МНОГОДИАПАЗОННЫЙ КОГЕРЕНТНЫЙ ДАТЧИК СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Настоящая полезная модель относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) оптоэлектронике, в частности, к принципиальным радиоэлектронным устройствам, предназначенным для формирования и обработки с помощью оптоэлектронной схемы сигналов в автомобильных радиосистемах локационного назначения, например, активных системах автомобильной безопасности, адаптивных системах круиз-контроля, системах помощи водителю и т.д.
Общеизвестно, что в вышеупомянутых системах современного автомобиля локационные методы широко применяются для оперативного определения различных показателей, которые, по сути, сводятся к измерению расстояния до неподвижного либо подвижного объекта и измерению скорости перемещения подвижного объекта. В первом случае для этой цели используются импульсные радиолокаторы (радары) либо оптические локаторы (лидары), во втором - основанные на эффекте Доплера когерентные радары либо лидары непрерывного излучения. По принципу построения подавляющее большинство современных устройств и СВЧ, и оптического диапазонов относятся к так называемому моностатическому типу с работой передающего и приемного блоков на одну антенну.
Согласно учебной литературе (например, М.И.Финкелыптейн «Основы радиолокации» М, «Радио и связь», 1983) основным достоинством импульсных локационных средств, получивших в настоящее время наибольшее распространение в автомобилестроении, является простота формирования и разделения зондирующих и принимаемых импульсов. К их недостаткам следует отнести невозможность измерения относительной скорости перемещения, неоднозначность измерения дальности, наличие так называемых «слепых скоростей». Последние два недостатка могут быть устранены, например, за счет использования разных частот несущих, однако это приводит к существенному усложнению схем узлов передатчика, приемника и обработки. К специфическим недостаткам для применения в вышеупомянутых автомобильных системах относится сложность формирования и обработки в схеме одного радиосредства импульсов с длительностью и периодом повторения, отличающимися на шесть порядков (от 1 не до единиц микросекунд).
Доплеровские радары непрерывного немодулированного либо модулированного излучения представляют собой более прецизионное и дорогостоящее локационное средство, обеспечивающее однозначное и точное измерение скорости объекта с отсутствием эффекта «слепых скоростей». Его сравнительными недостатками являются более высокие требования к стабильности частоты задающего генератора передатчика и гетеродина приемника, а также необходимость подавления шумов передатчика на входе приемника в моностатическом исполнении локатора. С помощью доплеровского радара возможно также измерение расстояний, например, многочастотным методом, однако это приводит к существенному усложнению схемы.
Все вышесказанные соображения относятся также и к лидарным датчикам, которые работают на основе аналогичных принципов, однако дополнительным недостатком оптического локатора является сильная зависимость от погодных условий. Отметим также, что вследствие относительно низкой когерентности полупроводникового лазера в современных автомобильных лидарах применяется исключительно импульсный принцип, не позволяющий использовать такое важное достоинство оптической локации, как увеличение разрешающей способности за счет увеличения на четыре порядка частоты несущей.
В настоящее время в мире для автомобильных радаров используются две полосы в СВЧ диапазоне 24-26 ГГц и 76-77 ГГц. Автомобильные оптические локаторы работают в одной из трех спектральных полос ближнего ИК диапазона: в районе 0,85, 1,3 либо 1,55 мкм. Радары в зависимости от используемой полосы частот отличаются назначением и условиями применения. В частности, автомобильные радарные системы, работающие в полосе 76-77 ГГц, считаются системами дальнего действия, позволяющими обнаруживать и сопровождать объекты на расстоянии до 200 м с разрешением до 1 м. В то время, как более экономичные радары полосы 24-26 ГГц, считаются системами ближнего действия и применяются, например, в системах помощи при парковке. Важными достоинствами современных автомобильных лидаров, которые также находят основное применение в системах помощи водителю, считаются их экономичность, низкое потребление и расширенный диапазон длительностей зондирующих импульсов.
Таким образом, для полного удовлетворения требованиям современных систем автомобильной безопасности и помощи водителю, а также активных систем круиз-контроля транспортное средство должно содержать, по меньшей мере, 4 датчика локационных сигналов: когерентный допплеровский радар в полосе 76-77 ГГц, два импульсных радара в обеих полосах и один лидар. Их число может быть уменьшено до трех, если использовать в полосе 76-77 ГГц более сложный многочастотный доплеровский радар с функцией определения расстояния.
