一种光纤传感与微波光子雷达通信一体化装置以及方法

本发明属于通信，尤其涉及一种基于线性调频的光纤传感与微波光子雷达通信一体化装置以及方法。

背景技术：

1、随着智能化城市、自动化工业环境监控需求的日益增长，单一的雷达或通信功能难以满足复杂多变的场景需求，例如虚拟现实(vr，virtual reality)、自动驾驶系统、智慧物流等。然而，受限于当前频谱拥塞和可用资源不足的问题，研究人员们正探索新的方法，即在有限的带宽内同时实现多种功能。一个可行的方案是使用更高的频段(例如毫米波)传输信号，其可用频段范围较广，能够支撑大容量通信和高分辨率感知。但传统电学方式实现需要成本高昂的变频和倍频器件，并且同轴电缆难以实现远距离传输，使其实际应用面临巨大挑战。微波光子技术的出现为这一问题提供了全新的解决方案，其具有大带宽、传输损耗低、电磁干扰免疫、体积小重量轻等诸多优势(“integrated microwave photonics,”laser&photonics reviews,pp.506-538,2013.)。此外，雷达通信一体化技术通过对硬件设备进行复用，能够在动态环境中提供实时通信与监测能力(“integrated sensing andcommunications:toward dual-functional wireless networks for 6g and beyond,”ieee journal on selected areas in communications,pp.1728-1767,2022.)。当前微波光子雷达通信一体化系统可以分为资源复用和一体化波形两类。时分复用体制(“w-bandsimultaneous vector signal generation and radar detection based on photonicfrequency quadrupling,”optics letters,pp.537-540,2022.)通过给双功能信号分配不同的时隙，实现双功能；而频分复用体制(“spectral-efficient frequency-divisionphotonic millimeter-wave integrated sensing and communication system usingimproved sparse lfm sub-bands fusion”,journal of lightwave technology,pp.7105-7114,2023.)通过不同频率的通带传输不同的信号，实现双功能。然而上述资源复用方式均面临时频效率低下的问题，无法最大化地利用有限资源。而雷达通信一体化波形兼具双功能，且能做到同时同频全双工发送(“millimeter-wave joint radar andcommunication system based on photonic frequency-multiplying constantenvelope lfm-ofdm”,optics express,pp.26407-26425,2022.)。

2、此外，光纤传感技术以其高空间分辨率、远距离传输的特性，在静态监测和数据采集领域展现出巨大的优势(“fiber optic sensing technology and vision sensingtechnology for structural health monitoring,”sensors,pp.4334,2023.)，其中以分布式布里渊、和ofdr技术为主要代表。分布式布里渊光纤传感可以实现温度、应变等参数在空间上的连续测量，在大型基础设施的健康监测中扮演重要角色；通过对光纤中相干的后向瑞利散射光解调获得高灵敏振动、声波分布式探测；而ofdr测量线性扫频光源与光纤中反射光差拍信号的频率获得位置信息，其空间分辨力不受带宽限制，具有实现方式简单、信噪比高等优势。雷达通信与光纤传感两种技术的同频共用，为构建全面、高效、实时、长距离传输的监控与通信体系提供了可能。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种基于线性调频的光纤传感与微波光子雷达通信一体化装置以及方法。

2、本发明的一种基于线性调频的光纤传感与微波光子雷达通信一体化装置，由一个同频共用的一体化信号产生模块、光纤传感解调模块、光子学雷达接收模块和高速通信接收模块组成；同频共用的一体化信号产生模块将承载双功能的光信号分别送至光纤传感解调模块和高速光电探测器中完成光纤传感和一体化信号产生功能；光子学雷达接收机和高速无线通信接收机分别以光子学去啁啾和相干接收的方式完成双功能的验证。

3、其中，同频共用的一体化信号产生模块，包括连续激光器、电光调制器、微波源、光梳状滤波器、i/q调制器、信号产生模块、幅度偏振匹配模块、光耦合器、高速光电探测器、功率放大器和天线；光纤传感解调模块，包括环形器、20km单模光纤、光耦合器、低速光电探测器；光子学雷达接收模块，包括天线、低噪声放大器、光相位调制器、光带通滤波器、低速光电探测器和实时雷达测距与成像处理模块；高速通信接收模块，包括天线、低噪声放大器、混频器、微波源和倍频器。

