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0431-81702023
光學工程
基于光纖鏈路傳輸的遠程超寬帶混沌成像雷達

基于光纖鏈路傳輸的遠程超寬帶混沌成像雷達

摘要 提出了一種基于光纖鏈路傳輸的遠程超寬帶混沌成像雷達系統。該系統包括中心站、光纖傳輸鏈路和基站。在中心站,改進型 Colpitts 振蕩器產生超寬帶混沌信號,經上變頻后作為雷達探測信號。探測信號通過激光器的外調制技術轉換為相應的光信號,經光纖鏈路傳輸到基站并轉換為相應電信號,由寬帶天線發射。目標物反射的回波信號經電光轉換和下變頻在中心站被采集。利用相關運算和后向投影算法,中心站可實現對目標物的二維空間成像。實驗結果表明,該系統經過 10 km 光纖傳輸后可對單個和多個目標物進行遠程成像。成像的距離分辨率和方位分辨率分別為 6 cm 和 8 cm。

關鍵詞 遙感; 超寬帶混沌雷達; 遠程成像; 相關算法; 后向投影算法; Colpitts 振蕩器

1 引 言

      超寬帶(UWB)隨機信號雷達結合了 UWB 技術和隨機信號雷達的優勢,如高距離分辨率、良好的穿透性能、低截獲率和強抗干擾能力[1] 。因此,UWB 隨機信號雷達被廣泛用于精準定位[2] 、穿墻雷達成像[3-4] 、穿透葉簇進行合成孔徑成像[5] 等方面。UWB 隨機信號雷達最簡單的實現方式是不經過調頻、調幅和調相等復雜調制技術,直接將一個連續的 UWB 隨機信號作為雷達探測信號。按照探測信號的類型,UWB 隨機信號雷達可大致分為三類:UWB M 序列雷達[6-7] 、UWB 噪聲雷達[3,8-9] 和 UWB 混沌雷達[2,10-13] 。UWB M 序列雷達具有低波峰因子,對信號采集系統的動態范圍要求低,并可通過欠采樣實現信號重構[7] 。但是想獲得較高的距離分辨率,需要昂貴的高速 M 序列發生器,且無模糊的探測范圍受限于 M 序列的周期性。UWB 噪聲雷達的探測信號由熱噪聲[3] 或者自發輻射噪聲[8] 經多級放大后產生,但噪聲源本身產生的噪聲幅值小,且高增益放大器的帶寬有限,因此獲得高功率的 UWB 噪聲信號仍然是困難的[14] 。相比以上兩種 UWB 隨機信號雷達,混沌雷達利用簡單的非線性動力系統,如 Colpitts 振蕩器[15-16] 或者外部擾動下的半導體激光器[17-20] ,獲得寬帶、大幅度且無碼長限制的混沌信號,將其作為雷達探測信號實現高距離分辨率和無模糊探測。此外,混沌信號的可控性和對初值的敏感性,有利于實現不同系統間同步和多用戶同時測量[21-22] 。2004 年,Lin 等[2] 提出利用光注入半導體激光器產生的混沌激光經光電轉換后作為雷達發射信號,并獲得了 9 cm 的距離分辨率。2010 年 Jiang 等[10-11] 提出了基于 Colpitts 振蕩器的混沌雷達系統,并研究了混沌信號在雷達系統中的性能。

     然而,通過無線或者電纜傳輸,UWB 雷達信號僅能夠傳輸幾米或幾十米,限制了其在雪山、孤島和燃料存儲倉等惡劣環境下對目標的遠程探測。為了擴大雷達信號的覆蓋范圍,可將具有低損耗、高帶寬特性的光纖作為 UWB 雷達信號的傳輸介質,從而實現信號的遠距離傳輸[23-24] 。因此,2014 年 Zhang 等[12-13] 提出基于光載無線通信技術的遠程混沌測距雷達,實現了對目標的超遠距離探測。但是,上述遠程混沌雷達僅實現了目標一維距離的探測。目前,關于遠程 UWB 混沌成像雷達尚未有文獻報道,而目標二維空間成像在雷達應用中更具有實際意義。因此,本文提出了一種基于光纖鏈路傳輸的遠程 UWB 混沌成像雷達系統。該系統具有如下特點:1) 利用改進型 Colpitts 振蕩器產生混沌探測信號,相比于由分離的光學器件構成的混沌激光源,結構更簡單,受外界干擾小,更穩定;2) 利用一對定向天線進行掃描,并結合相關運算和后向投影算法,可實現目標物的二維空間成像;3) 利用兩路 10 km 長的單模光纖實現探測信號和回波信號在中心站和基站之間的遠程傳輸。