Известная структурная схема реализации такого радара, принятая в качестве аналога для заявленного объекта, описана в ЕР №0583418, G01S 13/00, опубл. 28.08.2002 г. и представлена на фиг.1. Основной особенностью ее является применение в доплеровском радаре непрерывного либо импульсного действия минимум трех расположенных в одной из вышеуказанных частотных полос несущих, которые с помощью модулятора 1 формируют когерентный зондирующий СВЧ сигнал. Данный сигнал достигает требуемой мощности в СВЧ усилителе 2 и через циркулятор 3 и антенну 4 передается к объекту наблюдения. Отраженный от объекта сигнал через те же антенну 4 и СВЧ циркулятор 3 поступает в тракт приема, содержащий понижающий преобразователь частоты 5 и усилитель промежуточных частот 6. Далее несущие разделяются и демодулируются с помощью трех демодуляторов 7, 8 и 9. Демодулированные сигналы выделяются с помощью фильтров 10, 11 и 12 нижних частот ФНЧ1, ФНЧ2 и ФНЧ3 и поступают в блок обработки 13. Благодаря этому в данном устройстве обнаруживается не только фазовый (частотный) сдвиг между сигналами различных частот, но и разность амплитуд отраженных сигналов, что обеспечивает при соответствующей обработке измерение не только относительной скорости, но и расстояния до объекта (объектов) наблюдения.
В последние годы в области сверхвысокочастотной оптоэлектроники широко исследуется новый тип генератора СВЧ сигналов, получивший наименование «оптоэлектронный генератор» (ОЭГ). Особенностью его является использование оптического энергоаккумулирующего элемента, что представляет собой принципиально новый подход к созданию прецизионных малошумящих источников радиосигналов диапазона от сотен МГц до сотен ГГц. Другое важное достоинство ОЭГ состоит в возможности преодоления известного компромисса при проектировании стандартных СВЧ генераторов, заключающегося в выборе между широкой полосой перестройки и низкими частотными шумами. Дополнительными достоинствами ОЭГ считаются: расширение частотного диапазона до 100 и более гигагерц благодаря широкой полосе входящих в состав данного генератора оптических и оптоэлектронных компонентов, уменьшение не только кратковременной (частотные шумы), но и долговременной нестабильности частоты генерации вследствие сравнительно слабой температурной чувствительности кварцевого оптического волокна, крайне малая чувствительность к ускорениям.
Известная структурная схема реализации ОЭГ, принятая в качестве прототипа для заявленного объекта, описана в ЕР №0842571, G02F 1/01, опубл. 07.03.2007 г. и представлена на фиг.2. Данная структурная схема содержит следующие принципиальные компоненты оптического и радиотехнического узлов: полупроводниковый лазерный модуль 14 (ПЛМ), электрооптический модулятор 15 (ЭОМ) на основе интерферометра Маха-Цандера, оптический тракт 16 (ОТ) на основе отрезка одномодового волокна, фотодетекторный модуль 17 (ФДМ), предварительный электрический усилитель 18 (ПЭУ), фазовый корректор 19 (ФК), подоено-пропускающий фильтр 20 (ППФ), усилитель мощности 21 (УМ), делитель мощности 22 (ДМ).
Известный оптоэлектронный генератор сигналов СВЧ диапазона, принятый в качестве прототипа для заявленного объекта, содержит оптический узел и радиотехнический узел, в состав которого входят последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель, полосно-пропускающий фильтр, усилитель мощности и делитель мощности, а оптический узел включает в себя блок формирования лазерного излучения в виде лазерного излучателя, через оптический тракт с элементом задержки в виде петли на отрезке одномодового волокна связанный с фотодетекторным модулем, выход которого связан с входом предварительного электрического усилителя радиотехнического узла
Функционирование ОЭГ фиг.2 базируется на преобразовании энергии непрерывного оптического излучения ПЛМ в энергию сигнала радиотехнического диапазона. Для этого управляющий интенсивностью (мощностью) оптического излучения ЭОМ охвачен оптоэлектронной петлей обратной связи, содержащей отрезок 23 оптического волокна определенной длины (входит в состав ОТ), оптико-электрический преобразователь, предварительный усилитель, фазовый корректор, например, на основе линии с регулируемой задержкой, выделяющий частоту несущей СВЧ сигнала полосовой фильтр и оконечный СВЧ усилитель, выходной сигнал которого с помощью делителя поступает как в выходной порт генератора, так и на управляющий вход ЭОМ. В этой схеме частота несущей СВЧ диапазона определяется центральной частотой ППФ, а общее время накопления энергии - задержкой в ОТ. Регулируя длину волокна ОТ, время задержки в ФК, центральную частоту ППФ и коэффициенты усиления ПЭУ и УМ, можно обеспечить в данной схеме баланс амплитуд и фаз, то есть условия возникновения автоколебаний определенной частоты.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по применению модернизированной когерентной схемы на основе оптоэлектронного генератора для совершенствования технико-экономических показателей автомобильного датчика локационных сигналов.
При этом технические результаты заключаются:
- в расширении функциональных возможностей;
- в улучшении экономических и массогабаритных характеристик автомобильного датчика локационных сигналов;
- в повышении точности измерения;
- обеспечение полного объема локационных измерений в одном датчике;
- в повышении надежности определения расстояния и скорости;
- в повышении гибкости применения локационной системы.
Первый технический результат достигается тем, что в схеме фиг.2 для обеспечения локационных функций в волоконно-оптический тракт ОЭГ вводится оптический циркулятор, обеспечивающий развязку зондирующего и отраженного от объекта сигнала, и оптическая антенна, обеспечивающая эффективную передачу прямого и обратного излучений, а в СВЧ тракт ОЭГ - радиочастотный циркулятор и радиочастотная антенна, выполняющие аналогичные функции.
