌信号发生器产生的混沌信号的频率，使其与回波信号产生一个频率差，变频后参考信号Ⅰ与回波信号相关后，产生的信号中包含了相位调制相和被测量项(目标的相位信息等)，通过对该信号进行解调即可获得被测目标信息。在信号被解调到基带时，信号被放大，减少了闪变效应噪声产生的影响。
所述超宽带混沌信号发生器可以是电域系统或光域系统。
所述电域系统由改进型的Colpitts混沌振荡电路、混频器和信号发生器构成。
所述光域系统采用外光单向注入半导体激光器。
该基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，不仅可以实现高分辨率的目标测距，同时可以提取目标的相位信息，计算目标的速度，其优点与有益效果集中体现如下：
1、基于改进型Coliptts混沌振荡电路(电域系统)和基于光反馈、光电反馈或光注入的方式(光域系统)产生的混沌信号具有宽带宽、无模糊、功耗低等优点，能够实现距离分辨率和多普勒分辨率高、抗干扰能力强和抗多径衰落能力强的目标探测；此外，电域系统产生混沌的方式简单、系统稳定、成本低，光域系统产生的混沌信号具有平坦的功率谱和高达数十GHz的带宽。
2、结合超宽带微波信号收发技术、外差相关法和正交解调法，装置同时实现对目标的距离和速度检测，且不受随机相位的影响。
本发明设计合理，采用外差相关法，利用超宽带混沌信号发生器产生混沌信号，同时提取目标的距离信息和相位信息，从而实现目标的距离和速度探测，可应用于遥感、侦查等领域。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图。
图2是本发明超宽带混沌发生器电域系统的结构示意图。
图3是本发明超宽带混沌发生器光域系统的结构示意图。
图中，1-超宽带混沌信号发生器，1a-改进型Colpitts混沌振荡电路，1b-第三混频器，1c-信号发生器Ⅱ，1A-第一半导体激光器，1B-偏振控制器，1C-光纤耦合器，1D-可调光衰减器，1E-第二半导体激光器，1F-光纤隔离器，1G-光电转换器，2a-第一宽带功分器，2b-第二宽带功分器，2c-第三宽带功分器，3a-第一功率放大器，3b-第二功率放大器，4a-第一混频器，4b-第二混频器，5a-宽带加脊喇叭发射天线，5b-宽带加脊喇叭接收天线，6-低噪放大器，7-带通滤波器，8-I/Q混频器，9-数据采集和处理单元，10-信号发生器Ⅰ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
超宽带混沌信号发生器产生的混沌信号(GHz量级)经宽带功分器分为三路同相分量：一路作为探测信号；一路与信号发生器Ⅰ产生的本振信号(MHz量级)混频，作为参考信号Ⅰ，与回波信号进行外差处理；另一路作为参考信号Ⅱ，与回波信号进行相关处理。接收的回波信号经低噪放大后功分两路：一路与参考信号Ⅰ进行外差处理，再经带通滤波器、功率放大器后输入到I/Q混频器，然后进入数据采集和处理单元进行信号采集和处理，提取信号中目标的相位信息；另一路直接输入数据采集和处理单元，与参考信号Ⅱ做互相关处理，提取信号中目标的距离信息。为了更好地说明本发明的装置，对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，包括发射端、接收端及数据采集和处理单元9。
所述发射端由超宽带混沌信号发生器1产生混沌信号，经第一宽带功分器2a分为三路同相分量：第一路作为探测信号，经第一功率放大器3a放大后，由宽带加脊喇叭天线5a发射；第二路与信号发生器Ⅰ10通过第二宽带功分器2b产生的一路本振信号通过第一混频器4a混频，作为参考信号Ⅰ，并将与回波信号进行外差处理；第三路作为参考信号Ⅱ，直接输入到数据采集和处理单元9进行采集，并将与回波信号进行相关处理，提取目标的距离信息。
其中，所述超宽带混沌信号发生器1是电域系统或光域系统。
如图2所示，所述电域系统由改进型的Colpitts混沌振荡电路1a、混频器1b和信号发生器1c构成；改进型Colpitts混沌振荡电路1a产生的超宽带混沌信号与信号发生器Ⅱ1c产生的信号，经第三混频器1b变频后，输出混沌信号。
如图3所示，所述光域系统采用外光单向注入半导体激光器；即第一半导体激光器1A输出的连续光依次经过偏振控制器1B、光纤耦合器1C和可调光衰减器1D，再进入第二半导体激光器1E，对第二半导体激光器1E造成扰动，从而产生混沌激光，经光纤隔离器1F输入光电转换器1G中，将混沌光转化为连续混沌信号输出。
