【《基于微环谐振阵列的宽带微弱微波信号探测方法综述》4800字】

基于微环谐振阵列的宽带微弱微波信号探测方法综述目录TOC\o"1-3"\h\u1429基于微环谐振阵列的宽带微弱微波信号探测方法综述 1291051.1宽带微波雷达信号对雷达距离分辨率的提升 1313471.2步进频率编码脉冲信号对信号带宽的提升 3173711.3基于微环谐振腔阵列的微弱步进频率编码脉冲信号探测系统 61.1宽带微波雷达信号对雷达距离分辨率的提升雷达的有效探测距离需要由雷达方程来确定。在雷达信号的发送端，基带信号与微波载波在混频器中混频调制，经过放大和滤波后，由微波天线发出。雷达信号的发射功率为，这里考虑微波发射天线在各个方向都为均匀辐射时，微波天线的增益为，距雷达R处的功率密度为 （4-1）目标的雷达反射截面积为，则被目标反射的信号功率密度为 （4-2）其中的大小随着具体的目标散射特性不同而变化。在考虑天线的有效接收面积为，雷达接收到的回波功率可以表示为 （4-3）其中，微波天线的增益和它的有效接收面积A具有以下关系 （4-4）可以得到雷达的最大作用距离，超过这个距离就不能有效的对目标进行检测了。 （4-5）在微波雷达测距中，脉冲雷达是最为常用的类型。常见的脉冲雷达信号波形有矩形波信号，锯齿波信号，三角波信号，尖峰波信号等。以静止目标为例，当发射锯齿信号遇到探测目标时发生反射作用，产生雷达的回波信号，雷达接收的回波信号形状与发射信号的形状完全相同，如图4-1所示，雷达发射信号与探测目标反射的回波信号相比只是存在时间延迟，雷达测量的距离可以表示为 （4-6）由图4-1可以看出，发射信号波形和接收到的回波信号存在时间延迟。接收到的回波信号与发射信号进行混频之后输出的中频信号就是回波信号与发射信号之间的频率差值。根据三角形相似性原理可知： （4-7）其中为锯齿波信号的调频周期，为锯齿波信号的带宽，为中频信号的频率。图4-1锯齿波信号发射与回波信号关系Fig.4-1Therelationshipbetweentransmittingandechosignalofsawtoothsignal因此，我们可以通过探测回波信号与发射信号的中频信号频率来获取目标的距离信息。作为雷达发射信号参数，锯齿波脉冲内的调频周期和调频带宽两个参数是一定的，探测目标距离与经过混频器之后产生的中频信号频率成正比。以锯齿波信号进行调频时，表示锯齿波调频信号的中心频率，锯齿波调频信号的斜率为，表示雷达发射信号的幅度，雷达的发射信号可表示为 （4-8）探测目标反射的回波信号与雷达发射信号相比，形状相同，但由于大气衰减等因素导致幅度变小且在时间上存在一定的延时，在不考虑噪声的情况下，探测目标反射的回波信号可以表示为： （4-9）其中表示接收到的回波信号幅度。雷达发射信号和目标反射信号进行混频之后产生的中频信号为 （4-10）由上式可以看出，混频输出的信号包含有高频信号和中频信号。如式（4-10）中表达式右边的第二项、第三项和第四项为高频信号，利用低通滤波器可以将此类高频信号给滤除，此时剩下的中频信号包含我们需要的雷达探测信息 （4-11）通过测量中频信号的频率可以得到目标的距离信息 （4-12）那么雷达探测的距离分辨率为 （4-13）增加雷达信号的发射带宽可以有效的提升雷达探测的距离分辨率。目前增大雷达信号带宽的方法主要有线性调频脉冲雷达、相位编码脉冲雷达和步进频率编码脉冲雷达。步进频率编码脉冲信号在具有较大带宽的同时，可以在保持信号发射端和信号接收端的瞬时带宽不变，显著提高雷达距离分辨率。1.2步进频率编码脉冲信号对信号带宽的提升传统微波雷达的有效探测距离和距离分辨率通常取决于信号发射端的频带宽度，如果需要提高雷达的距离分辨率，就必须采用一些方式来提升雷达发射信号的频谱宽度。步进频率编码脉冲信号是通过发射一系列微波载波频率跳变的脉冲获得大范围的带宽，以测量目标回波的频谱响应信息。与其它大带宽、高距离分辨率雷达技术相比，步进频率编码脉冲雷达具有距离高分辨率、降低了对信号处理端的带宽和速度的要求，且步进频率编码脉冲信号的波形设计灵活，是面向高距离分辨率雷达技术应用的发展趋势[72]。步进频率编码脉冲雷达系统，可以实现发射机和接收机的分离分时工作，通过加入距离选通门可以消除发射机信号发射过程中对目标回波信号的影响，同时滤除距离选通信号之外的杂散回波信号，大幅提高接收信噪比，实现复杂天时、天候环境下的高质量工作，具有较强的环境适用性。