2 實驗裝置

      圖 1 為本文所提出的基于光纖鏈路傳輸的遠程 UWB 混沌成像雷達系統的實驗裝置圖。該雷達系統由中心站、光纖傳輸鏈路和基站三部分組成。中心站實現 UWB 混沌信號的產生和上變頻,以及回波信號的下變頻和信號處理。在基站,一對定向喇叭天線實現雷達信號的發射與接收,收發天線沿同一方向水平移動,對目標進行掃描成像。同時,探測信號和回波信號在中心站和基站進行電光轉換后,再通過光纖進行遠距離傳輸。

     在中心站,改進型 Colpitts 振蕩器產生 UWB 混沌信號,通過功分器 1(A-INFOMW GF-T2-20-3000)分為兩路:一路作為參考信號,由示波器(OSC, LeCroy SDA 725Zi)直接采集;另一路經混頻器 1(Marki M2-0026)上變頻后作為雷達探測信號。混頻器所需的本振信號(LO)是由信號發生器(SG, CETC AV1487A)產生的正弦信號 提 供 。 利 用 電 光 調 制 器 1(EOM1, EOSPACE AZ-DK5-20- PKU- SFU- LV- SRF1W)對 分 布 反 饋 激 光 器 1 (DFB-LD1)進行外調制,將上變頻后的 UWB 混沌探測信號轉換為相應的光信號。光信號通過 10 km 單模光纖 1(SMF1, YOFC G652D)傳輸到基站,然后通過寬帶光電探測器 1(PD1, CONQUER KG-PT-10G-A-SM-FA) 轉換為相應的電信號。電信號經放大器 1(AMP1, CONQUER KG-RF-10)放大,通過定向天線(TA, A- INFO LB-10180)發射。目標物反射形成的回波信號由另一個相同結構的定向天線(RA, A-INFO LB-10180)接收,經 AMP2 放大,再通過 DFB-LD2 的外調制轉換為光信號并通過 10 km 的 SMF2 傳輸回中心站。遠距離傳輸后的回波信號經 PD2 轉換為相應的電信號,再經混頻器 2(Marki M2-0026)下變頻后由示波器采集。計算機實現數據處理和圖像顯示。表 1 為實驗中所用儀器的典型參數。

 

3 成像算法

      遠程混沌雷達成像算法可借鑒成熟的 UWB 噪聲雷達的成像算法[25] 。假設接收和發射天線之間的間距一定,同時沿直線移動 M 個位置形成 M 元陣列。在每一個位置處,對回波信號和參考信號作互相關運算,再進行后向投影(BP)算法,即可實現對目標物的二維成像。

      遠程混沌雷達的成像算法如下所示:假設 s(t)表示參考信號,r(t)表示回波信號,將二者進行互相關運算,則互相關函數 g(τ)可表示為

      其中 T 表示互相關的積分時間;s * (t)為 s(t)的復共軛;τ表示回波信號相對參考信號的延遲時間。需要注意的是 g(τ)需要被標記零點,即τ需要減去信號在雷達系統中的傳輸時間,可通過天線對接的方法,測得信號在雷達系統中的傳輸時間。

      利用上述相關運算獲得 M 個位置處的互相關函數 gm (t)(1 ≤ m ≤ M) 后,進行希爾伯特變換得到復信號 G m (t) :

      將目標成像區域劃分成多個像素點,任意像素點 q 的信號 r q (t) 是各復信號在不同延遲時間的采樣信號的疊加,即

      其中|·|表示取幅運算;R mq 表示像素點 q與第 m 個收/發天線間的距離,可以通過兩點的坐標計算而得;c表示電磁波在自由空間中傳播速度,即 3.0′108 m/s。如果目標位于像素點 q處,則該點的能量在 M 次測量中得到加強,目標能量在像素點 q 實現聚焦,q 點即為目標成像位置。反之,該點的能量會很弱,在圖像中可視為背景。

