专利名称：一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种雷达探测装置，尤其是由发射端和接收端构成一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置，用于灾后人员救助、军事、反恐、文物的无损检测和生命探测。
背景技术：
二战以来，雷达在航空、航天、交通运输、气象预报、大地测量及军事上发挥着越来越重要的作用。雷达作为获得空间信息的重要手段，在现代的战场，灾区的废墟中，有着举足轻重的作用。如今世界各个主要大国都面临着严峻的反恐斗争的挑战，如果能够发现隐藏在墙后面的敌人，无疑能够增加几分胜算，减少人员伤亡；在火灾和地震的废墟中，如果能够知道幸存者的确切位置，无疑能够带来更多的生的希望；在对大面积烧伤或烈性传染病人监护时，如果能够遥测各种生理数据，无疑能够挽回更多的生命。穿墙探测技术在这些需求下应运而生，该技术能够探测被障碍物遮挡的目标，尤其是生命目标及其各种特征可广泛应用于军事侦察、港战、消防和灾难救援以及医疗等领域，近年来发展迅速，尤其是2008年汶川地震后，更加突显穿墙探测雷达的重要价值和作用。而在雷达几十年的发展历程中，窄带信号一直是其发射的主要信号形式。对雷达信号的研究也一直主要集中在窄带信号上。从某些意义上讲，常规的窄带雷达技术是一门成熟完善的技术，雷达的分辨率、测距、测速、抗干扰性、作用距离等也得到很大的提高。但是，与此同时，雷达应用环境也在不断恶化，相应地，电子对抗对雷达的对抗主要也以干扰窄带雷达为主。在信息化作战条件下，雷达所处的电磁环境将更加恶劣，传统窄带雷达面对雷达的四大威胁——电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术，常常变得束手无策。多年来，人们一直寻求提高原有雷达系统的抗干扰能力的方法，或设计出既有很好抗干扰能力又有很好的速度和距离分辨能力的新体制雷达。上个世纪七十年代，提出了超宽带(UltraWide-Band，UWB)信号(James D. Taylor .Introduction to ultrawideband radar system. USA: CRC PressBoca Raton. 1995.) 的概念。它定义为系统和信号的相对带宽超过25%，相对带宽是指带宽与中心频率之比，即
Bf= (fH-fL)/f0=2(fH-fL)/(fH+fL)
式子中，fH和4分别对应-IOdB处信号的上限频率和下限频率。超宽带雷达是指雷达的探测为超宽带信号的雷达，是一种新体制的极具前途的雷达，相比于窄带雷达，宽带雷达有更多的优点(阿方索.法里纳(许小剑，黄培康译校).高分辨率雷达检测-预研课题和潜在应用.系统工程与电子技术，1992(1) Γ9.):高距离分辨率、良好的目标识别能力、成像能力、发现隐蔽目标的能力、多径衰落小和系统结构简单等。而且，随着伊拉克战争的结束，越来越多的军事研究人员也意识到大规模的城区巷战将成为未来地区。所以，超宽带雷达越来越受到大家的关注，越来越多的研究人员把目光聚焦于超宽带雷达的研究和设计。在雷达设计中，雷达的波形设计是雷达总体设计的重要内容之一，雷达的波形决定了雷达体制、信号的产生设计和最佳接收信号处理方法等。如果雷达采用的是复杂度较低的确定性雷达波形，就极易被敌方截获，而采用复杂度高的、具有“图钉型”�：某砥荡婊ㄐ危湍艿玫郊偷谋唤鼗窀怕屎图康目垢扇判阅�。发明人实验室所研究实验的混沌信号波形复杂度高，很适合作雷达的发射信号。混沌是确定性的非线性动力系统中产生的类随机的现象，它具有长期不可预测性、对初值的敏感性、存在奇异吸引子等特殊的性质，形状与噪声很像似，它反映了非线性系统的内在随机性，呈现出极强的抗干扰性能，具有各态历经的特性(沈颖，刘国岁.混沌相位调制雷达信号的�：�.电子科学学刊,2000, 22(1) : 55 — 60.)。混沌信号本身的强抗干扰，类噪声，不可复制，频谱特性易于控制等常规系统无法兼备的特性，使它有十分优良的低截获概率和抗干扰特性；由于混沌信号对系统内在参数的敏感性，能实现“多用户”的属性；同时其�：硐氲摹巴级ば汀笔沟盟哂形弈：饩唷⒉馑傩阅芎土己玫木嗬�、速度分辨率。尖锐的相关特性、“图钉型”�：某泶煦缧藕耪梅舷执状锵低车男枰执状镌嚼丛角阆蛴谑褂镁哂懈砥荡�、更高频率，以及越来越随机的信号形式，而超宽带混沌信号明显的符合这些要求。