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专利号: 2022105492399
申请人: 电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种微波光子噪声MIMO穿墙雷达系统,其特征在于,包括:宽带噪声光源、延迟切分模块和射频收发处理与显示单元;

所述宽带噪声光源包括两个掺铒光纤放大器和一个光滤波器;

第一个掺铒光纤放大器在无信号光输入的情况下能产生激光噪声,然后将产生的激光噪声通过光滤波器进行滤波处理,获取所需频段的噪声信号再输入至第二个掺铒光纤放大器,第二个掺铒光纤放大器对噪声信号进行放大,获得功率谱平坦、δ‑型自相关函数的单路激光噪声;

所述延迟切分模块包括光分束器、不同长度的光纤跳线、光电探测器和同一时钟控制的开关组;

光分束器将宽带噪声光源输出的单路激光噪声分为M路,然后以第一路光纤跳线长度为参考,等间隔步进第2至第M路的光纤跳线长度,使相邻两路跳线的延迟时间差相等,从而实现对各路激光噪声不同的延迟;每一路激光噪声接一个光电探测器,从而将M路延迟后的激光噪声进行光电转换,再通过同步开关组进行脉冲化,进而将连续的宽带噪声信号转换脉冲噪声信号,最后输入至射频收发处理与显示单元;

所述射频收发处理与显示单元包括功率分配器、带通滤波器、模数转换器、低噪声放大器、射频功率放大器、现场可编程逻辑器件FPGA、接收天线阵列、发射天线阵列和显示器;其中,发射天线阵列TX包含M个发射天线,每一个发射天线发射一路脉冲噪声信号;

以第一路为例,说明工作原理:在发射端,脉冲噪声信号首先通过功率分配器分为两路,一路通过带通滤波后经模数转换器的数字量化送入至FPGA存储,另一路通过射频功率放大器Amp放大后经第一个发射天线发射;在接收端,接收天线收到回波信号后经过低噪声放大器的放大,随后通过与发射端相同参数的带通滤波器滤波,最后经过模数转换器数字化后送入FPGA存储;FPGA读取存储的数据,再基于互相关包络的噪声MIMO雷达成像算法对存储数据进行处理,从而获得墙后单目标和多目标的二维成像,最后再将二维成像通过显示器显示。

2.根据权利要求1所述的一种微波光子噪声MIMO穿墙雷达系统,其特征在于,所述同步开关组由同一时钟控制,包含同时闭合或同时断开两种工作状态,初始化状态为同时断开;

设同步开关组首次闭合时刻为Ts1、一个通断周期内接通的时间为T0、相邻两路光纤跳线的延迟时间差为ΔT,则满足如下关系:

3.根据权利要求1所述的一种微波光子噪声MIMO穿墙雷达系统,其特征在于,所述发射天线阵列TX中各正交的发射天线间满足互相关,互相关函数rij(τ)为:其中,i,j∈[1,M],τ表示时间,T表示积分时间,pi(t)表示第i个发射天线发射的脉冲噪声信号。

4.根据权利要求1所述的一种微波光子噪声MIMO穿墙雷达系统,其特征在于,所述FPGA基于互相关包络的噪声MIMO雷达成像算法对存储数据进行处理的具体过程为:设MIMO雷达有M个发射天线,N个接收天线,第m个发射天线发射的信号为:其中,nm(t)为第m个发射通道中引入的噪声,pm(t)为第m路发射通道待发射的脉冲噪声信号;

由于待发射脉冲噪声信号具有δ‑型自相关函数,因此第m个发射天线发射的信号的自相关函数rmm(τ)满足:其中,τ表示时间,T表示积分时间,δ(τ)为冲激脉冲,u(τ)表示为:由于nm(t)是引入噪声,与信号pm(t)互不相关,故当积分时间T足够长时,(3)式中前两项等于0,又由于高斯白噪声具有δ‑型自相关函数,故u(τ)=δ(τ),所以(2)式近似表示为:rmm(τ)=2δ(τ)                            (4)设墙后目标为点散射模型,包含Q个散射中心,则第n个接收天线接收到的回波信号是由所有发射通道的信号经目标反射后叠加而成,表示为:其中, 为脉冲噪声信号从第m个发射通道发射经目标的第q个散射中心反射到达第n个接收天线的传播延迟,σq为目标第q个散射中心的散射系数,nn(t)为第n个接收通道中引入的噪声,yclutter(t)表示由天线直接耦合、墙壁反射和多径效应引起的杂波,表示为:其中,i表示杂波反射体的编号,ρi表示第i个杂波反射体的反射系数,τi表示第i个杂波反射体的延迟;

设第m个发射天线的位置坐标为Xt,m=(xt,m,yt,m,zt,m),第n个接收天线的位置坐标为Xr,n=(xr,n,yr,n,zr,n),将第n个接收天线接收到的回波信号与第m个发射天线的发射信号经过相关处理后得互相关函数为:其中:

故(7)式可改写为:

另外,将墙后无目标的回波采集一次,按上述步骤推导得到此时的相关函数为:将(9)式减去(10)式即可得到墙后目标的互相关函数为:

将(11)式做希尔伯特变换并取模,即:

ρ(τ,Xt,m,Xr,n)=|Rtarget(τ,Xt,m,Xr,n)+jH{Rtarget(τ,Xt,m,Xr,n)}|        (12)其中,H{·}表示Hilbert变换;

设待成像的区域为L×K个像素点组成的二维平面,任取其中一像素点为p,其坐标为(xl,yk),第m个发射天线与第n个接收天线到像素点p的距离分别是Dmp和Dnp,利用回波强度函数IBP(xl,yk)计算出像素点p的像素值,可以表示为:其中,c为脉冲噪声信号的传播速度;

最后,将二维平面上的每一个像素点p的回波强度值通过显示器显示,从而得到墙后目标的二维图像。