4 實驗結果

4.1 混沌信號的產生和傳輸特性

       相比于標準型 Colpitts 振蕩器,本文所使用的改進型 Colpitts 振蕩器將電感從三極管的集電極移至基極,并串聯一個電阻,消除了高頻時三極管集電極通過集電極-基極之間的寄生電容對地短接的影響,從而獲得更高的帶寬以及更低的旁瓣水平信號[16] 。圖 2 為改進型 Colpitts 振蕩器產生的 UWB 混沌信號的時序、功率譜和自相關曲線。圖 2(a)為采集時間為 10 μs的混沌信號的時序圖。從圖中可知,混沌信號在時序上呈現不規則的類噪聲特性。信號的峰峰值和平均功率(由型號為 R&S NRP-Z22 的平均功率傳感器測得)分別是 280 mV 和-12.2 dBm。圖 2(b)為混沌信號的功率譜。混沌信號的帶寬為 970 MHz(文中混沌帶寬的計算方法是:設 r = ∫ 0 B Pdf ∫ 0 ∞ Pdf ,其中 f 為頻率,P 為功率,當 r=80%時,所對應的頻率值為混沌帶寬[26] ),具有寬頻帶的特征。從圖 2(c)可以看出,混沌信號的自相關曲線呈現類似δ函數的形狀,其半峰全寬(FWHM,fFWHM)為 0.4 ns(見插圖),為實現厘米級的距離分辨率提供保障。

      

 譜。圖 3(a)為上變頻后的混沌信號功率譜,變頻所用的本振信號中心頻率為 2 GHz。由于發射信號的頻率越高,衰減越大,但頻率越低,喇叭天線的尺寸越大,所以綜合考慮天線尺寸和信號衰減程度,將本振信號的中心頻率設為 2 GHz。圖 3(b)為混沌信號轉換為相應的光信號再經 10 km 光纖傳輸后的功率譜。從圖中可以看出,雖然能量有所下降,但受益于單模光纖的低色散特性,混沌光信號經過 10 km 光纖之后,仍保持寬頻帶的特性。圖 3(c)為天線發射的混沌探測信號功率譜,與圖 3(a)比較,天線的發射信號保持原始探測信號的寬頻帶和高能量特性,說明本文所提出的雷達系統能夠實現遠程探測。圖 3(d)為接收天線接收到的回波信號的功率譜。由于收發天線的響應頻率范圍是 1~18 GHz,因此,回波信號從直流到 1 GHz 附近的能量被濾掉。圖 3(d)顯示,電磁波在空間傳播頻率越高,損耗越大,接收天線接收的能量就越少。

      此外,實驗分析了 UWB 混沌光信號的相關性和峰值旁瓣水平(PSL)隨光纖傳輸距離增加的變化情況。圖 4 為測量光纖傳輸距離對混沌信號相關性、PSL 影響的實驗裝置圖。Colpitts 振蕩器產生的 UWB 混沌信號,經上變頻后由功分器分兩路:一路作為參考信號,另外一路通過電光調制器對分布反饋激光器進行外部調制,將混沌電信號轉換成相應光信號,經不同長度的單模光纖傳輸,再通過光電探測器轉換成電信號。兩路信號最終由示波器采集,并進行互相關運算。

 

     圖 5 為光纖傳輸距離與互相關峰值、PSL 的關系曲線。實驗選取了不同長度的單模光纖進行混沌光信號的傳輸。從圖 5 可知,隨著傳輸距離的增加,互相關峰值逐漸減少。插圖(a)表示經 0.5 m 長光纖傳輸后得到的互相關曲線,插圖(b)表示經約 10 km 長光纖傳輸后得到的互相關曲線。從圖 5 紅色曲線可知,隨著光纖傳輸距離的增加,互相關峰值呈指數規律逐漸減少。從圖 5 藍色曲線可知,隨著光纖傳輸距離的增加,PSL 變化不明顯,保持在一定范圍內。當互相關峰值下降一半時,光纖傳輸距離對應約 10 km,PSL 無明顯變化,表明混沌光信號經過約為 10 km 的光纖傳輸,仍保持了良好的相關特性。因此,本文所提出的雷達系統將光纖的遠程傳輸距離設為 10 km。