而且混沌信号是类噪声信号，相比于随机噪声雷达，混沌信号在本质上的确定性， 使得混沌雷达波形的产生系统简单、统计特性及轨迹容易控制，在实际使用中比直接采用随机信号比如噪声信号具有更大的优势。所以关于混沌无线通信系统以及混沌源随机信号雷达装置方面的研究也为国际上各科研机构所高度关注。2007年，冉立新小组提出了一种利用混沌信号和混沌同步的超宽带雷达系统 (S. Qiao, Z. G. Shi, K. S. Chen, ff. Z. Cui ff. Ma, T. Jiang and L. X. Ran, “A new architecture of UffB radar utilizing microwave chaotic signals and chaos synchronization，，，Progress In Electromagnetics Research, PIER 75, 225 - 237, 2007.和 Z. G. Shi, S. Qiao, K. S. Chen, ff. Z. Cui, ff. Ma, T. Jiang and L. X. Ran, “Ambiguity functions of direct chaotic radar employing microwave chaotic chaotic Colpitts oscillator，，， Progress In Electromagnetics Research, PIER 77,
I- 14，2007.)。他们把微波混沌振荡器产生的混沌信号直接作为雷达的信号，通过混沌同步实现目标反射信号的恢复。他们对系统进行了模拟，模拟结果显示，微波振荡器产生的信号的基本频率达到了 I. 6GHz。还有混沌雷达良好的抗干扰性能在信噪比低于_20dB的情况下，系统仍然可以正常工作。但是，如果直接在电域产生和调制超宽带微波信号，无论是传统的技术还是用微波混沌振荡器产生的混沌信号的方法，全都面临着同样的问题即受限于电子瓶颈问题，无法直接在电域产生和调制更高频带(毫米波或近毫米波段)、更高带宽的超宽带微波信号。 而超宽带穿墙雷达的分辨率决定于超宽带信号的带宽，因此在电域产生的超宽带信号将大大限制超宽带穿墙雷达的分辨率。本发明结合微波光子学思想，实现光生超宽带微波技术，巧妙的绕开了传统技术不可回避的电子瓶颈问题，利用光注入/光反馈半导体激光器产生的混沌激光的超宽带特性，实现中心频率及带宽灵活可控的毫米波段高频带、高带宽超宽带随机信号的生成，并通过结合超宽带微波信号收发技术及混沌自相关测距技术，最终实现用于地下资源探测、文物的无损检测、军事反恐和灾后搜救等领域的毫米级高分辨率超宽带混沌随机信号穿墙雷
4达系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置，解决现有超宽带穿墙雷达分辨率低的问题。基于上述问题和目的，本发明所采取的措施是一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置，包括由发射端和接收端构成的雷达探测装置，其特征在于发射端的发射天线发射超宽带微波信号穿过障碍物到达目标物，后由目标物反射，反射信号由接收端天线接收并处理；其中
所述发射端是由超宽带混沌激光源发射混沌激光经过一时钟控制的电光调制器调制为周期发射的混沌激光脉冲序列，并经光纤耦合器分为探测光和参考光II，探测光经过第一光电探测器由光信号转化为电信号，经前置放大器后由发射天线发出；
所述接收端是由两路接收回波信号，第一路由第一接收天线接收回波信号，经第一低噪声放大器放大后，由第一同步采集系统采集信号，输入第一数字相关器与经过光快速可变延迟线和光电探测器的参考信号相关而获得目标物体的特征信息；第二路由第二接收天线接收回波信号，经第二低噪声放大器放大后，由第二同步采集系统采集信号，输入第二数字相关器与经过光快速可变延迟线和光电探测器的参考信号相关而获得目标物体的特征信息，然后提取两路特征信息输入到信号处理系统信号处理后输入显示器。其所述超宽带混沌激光源是双注入联合双反馈半导体激光器产生的。