雷达科学与技术
!ada$ Science and Technology
第2期
2021年4月
Vol19No2
April2021
DOI ： 10. 3969". issn. 1672-2337. 2021. 02. 009
彭韶文#2李尚远12，薛晓晓12，郑小平12
(1.清华大学电子工程系，北京100084； 2.北京信息科学与技术国家研究中,L 、，北京100084)
摘要：本文提出并验证了一种基于微波光子学的双波段雷达，并通过相参信号融合处理实现了超分
辨一维距离像。相比
统雷达，该微波光子雷达不仅可以同时产生和处理宽带的双波段信号，而且系统
构非常紧凑。同时，由于双波段信号共用了一套 机，各波段信号的相位保持着很好的稳定性，因此通
过对 波段的信号进行相参融合处理得以实现超分辨成像。在实 ，雷达工作于S 波段和X 波段，两
波段的带宽分别为1.5 GHz 和3 GHz 。对两金属板进行探测，通过对双波段的信号进行融合处理，该雷达
的分辨率可高达1.6 cm，远高于工作于单频 的雷达。该技术将大大提高目标识别和分辨的 性。
关键词：微波光子；超分辨一维距离像；双波段雷达；相参融合处理中图分类号：TN29
文献标志码：A 文章编号：1672-2337(2021)02-0172-06
Super-Resolution Dual-Band Radar Based on Photonics Technology
PENG Shaowen 1，, LI Shangyuan 12, XUE Xiaoxiao 1，, ZHENGXiaoping 1，
(1. Department of Electronic Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084, China &
2. Beijing National Research Center for Information Science and Technology , Tsinghua University , Beijing 100084, China')
Abstract : We propose and demonstrate a photonics-based dual-band radar for super-resolution range profile
by coherent fusion processing. Compared with the electronic counterpart , the photonic-based radar is able to ge-
nerateandprocessthedual-bandsignalswithlargebandwidth Besides $thestructureishighlycompactwitha single transceiver. What's more, the sharing of a single transceiver for signals with different bands ensures per-
fectstabilityamongthewaveforms $whichmakesitpossibletorealizeasuper-resolutionrangeprofilebyfusion
ofdual-bandsignals(Intheexperiments $adual-bandradaroperatingintheS-bandwithabandwidthof1・5GHz andX-bandwithabandwidthof3GHzisestablished(Theevaluationoftheradarsystemisachievedthrough
rangeprofilesoftwometalplanesandtherangeresolutionisupto1・6cmbycoherentfusionprocessing $much higherthananysingle-bandradar(Thistechnologywouldimprovetheaccuracyofclassificationandrecognition
ofthetargets(
Key words
： microwave photonics ； super-resolution range profile ； dual-bandradar ； coherentfusionprocessing
0引言
雷达系统是探测目标
效的方法之一，它
以 全天候、全天时状态:1\目前，外部空间
越来越 ，使得人们对雷达性
能的要求也 越来越高。为了对观测
加 识别，从不 集信息并且获 :
加高分辨的成像
尤为重要，这也就催生了多波段雷达的产生。由 不同的 目标下，波的传输 所不同，这 ：不同频
的雷达能够实现不同的功能。
比如说S 波段雷达由
的 波波长较
空间传输时，尤
雨天等 依
然能保持较低的损耗，所以可以应用 *而X
波段雷达则因其具有较小的空间波束角而 应用于目标跟踪囚。多波段雷达除了能够集 单频 雷达功能 $ 的 功能
能 相参 融合实现高分辨的 像
(High-Resolution Range Profile, HRRP)+, *