由于发射信号的频率可以实现时间编码的特性，发射信号具有较大的带宽。雷达的测距分辨力由总的发射信号频率带宽决定，因此可以实现高精度测距，同时减少连续频率信号在接收过程中出现的混叠效应[73,74]。步进频率编码脉冲信号可以表示为 （4-14）步进频率编码脉冲信号是一组由载频为组成的时间脉冲序列，其中为自然数。脉冲宽度为，步进频率为，脉冲序列周期为，为总发射脉冲数。图4-2（a）步进频率编码脉冲信号时域波形，（b）步进频率编码脉冲信号频谱Fig.4-2(a)Time-domainwaveformofstepped-frequencycodedpulsesignals,(a)Thespectrumofthestepped-frequencypulsesignal图4-2为步进频率编码脉冲信号的时域波形和信号频谱。这种脉冲信号能够实现高距离分辨力的探测，其原因在于其拥有较高的等效带宽。但不同于线性调频或啁啾脉冲信号，虽然频率步进编码脉冲信号具有较大的等效带宽，其单个发射脉冲本身的瞬时带宽却很小，这样降低了对接收端瞬时接收带宽的要求，实现低瞬时接收带宽和低模数采样速率下的高分辨率探测。步进频率编码脉冲信号在脉冲串之间增加了频率的跳变，通过信号步进调频，获得信号等效带宽Beff的提升。根据式（4-8）可得，步进频率脉冲信号雷达系统的距离分辨率为 （4-15）可以看出，步进频率编码脉冲信号的带宽决定了系统的测距分辨率。随着信号脉冲数量的增加，步进频率编码脉冲信号的等效带宽随之增长，雷达探测系统的分辨率也得到了提升。另一方面，由于脉冲宽度不变，随着脉冲数量的增加，信号对目标的照射时间也随之增大，可以实现在降低发射功率的情况下，提高目标探测信噪比。但是，脉冲数量的增加要求系统具有更长的相干处理时间，想干处理时间是脉冲个数和脉冲重复周期的乘积，由于步进频率脉冲信号波形存在距离多普勒藕合问题，脉冲数量N的增加会导致高分辨率距离像峰值的发散和时延。这将导致雷达的探测距离分辨率显著下降，步进频率脉冲信号的高距离分辨率特性丧失，因此脉冲数量不能增加过多。根据式（4-15）可以知道，与增加脉冲数量类似，通过增加脉冲频率的变化量即步进频率，可以有效提升雷达探测的距离分辨率。通常步进频率的大小最大不能超过目标长度对应的频率取值。步进频率会影响目标探测过程中的模糊距离窗口。随着步进频率的增加会导致距离像峰值发散严重，模糊距离窗口尺度减小。通常情况下，步进频率的取值会考虑脉冲宽度的选择，保证脉冲宽度与频率变化量的乘积不超过单位值。在实际运用中，需要考虑探测目标的散射特性来设计具体的步进频率脉冲编码信号波形。当雷达信号波照射到目标表面时，由目标的表面产生镜面反射、分布型散射，或由目标边缘上的点引起强边缘散射对于提取目标尺寸、运动特征具有重要作用。针对具体的探测目标，可以根据被探测目标的散射中心分布特性以及雷达系统对抗噪声和杂波干扰的要求确定雷达系统的距离分辨率，选取较为合适的脉冲数量和步进频率，最终得到步进频率脉冲信号的等效带宽。在脉冲数量确定的情况下，步进频率脉冲的单脉冲宽度决定了探测信号照射到目标的能量，增加脉冲宽度可增加目标反射能量和平均光功率，提高探测信噪比。但随着脉冲宽度增加的同时，接收端处理过程中接收的噪声和干扰杂波能量也随之增大，提升了对目标探测的虚警概率，因此在步进频率脉冲编码信号中一般采用窄带脉冲。脉冲宽度的最小只应该需要满足另一个条件，即脉冲宽度能覆盖整个探测目标。当雷达信号波照射到目标表面时，由探测目标的边缘上的点引起的边缘散射对于提取目标尺寸、运动特征具有重要作用。如果脉冲宽度不能覆盖整个探测目标，那么目标分布的散射信息将会丢失，回波信号载有的信息不能完全表征目标的特性。因此为了获得探测目标的完整信息，脉冲宽度照射目标的尺度需要大于目标的最大尺寸，即。在本文的仿真设计中，步进频率脉冲编码信号的各项指标如表4-1所示。表4-1步进频率脉冲编码信号参数Table4-1Theparametersofthestepped-frequencypulsecodedsignal参数取值单位工作频率30~30.2GHz脉冲宽度52ns脉冲周期100μs步进频率20MHz脉冲数量N10-1.3基于微环谐振腔阵列的微弱步进频率编码脉冲信号探测系统步进频率编码脉冲信号能够实现高距离分辨力的探测，在脉冲串中的各个脉冲信号频率跳变。