4.2 單目標成像

      圖 6(a)是 單 目 標 的 成 像 場 景 圖 。 室 內 空 間 為 3.5 m × 3.5 m,金 屬 球 的 半 徑 為 0.14 m,其 中 心 坐 標 為 (1.6,1.6) m 。發射天線和接收天線間距固定為 0.2 m,分別延 X 軸、Y 軸方向同時進行平移掃描,移動間隔為 0.05 m,移動總距離為 3.5 m。由于天線間的直接耦合會引入較強的串擾雜波,故采用背景相減技術[27] 實現雜波抑制。圖 6(b)是通過 BP 成像和閾值處理后的單個金屬球的成像圖。圖中金屬球的位置與實驗場景圖中的實際位置基本一致。

4.3 雙目標成像

     為了證明該雷達系統能夠對多目標進行探測,在實驗中放置了兩個金屬球進行掃描成像。圖 7(a)為雙目標實驗場景圖。室內空間仍為 3.5 m×3.5 m,兩個金屬球大小相同,半徑均為 0.14 m。金屬球中心所在位置的坐標分別為(1.1,1.1) m、(1.5,1.5) m。掃描方式和數據處理方法與單目標成像相同。圖 7(b)為經過 BP 成像和閾值處理之后的成像結果圖。從成像結果可以看出,經 BP 算法和閾值處理后,兩個金屬球的位置與空間中的實際位置相一致。

 

5 討 論

      距離分辨率和方位分辨率分別由自相關曲線的 FWHM 和天線孔徑決定。相關峰的 FWHM 越窄,距離分辨率越高。由維納-辛欽定理知:信號的自相關函數與其功率譜互為傅里葉變換。因此,混沌信號自相關曲線的 FWHM 主要由信號帶寬決定,即混沌信號的帶寬越寬,其自相關曲線的 FWHM 越窄,距離分辨率越高。圖 2(c)中的插圖顯示混沌信號的 FWHM 為 0.4 ns,距離分辨率由公式 fFWHM ·c/2 知可知為 6 cm。對于成像雷達,方位分辨率由天線孔徑大小決定,天線孔徑越小,方位分辨率越高。實驗所用的天線孔徑 D 為 16 cm,方位分辨率由公式 D/2[28] 可知為 8 cm。因此,本文所提出的 UWB 混沌成像雷達系統距離分辨率和方位分辨率分別為 6 cm 和 8 cm。 

      本文所采用的寬帶混沌信號可以通過調節混頻器的本振信號頻率,使混沌信號的功率譜實現頻譜搬移。圖 8 為本振頻率分別在 5,6,7,8 GHz 時發射信號的功率譜。從圖 8 可知,本文提出的雷達可根據實時環境,對探測信號功率譜進行調節,避免由于頻譜重疊所導致的干擾。此外,本文所提出的實驗方案還可以進一步簡化,在光纖鏈路兩端采用相同參數的陣列波導光柵(AWG),并設置 DFB-LD1 和 DFB-LD2 的中心波長分別對應 AWG 的兩個通道波長,利用波分復用技術實現信號在單根光纖鏈路上的雙向傳輸。

6 結 論

       綜上所述,本文提出并實驗驗證了一種基于光纖鏈路傳輸的遠程 UWB 混沌成像雷達系統。利用改進型 Colpitts 振蕩器產生的 UWB 混沌信號作為雷達探測信號,不僅結構簡單,易于集成,而且可以保證厘米量級的距離分辨率。此外,實驗結果表明,結合掃描成像、BP 算法和光載無線電技術,該系統在經過 10 km 光纖傳輸后可對單、雙目標實現遠程成像。成像的距離分辨率和方位分辨率分別為 6 cm 和 8 cm。相比傳統成像雷達,本文提出的雷達系統,為雪山、孤島和存儲燃料倉等惡劣環境中的目標探測提供了一種新的技術手段和方法。

 


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