4、本发明的一种基于线性调频的光纤传感与微波光子雷达通信一体化方法，具体为：在信号产生模块部分，一束连续激光注入到电光调制器中，在单音信号的驱动下实现载波抑制双边带调制；接着通过光梳状滤波器分离±1阶边带，上臂-1阶边带通过第一级i/q调制器以载波抑制单边带的形式加载线性调频信号，接着将信号分为两路，第一路作为后续光子学雷达接收模块中的去啁啾参考信号，第二路途经一段配送光纤，通过测量光纤扰动信息的后向回波完成传感功能；接着经第二级i/q调制器以载波抑制单边带的形式调制通信信号；通过调节+1阶边带的偏振控制器和可调光衰减器，与调制一体化信号后的-1阶边带耦合后经高速光电探测器拍频得到基于线性调频的微波光子雷达通信一体化信号；雷达接收机的回波对参考光信号进行调制，接着通过低速光电探测器进行去啁啾操作，通过测量峰值频率推算目标位置；高速通信接收机以相干接收的方式获得中频一体化信号并解调得到通信信息。

5、进一步的，结合具体的应用场景，通过调整雷达通信与光纤传感的功率分配获得更折中、更适应实际场景的性能。

6、本发明的有益技术效果为：

7、1、本发明以同频共用的方式将光纤传感信号、雷达通信一体化信号在光纤中一起传播，其频谱效率高、系统结构紧凑，具备远距离信号传输和探测的功能。

8、2、本发明雷达接收部分在光子去啁啾处理后的中频信号仅为mhz级别，而通信信号载频位于ghz，因此易于通过低通滤波器进行分离，系统结构紧凑。

9、3、本发明相较于传统电学方式，微波光子技术能够更好地实现大带宽、高频率的信号，同时免疫电磁干扰。

技术特征：

1.一种基于线性调频的光纤传感与微波光子雷达通信一体化装置，其特征在于，由一个同频共用的一体化信号产生模块(10)、光纤传感解调模块(20)、光子学雷达接收模块(30)和高速通信接收模块(40)组成；同频共用的一体化信号产生模块(10)将承载双功能的光信号分别送至光纤传感解调模块(20)和高速光电探测器中完成光纤传感和一体化信号产生功能；光子学雷达接收机(30)和高速无线通信接收机(40)分别以光子学去啁啾和相干接收的方式完成双功能的验证。

2.一种基于线性调频的光纤传感与微波光子雷达通信一体化方法，其特征在于，在信号产生模块部分，一束连续激光注入到电光调制器中，在单音信号的驱动下实现载波抑制双边带调制；接着通过光梳状滤波器分离±1阶边带，上臂-1阶边带通过第一级i/q调制器以载波抑制单边带的形式加载线性调频信号，接着将信号分为两路，第一路作为后续光子学雷达接收模块中的去啁啾参考信号，第二路途经一段配送光纤，通过测量光纤扰动信息的后向回波完成传感功能；接着经第二级i/q调制器以载波抑制单边带的形式调制通信信号；通过调节+1阶边带的偏振控制器和可调光衰减器，与调制一体化信号后的-1阶边带耦合后经高速光电探测器拍频得到基于线性调频的微波光子雷达通信一体化信号；雷达接收机的回波对参考光信号进行调制，接着通过低速光电探测器进行去啁啾操作，通过测量峰值频率推算目标位置；高速通信接收机以相干接收的方式获得中频一体化信号并解调得到通信信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于线性调频的光纤传感与微波光子雷达通信一体化方法，其特征在于，结合具体的应用场景，通过调整雷达通信与光纤传感的功率分配获得更折中、更适应实际场景的性能。

技术总结本发明公开了一种光纤传感与微波光子雷达通信一体化装置以及方法，装置由一个同频共用的一体化信号产生模块、光纤传感解调模块、光子学雷达接收模块和高速通信接收模块组成；同频共用的一体化信号产生模块将承载双功能的光信号分别送至光纤传感解调模块和高速光电探测器中完成光纤传感和一体化信号产生功能；光子学雷达接收机和高速无线通信接收机分别以光子学去啁啾和相干接收的方式完成双功能的验证。本发明提供了一种频谱效率高、系统结构紧凑、电磁干扰免疫的基于线性调频的光纤感知与雷达通信一体化系统，在通信中心站对远端监测、铁轨周界防护等场景下具有重要的应用意义。技术研发人员：邹喜华,钟宁远,何海军,潘炜,闫连山受保护的技术使用者：西南交通大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29