HRRP 是目标最重要的特征之一，并且已经 广泛应用于目标自动识别等
*我们 ：，一
期：2020-08-14；
期：2020-10-10
目：国家自然科学 (No. 61690191, 61690192, 61420106003, 61621064)
2021年第2期彭韶文：基于微波光子学的超分辨双波段雷达173像的分与带宽成正比的，并且带宽
越大，分越高。而为了获得目标的HRRP，最效的方法就大带宽的雷达⑷。近些年来，微波光子技术借助的高频宽带、
等速发展微波光子的大时间带宽积的生成技术被提出。产生技术光子倍频+9、光子数+011、光学变频+216等，而技术光子去斜9、光子模数、光子匹配波器等。尽管微波光子学的发展大带宽的产生成能，
但是雷达射频前端器件带宽有限，且大带宽容易受到空波的，目前的雷达难以大带宽下。而另种实现目标HRRP的就是前面提及的多波段雷达。将多波段雷达的多频波融合处理，可以等效获大带宽，进而获得目标的高分像。
截至目前，已经力波融合实现目标的HRRP。大量的融合处理算法被提出，并且实验验证了它们的有效+-24］
*然而，频推的存融合处理获得的分相比于子波段分的提升倍数限$而传统多波段雷达系统的子波段带宽本身就有限，因此，即数据融合，传统多波段雷达的融合分依然较低的水*此外，还因素大大限制了的多波段雷达应用于融合超分辨成像。的多波段雷达系统由不同频段的机机成，其系统且成本较高$由本振的相位抖动混频器的波段信号的相位无法存定的关系$相参融合处理变加以实现*
本文提出了一种微波光子学的高分辨双波段雷达$融合，实现了目标的HRRP*端，双波频由光子数’换器和光频梳共同产生*端，通过光学1用的实了双波的斜
理，将两个宽带降为窄带，降低后端
数器的压力*该系统仅用机实了双波 的产生理，系统I紧，且双波具有稳定的相位关系，为双波的融合定*1结构与原理
1.1微波光子雷达系统
1是微波光子双波段雷达的原理框图*在端，光波产生产生光载的多波频波*这以光子数器和光频梳共实现*光子数模转换器［卩11在我们之前的文章经的描，利用它先产生光载的中频频波，这
频频波以
(1)式中i#=1，2)表tk两个中频的线性调频波，T p 脉冲宽度，九频率$i为—啾率A i表示
的*由于光子数器的高性能，两
频波的带宽可达数GHz*该光频光源注入到光频*此时，中频1频波频谱将会出光频梳的每两侧*光频梳的构建法，并且光频梳的重频可以高达数十GHz，可以 频频波上频至任意频段*经过光，输出的如图2所示$频前端的滤波器可以滤出我们需要的两个频段的频波，其中心频率可以分别CF#=Nf ofc士f i和CF2= M/qfc士f2，其中N和2分别数，f O FC是光频梳的重频*这两频波经射频前端放扌——；§t
：光子数模转换器一|光频梳单元］-
光载多波段信号产生模块—
—光电转
［采样&L I光电I」光学辅助的双矗段1JS和fl/k
|信号处理「I转换||去斜接收模琢］门前端「LKI
農
174雷达科学与技术第19卷第2期
大后分别被耦合成两部分$部分波斜处理的参，另部分由宽带天空中*
图2发射机中光电转换后输岀信号的频谱
端，目标回波信号由射频前端放大滤波光学辅助的双波斜。该模以由激光器、双双驱动器以及1分束器构成，如图1所示。激光器输出的光到双双驱动器后，分成两束正交的光，每光子器的光*每个子器上的分别波段的参考波*两个子器的压都偏小点$光的一阶边带，每个子器的输岀光以
E°t#)oce叫・+J0#i+
・+J1#i)e—%i()+J0#i+
<J1#i)e%()](2)式中i(=1,2)表示两个正交偏振光及相对应的频段$t()=CF i・t+⑴kt$ri tt)=CF i・tt—
厂)+⑴k i(—!)2$为回波信号的延时$t=M i 匚和(n=M n/V$为子调制器两个臂上的调制系数，M i和M i分别为参考信号和回波信号幅度，器的半波电压*的两光合波起 双驱动器的输出口输出，之后它经分束器重新变成正交的两束光并经过光成，至此两波成了去斜处理*这两个波段的去斜信号
I o5J1J1((r z)cos(kt k!+CF
3)两斜经模数器
数理器融合相参成像处理等分析*文献可知，成像的分/r=c/2B,
c为光速H带宽，由于每个子带信号的带宽都较大，因此每个子波以获得目标的较高分的像*此外两频段的产生斜机成的，保证了两具有稳定的相位关系$左斜降低了的算处理压力，为相参融合定了*
1・2相参融合原理
目标的散频率的不同而不同的*如果能建来这种散，那子波波波形及此就可以频推获得等效大带宽，从而提高目标成像的分。多波段雷达融合的思想由实验室提出，他们建全极点来描并匹配散，然后利用测量的回波数据对的参数+,*这种算法在之的研究步的改进，比如改进的root-MUSIC算法*这种全点以
p
M(n)='a l p l n(4)
$的数据序列，P为散点数, a l为这些散射点的复散射强度p l点，反映的
静电场复习
目标与雷达的相对以及它的频谱散2 *利用该以实频推获大的等效带宽*如3所$子波1子波2双波雷达的频段，定义它们的带宽分别为#f1和△f2*点算法，我们可以步推出空白频段f的，进而获等效带宽达#f=#f1+#f2+#f3的*
图3对两个子波段进行相参融合处理的示意图
当代舞
1A：
1f T:
*u
波段-1（必）
郑州大学:"—j::.■-::■■■■..