本发明一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置，所具有的特点之一在于利用超宽带混沌激光作为探测信号，通过对激光器内部参数的调节，实现超宽带微波信号的频谱特性灵活可控，大大提高了 UWB雷达的方向和角向分别率，从而实现了目标物体的精确定位与微特征探测；所具有的特点之二在于超宽带混沌激光源是基于半导体激光器的非线性效应，利用双注入联合双反馈实现光混沌超宽带信号的激光器；所具有的特点之三在于注入光的强度由半导体激光器间的光可调衰减器来控制，反馈光强度由耦合器和可调衰减器联合控制，最终实现了中心频率连续可变，高带宽而且信号频谱可控的超宽带混沌信号。本发明装置结合了 UWB微波信号收发技术及混沌自相关测距技术，最终实现了用于资源探测、文物的无损检测、军事反恐和灾后搜救等领域的毫米级高分辨率超宽带(UWB) 混沌随机信号探测雷达系统。本发明所提出的一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置与其它超宽带雷达装置相比还具有以下优点
(1)基于混沌激光产生的超宽带信号具有功率谱平坦、频带宽、功耗低、无�：挠诺悖� 能够实现极高的距离分辨率，且抗干扰能力强；
(2)结合UWB微波信号收发技术及混沌随机信号自相关处理技术，实现装置简易、稳定、高分辨率、高精度的UWB混沌随机信号探测雷达系统；
(3)本发明利用双注入联合双反馈混沌激光器，通过对激光器和注入光、反馈光的调节，在光域实现UWB微波信号的频谱特性灵活可控，从而产生中心频率可调谐、信号频谱带宽可调节的超宽带混沌微波信号，使本装置可面向不同的探测领域。
图I是本发明的结构示意图。图中，I :超宽带混沌激光源，2 :电光调制器，3 :光纤率禹合器，4a :第一光电探测器,4b :第二光电探测器,5:前置放大器,6 :发射天线,7a :第一接收天线，7b :第二接收天线,8a :第一低噪声放大器,8b :第二低噪声放大器,9a :第一同步采集系统，9b :第二同步采集系统，IOa :第一数字相关器，IOb :第二数字相关器，11 :数据处理系统，12 :显示器，13:时钟，14 :光快速可变延迟线。图2是本发明双注入联合双反馈混沌激光器的结构示意图。图中，la :FP激光器， Ib DFB激光器I，Ic DFB激光器II，2a :偏振器I，2b :偏振器II，2c :偏振器III, 2d :偏振器IV，3a:可变衰减器I，3b:可变衰减器II，3c :可变衰减器III，3d:可变衰减器IV，4a: 耦合器I，4b :耦合器II，4c :耦合器III，4d :耦合器IV，4e :耦合器V，5 :光纤环形器。
具体实施例方式下面对本发明的具体实施方式
作出说明
实施本发明所述的基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置，由发射端和接收端构成，在发射端，包括超宽带混沌激光源I、电光调制器2、光纤耦合器3、第一光电探测器4a、 前置放大器5、发射天线6、光快速可变延迟线14和第二光电探测器4b ;在接收端，用相同的两路接收，第一路包括第一接收天线7a、第一低噪声放大器8a、第一同步采集系统9a和第一数字相关器IOa ;第二路包括第二接收天线7b、第二低噪声放大器Sb、第二同步采集系统9b和第二数字相关器10b，提取两路信号的特征信息输入信号处理系统11，数据处理得到物体的具体信息，输入显示器12显示物体像，实现物体的定位和二维成像。其中，电光调制器2和同步采集系统9都与时钟信号13相连。首先，超宽带混沌激光源I出射的混沌激光经过电光调制器2时由一时钟信号13 调制为周期发射的混沌激光脉冲序列，该混沌激光脉冲序列经一个光纤耦合器3分为探测信号和参考信号，混沌激光探测信号注入第一光电探测器4a转变为超宽带的微波信号，经前置放大器5放大后由宽带微波发射天线6发出。在接收端，目标物体散射的回波信号穿过障碍物后由两路接收天线接收第一路由第一接收天线7a接收的回波信号经第一低噪声放大器8a放大后，由第一同步采集系统9a进行同步采集，然后输入到第一数字相关器 IOa与参考信号相关而获得目标物体的特征信息，第二路由第二接收天线7b接收的回波信号经第二低噪声放大器8b放大后，由第二同步采集系统9b进行同步采集，然后输入到第二数字相关器IOb与参考信号相关而获得目标物体的特征信息，提取的两路特征信息输入信号处理系统11进行处理，得到目标物体的方位角与距离，输入显示器12实现目标物体的探测定位与二维成像。上述本发明装置的混沌激光源I能够产生带宽高达32GHz的功率谱平坦的超宽带发射信号，本发明装置穿透厚度10-20cm混凝土墙可达到5mm的分辨率，比现有穿墙雷达的分辨率提高一个数量级，从而实现对目标的微特征探测；而且，本发明能够产生中心频率可调谐、信号频谱带宽可调节的超宽带混沌微波信号，使本装置可面向不同的探测领域。可用于灾后人员救助、军事、反恐、文物的无损检测和生命探测等领域。为了更好的说明本发明所提供的一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置的具体实施方式