由于信号载波的中心频率是变化的，因此不能用单个微环谐振腔实现信号接收。由于步进频率脉冲信号在时域分离，可以通过利用微环谐振腔阵列对脉冲串中的单一脉冲实现分离式接收探测。基于微环谐振腔阵列的微弱频率编码脉冲信号探测系统的工作原理如图4-3所示。信号发射端发射的步进频率脉冲信号被阵列天线接收后，经过微环谐振腔阵列转换为光信号。微环谐振腔阵列输出的光信号之后进入光纤链路，经过带通滤波器滤除泵浦光和杂散光后进入光混频器，与另一路经过电光调制器转换为本振信号混频，最后被电光探测器探测输出中频信号。图4-3微弱微波信号探测阵列原理图。OBPF表示光学带通滤波器，MRRs阵列表示微环谐振器阵列，DFB表示分布式反馈激光器，LO表示本振信号，PD表示光电探测器。Fig.4-3Theschematicofweakmicrowavesignalreception.OBPF,opticalband-passfilter;MRRsarray,microringresonatorsarray;DFB,distributedfeedbacklaser;LO,localoscillator;PD,photodetector.微环谐振腔阵列的接收原理如图4-4所示。不同于在第二章中研究的独立微环谐振腔，独立的微环谐振腔系统可以利用耦合棱镜的完成输入泵浦光向谐振腔的耦合，并且可以任意调节谐振腔的耦合系数。在微环谐振腔阵列结构中，为了使得阵列系统能够保持的一致性和适用性，通常需要使用波导与微环谐振腔的直接耦合来实现泵浦光输入[83]。图4-4探测步进频率编码脉冲信号的微环谐振腔阵列原理图Fig.4-4TheschematicoftheMRRsarrayforreceivingsteppedfrequency-codedpulsesignal连续激光器发射泵浦光耦合进入波导，经由分束器分成N列光泵浦进入微环谐振腔阵列。在微环谐振腔阵列中的每一个微环谐振腔彼此之间相互独立，可以被看作为一个独立的上转换单元。微环谐振腔是由铌酸锂晶体制作而成，谐振腔的表面覆盖了一层金属微带线，用来实现微波的谐振，我们在2.3.2节研究了微波谐振腔的工作机理。光波导用来传输光信号，并可以实现与谐振腔的光耦合。这样的阵列结构可以实现与硅基SOI基底的混合制作[78,85]。从阵列天线中接收到的微波信号经由微带传输线馈入铌酸锂谐振腔上的环形微波谐振腔，与谐振腔内的光泵浦产生非线性相互作用，实现微波信号向光信号的上转换。时域分离的步进频率脉冲信号具有不同的中心频率，分别被各自对应的微环谐振腔接收转换。转换过程需要满足能量守恒和动量守恒。微环谐振腔的精细结构如图4-5所示。激光器输出激光泵浦进入到微环谐振腔上方的上行波导，经过耦合进入到微环谐振腔中，耦合系数为；泵浦光进入到微环谐振腔中与微带传输线耦合输入的微波信号能量发生相互作用，传输到下行波导耦合区域；下行波导与微环谐振腔发生耦合，输出上转换信号光，耦合系数同样为。进入下行波导的信号光通过波导传输输出至光纤链路。图4-5微环谐振腔中能量的输入输出关系Fig.4-5Therelationshipbetweeninputandoutputenergyinamicroringresonator在第N个微环谐振腔中，角频率为的激光泵浦与中心角频率为的微波脉冲信号在谐振腔中发生非线性相互作用，产生和频及差频信号，如图3-6所示。在相互作用过程中会产生高阶边带，但这些边带能量极弱，因此我们只需要考虑频率分别为和的一阶斯托克斯和反斯托克斯边带。图4-6输入泵浦光、输入微波信号及腔内产生的多边带信号ωP−ωN和ωP+ωN的输出光信号的光谱Fig.4-6Thespectraoftheopticalinput,themicrowavesignalandtheoutputopticalsignalwithmultiplesidebandsωP−ωMandωP+ωMgeneratedbythecavity在之前的分析中我们知道，由于微环谐振腔中存在微弱的自发下转换过程，为了避免自发下转换过程带来的干扰噪声对输出信号的影响，减少不必要的噪声对系统的影响，这里我们只选择上转换的信号光作为输出光信号。步进频率编码脉冲信号可以看成一连串时间和频率相互独立的