广州金矿
■;::•:•:■:；•;:'■■•:■….：
：•.：
软件仿真
频谱外推似）
'、八/i
\；V V V
波段-沁)
2实验结果与分析
了验证所提双波段雷达的性能，我们设计了如图4所示的实验系统*原理的光频梳由马赫-曾德尔器产生*4比特的光子数器产生光频双波频波*这两频波的周期均为10脉宽为8中心频率分别为2.75GHz和6GHz，带宽分别为1.5GHz和3GHz*之后该光信号注入到马赫-曾德尔调制器中(AVANEX SD40)*调制器偏置在交点，并且被产生(
Agilent
2021年第2期
彭韶文：基于微波光子学的超分辨双波段雷达
175
E8403A)的16 GHz 的射频
*
器输出的光
光电探测器(U2T XPDV2120RA )拍频 以产生多波
，利用
波器以将 的S 和X 2
出，中心频率分别为
2.75 GHz 和10 GHz，这 波器中的两 频
带分别为2〜4 GHz 和8〜12 GHz 。这两个信号 经过放大器放大后由功分器分别耦合成两份，一
参
动双
器，另 '份
先 耦合器合路后再由天 空中。该天
的
带宽为2〜18 GHz *
它时钟10 M Hz /
_______时钟________|示波器T 史学|信号源|
光子数模马赫-曾德尔光电多通道放大器转换器_A 调制器
—A 探测器
—►滤波器
敞大器
天线
—低噪放*多通道
「低噪放*滤波器
《天线
比分别为594 ps 和13. 2 dB*图7中的红虚
理想的X 的自相 果，其主瓣宽 I 值旁瓣比分别为295 ps 和13. 2 dB ；蓝实线是
测量的X 理想的S
的互相 果，其
主瓣宽 值 比分别为296 ps 和13. 2 dB *
这两
与理想 的互相 果和理想
的自相
果相当，展现了该
产生的多波段
具
好的性能*
(決/
PQ P O Z )
S
图6 S 波段信号的脉压曲线
滤波器•r 放大器滤波器.r 放大器
双偏振
调制器
激光 器
图4双波段雷达实验框图
产生的S 和X 波段的线性调频波 波器
采样获得* S 波 波 频
分别如图
5(a)和(b)所示* X 波段的时域波形和时频曲线如
图5(c)和(d)所示*为了测量这两 的性能,
我们将这两
分别 自对应的理想信号进
行脉压处理。图6中的红虚线是理想的S 信号(铤
/HP 0Z )
岀蓝
图7 X 波段信号的脉压曲线
的自相关结果，其主瓣宽
值
比分别为
590 ps 和13. 2 dB ；蓝实线是测量的S
理
想的S 信号的互相关结果，其主瓣宽度和峰值旁
1.00.5
> 赵0.0-0.5
时间/盟
(b) S 波段时频曲线
-1.0
2
4
6 8 10
时间/ys (a) S 波段时域波形
(c) X 波段时域波形
时间/|is
(d) X 波段时频曲线
图5 S 波段和X 波段的 波 频曲线
天
来的回波 前面所述
能一致的
波器中，滤波器将其分成S 波
X 波 波* 这两 波 动 分别
加 双偏振双驱动马赫-曾德尔
器(Fujitsu
FTM7980EDA )的两个子
器中，每个子 器上的另
动信号就是对应频段的参
*从
双 双驱动马赫-曾德尔
器中输出的光信号
分束器分成正交的两束光后分另U
光电探
测器完成光
，该探测器的
带宽为3 GHz 。
光 的两
经过低通滤波器和放大器后
波器
获得*示波器
以及光数
器共用
10 MHz 的
，保证了 系
统的参
的*
成双波段雷达系统的基本 之后，我们设
实验验证系统的成像性能*实验 如图8所
，首先我们将两 相距20 cm 放 天线前
*利用雷达对其探测,S 和X 波段的去斜 同 由示波器 获得，示波器的 速 100
176雷达科学与技术第19卷第2期
MS/s0对采样获得的分析可以获得S和X波段测得的目标像，分别如图9中的浅。对 获得的S和X波段相参融合处理获得了等效大带宽信，其目标像如图9中的。此时,S 波X波段以及融合处理以清晰地观测到两*并且从这些像中可以计算获得S波段、X波段以及融合处理测得的两目标间距分别为19.1$9.8和19.9cm*之后我们将天线较远的依次移天线较近的，在这个过程中S波X波段依次法将两分开$而经过融合处理的成像结果依然能够清晰两目标，直至两目标相距1.6cm，如10所示*此时,S和X波法区分出两目标，而融合处理可以分辨出两目标且测相距18 cm*可见，利用该雷达相参融合处理可以显著提高雷达系统的性能，其成像分要高单个频段信号获得的分辨率*
图8实验场景图
图9测果图
汤加利图10测距结果图
根据前面的相参融合原理部分的分析I, 1.5GHz的S波频波和3GHz的X波段
频波融合处理后，其等效带宽为9.5 GHz，相对应的理论分辨率为1.58cm*实验测得的1.6cm分该理论值基本，展现了系统良好的性能，其主要的来系统幅相的*
3结束语
本文提出了一种光学辅助的融合超分辨双波段雷达*该雷达机就可以实现双波段宽带频波的产生斜理*对子频的相参融合处理，可实现超分像*实验中，基于光子数’换器和光频产生了S和X波频波，带宽分别15GHz3GHz$相理
验证了 的优异性能*端，利用用的思想光双驱动器实现了双波
波的斜理$对双的成像实验验证了该雷达可实分达1.6cm的融合超分像*这项技术将成像雷达的能力步提升，有望应用于目标识别等*
参考文献：
[1,SKOLNIK M I.Introduction to Radar Systems[M,.
New York：McGraw-Hi l$1990
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Tech-
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