，下面结合附图I作出进一步的说明。如图1，由超宽带混沌激光源I出射的混沌激光经过电光调制器时由一时钟信号 13调制为周期发射的混沌激光脉冲序列，该混沌激光脉冲序列经一个光纤耦合器3分为探测信号和参考信号两路，混沌激光探测信号注入一个光电探测器4a转变为超宽带的微波信号，经前置放大器5放大后由超宽带微波发射天线发出，超宽带微波信号具有强的穿透性能，可穿过障碍物探测到目标物体。目标物体散射的回波信号穿过障碍物后由两路接收， 第一路第一接收天线7a接收的回波信号经低噪声放大器8a放大后，由同步采集系统9a进行同步采集，然后输入到数字相关器IOa与经过光快速可变延迟线14和光电探测器4b后变成电信号的参考信号相关而获得目标物体的特征信息；第二路第二接收天线7b接收的回波信号经第二低噪声放大器8b放大后，由第二同步采集系统9b进行同步采集，然后输入到第二数字相关器IOb与经过光快速可变延迟线14和光电探测器4b变成电信号的参考信号相关而获得目标物体的特征信息，提取的两路特征信息输入信号处理系统11进行处理， 得到目标物体的方位角与距离，实现目标物体的探测定位与二维成像，最后，输入显示器12 显示物体像。
权利要求
1.一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置，由发射端和接收端构成，其特征在于发射端的发射天线发射超宽带微波信号穿过障碍物到达目标物，后由目标物反射，反射信号由接收端天线接收并处理；所述发射端是由超宽带混沌激光源(I)发射混沌激光经过一时钟(13)控制的电光调制器(2)调制为周期发射的混沌激光脉冲序列，并经光纤耦合器(3)分为探测光和参考光II，探测光经过第一光电探测器(4a)由光信号转变为电信号，经前置放大器(5)放大后由发射天线(6)发出；所述接收端由两路接收，第一路由第一接收天线(7a)接收回波信号，经第一低噪声放大器(8a)放大后，由第一同步采集系统(9a)采集信号，输入第一数字相关器(10a)与经过光快速可变延迟线(14)和光电探测器(4b)后转变为电信号的参考信号相关而获得目标物体的特征信息；第二路由第二接收天线(7b)接收回波信号，经第二低噪声放大器(Sb)放大后，由第二同步采集系统(9b)采集信号，输入第二数字相关器(IOb)与经过光快速可变延迟线(14)和光电探测器(4b)后转变为电信号的参考信号相关而获得目标物体的特征信息，然后提取两路特征信息输入到信号处理系统(11)数据处理后输入显示器(12)显示。
2.如权利要求I所述的基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置，其特征在于超宽带混沌激光源(I)是双注入联合双反馈半导体激光器产生的。
全文摘要
一种基于混沌激光的超宽带穿墙雷达探测装置是由超宽带混沌激光源出射混沌激光经电光调制器时由一时钟信号调制为周期发射的混沌激光脉冲序列，该混沌激光脉冲序列经一光纤耦合器分为探测信号和参考信号，探测信号注入一光电探测器转变为超宽带的微波信号，经前置放大器放大后由超宽带微波发射天线发出；在接收端，目标物体散射的回波信号穿过障碍物后由两路接收天线接收，接收的回波信号经低噪声放大器放大后，由同步采集系统进行同步采集，然后输入到数字相关器与经光快速可变延迟线和光电探测器后转变为电信号的参考信号相关而获得目标物体的特征信息，提取两路特征信息输入信号处理系统进行处理，得到目标物体的方位角与距离，实现目标物体的定位与二维成像。
文档编号G01S7/48GK102608617SQ20121005981
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者刘鎏, 吉勇宁, 孟丽娜, 张明江, 王云才, 王安帮, 郑建宇 申请人:太原理工大学
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