所述接收端，目标散射的信号与杂波信号作为回波信号由宽带加脊喇叭天线5b接收，回波信号经低噪放大器6后，通过第三宽带功分器2c分为两路同相分量：第一路与参考信号Ⅰ通过第二混频器4b进行外差处理，再经带通滤波器7、第二功率放大器3b后输入到I/Q混频器8，信号发生器Ⅰ10通过第二宽带功分器2b产生的另一路本振信号输入到I/Q混频器8，然后I/Q混频器8输出两路信号(I和Q，见公式9)至数据采集和处理单元9进行采集和处理，提取目标的相位信息，从而通过公式(10)获得目标的速度信息；第二路直接输入数据采集和处理单元9进行采集，与参考信号Ⅱ进行相关处理，提取目标的距离信息，距离信息的获得属于常规的雷达方法。
结合公式，对获取目标速度信息做如下具体说明：
假设超宽带混沌信号发生器1产生的混沌信号为
其中a(t)表示混沌信号呈高斯分布的振幅，ω0表示信号的角频率，表示混沌信号的中心频率，表示信号频率带宽的一半，表示信号的任意相位。
信号发生器Ⅰ10产生的信号
(2) x1(t)＝cosωreft；
其中为信号的频率，为简单起见，假设本振信号的初始相位为零。
混沌信号与参考信号混频后，得到参考信号Ⅰ为
其中k1是常数。
宽带加脊喇叭天线5b接收到回波信号为
其中k2是常数，ρ表示目标的反射振幅系数，表示目标的反射相位，R表示混沌信号发射后经目标反射有接收天线接收的距离，c表示电磁波在空间的传播速度，v表示目标的移动速度，表示混沌信号发射后经目标反射有接收天线接收的延迟时间。
接收信号的瞬时相位可以表示为
其中瞬时波长
因为距离(5)R＝vt，所以带入式(4)中，得
回波信号与参考信号Ⅰ混频后，第二混频器4b的输出信号为
其中k3是常数。
经I/Q混频器8后，输出两路信号：
其中kI，kQ是常数。
在数据采集和处理单元9内进行相关处理后，则目标的相位信息表示为
通过公式(10)获得目标的速度信息。
Claims (4)
1.一种基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，包括发射端、接收端及数据采集和处理单元（9），其特征在于：
所述发射端由超宽带混沌信号发生器（1）产生混沌信号，经第一宽带功分器（2a）分为三路同相分量：第一路作为探测信号，经第一功率放大器（3a）放大后，由宽带加脊喇叭天线（5a）发射；第二路与信号发生器Ⅰ（10）通过第二宽带功分器（2b）产生的一路本振信号通过第一混频器（4a）混频，作为参考信号Ⅰ，并将与回波信号进行外差处理；第三路作为参考信号Ⅱ，直接输入到数据采集和处理单元（9）进行采集，并将与回波信号进行相关处理，用于提取目标的距离信息；
所述接收端，目标散射的信号与杂波信号作为回波信号由宽带加脊喇叭天线（5b）接收，回波信号经低噪放大器（6）后，通过第三宽带功分器（2c）分为两路同相分量：第一路与参考信号Ⅰ通过第二混频器（4b）进行外差处理，再经带通滤波器（7）、第二功率放大器（3b）后输入到I/Q混频器（8），信号发生器Ⅰ（10）通过第二宽带功分器（2b）产生的另一路本振信号输入到I/Q混频器（8），然后I/Q混频器（8）输出两路信号至数据采集和处理单元（9）进行采集和处理，提取目标的相位信息，从而获得目标的速度信息；第二路直接输入数据采集和处理单元（9）进行采集，与参考信号Ⅱ进行相关处理，提取目标的距离信息。
2.根据权利要求1所述的基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，其特征在于：所述超宽带混沌信号发生器（1）是电域系统或光域系统。
3.根据权利要求2所述的基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，其特征在于：所述电域系统由改进型的Colpitts混沌振荡电路（1a）、混频器（1b）和信号发生器（1c）构成；改进型Colpitts混沌振荡电路（1a）产生的超宽带混沌信号与信号发生器Ⅱ（1c）产生的信号，经第三混频器（1b）变频后，输出混沌信号。
4.根据权利要求2所述的基于外差相关法的超宽带直接混沌测速测距雷达装置，其特征在于：所述光域系统采用外光单向注入半导体激光器；即第一半导体激光器（1A）输出的连续光依次经过偏振控制器（1B）、光纤耦合器（1C）和可调光衰减器（1D），再进入第二半导体激光器（1E），对第二半导体激光器（1E）造成扰动，从而产生混沌激光，经光纤隔离器（1F）输入光电转换器（1G）中，将混沌光转化为连续混沌信号。
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