Второй технический результат достигается за счет совмещения в одном датчике локационных сигналов относительно простой схемы функций всех четырех (либо трех) описанных выше локационных средств СВЧ и оптического диапазонов.
Третий технический результат достигается за счет применения когерентного принципа измерения параметров объекта наблюдения и возможности увеличения разрешающей способности измерений за счет повышения частоты зондирующего сигнала.
Четвертый технический результат достигается за счет возможности без усложнения схемы датчика обеспечить одновременное измерение расстояния и скорости объектов наблюдения.
Пятый технический результат достигается за счет возможности прямого сопоставления результатов поочередного измерения указанных параметров во всех трех существующих частотных диапазонах локационных средств.
Шестой технический результат достигается за счет возможности работы в одном из трех указанных выше частотных диапазонов в зависимости от требований к точности, дальности действия и погодных условий.
Указанные технические результаты для первого примера исполнения достигаются тем, что когерентный датчик локационных сигналов, содержащий оптический узел и радиотехнический узел, в состав которого входят последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель, фазовый корректор, полосно-пропускающий фильтр, усилитель мощности и делитель мощности, связанный с выходом, а оптический узел включает в себя полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор на основе интерферометра Маха-Цандера, связанный с делителем мощности радиотехнического узла, оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна, фотодетекторный модуль, выход которого связан с входом предварительного электрического усилителя радиотехнического узла, снабжен радиочастотным циркулятором с радиочастотной антенной, размещенным между полосно-пропускающим фильтром и усилителем мощности, и оптическим циркулятором с оптической антенной, вход которого связан с оптическим трактом на основе отрезка одномодового волокна, связанного с электрооптическим модулятором, а выход через дополнительный оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна с фотодетекторным модулем.
Указанные технические результаты для второго примера исполнения достигаются тем, что когерентный датчик локационных сигналов, содержащий оптический узел и радиотехнический узел, в состав которого входят последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель, фазовый корректор, полосно-пропускающий фильтр, усилитель мощности и делитель мощности, связанный с выходом, а оптический узел включает в себя полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор на основе интерферометра Маха-Цандера, оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна, фотодетекторный модуль, выход которого связан с входом предварительного электрического усилителя радиотехнического узла, снабжен первым радиочастотным циркулятором с антенной диапазона 24 ГГц, размещенным между полосно-пропускающим фильтром и усилителем мощности, оптическим циркулятором с оптической антенной, вход которого связан с оптическим трактом на основе отрезка одномодового волокна, связанного с электрооптическим модулятором, а выход через дополнительный оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна с фотодетекторным модулем, повышающим преобразователем частоты, связанным входом с делителем мощности радиотехнического узла, понижающим преобразователем частоты, выход которого связан с электрооптическим модулятором оптического узла, гетеродином, выходы которого подведены к повышающему и понижающему преобразователям частоты, и вторым радиочастотным циркулятором с антенной диапазона 77 ГГц, размещенным между повышающим и понижающим преобразователями частоты.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 представлена известная структурная схема когерентного датчика локационных сигналов с возможностью измерения расстояния до объекта - аналог;
фиг.2 - известная структурная схема оптоэлектронного генератора - прототип;
фиг.3 - схема двухдиапазонного когерентного датчика локационных сигналов согласно изобретению;
фиг.4 - схема трехдиапазонного когерентного датчика локационных сигналов согласно изобретению.
Суть предложенного изобретения, заключающегося в применении новой когерентной схемы на основе оптоэлектронного генератора для совершенствования технико-экономических показателей автомобильного датчика локационных сигналов, что позволяет устранить вышеуказанные недостатки, поясняется схемами на фиг.3 и 4.
Двухдиапазонный когерентный датчик локационных сигналов по первому варианту исполнения на фиг.3 содержит оптический узел и радиотехнический узел, в состав которого входят последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель, фазовый корректор, полосно-пропускающий фильтр, усилитель мощности и делитель мощности, связанный с выходом, а оптический узел включает в себя полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор на основе интерферометра Маха-Цандера, связанный с делителем мощности радиотехнического узла, оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна, фотодетекторный модуль, выход которого связан с входом предварительного электрического усилителя радиотехнического узла. Кроме того, этот датчик снабжен радиочастотным циркулятором с радиочастотной антенной, размещенным между полосно-пропускающим фильтром и усилителем мощности, и оптическим циркулятором с оптической антенной, вход которого связан с оптическим трактом на основе отрезка одномодового волокна, связанного с электрооптическим модулятором, а выход через дополнительный оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна с фотодетекторным модулем.
Ниже приводится конкретный пример реализации этого датчика.
Данная структурная схема содержит следующие принципиальные компоненты оптического и радиотехнического узлов: полупроводниковый лазерный модуль 14 (ПЛМ), электрооптический модулятор 15 (ЭОМ) на основе интерферометра Маха-Цандера, оптический тракт 16 (ОТ1) на основе отрезка одномодового волокна, фото детекторный модуль 17 (ФДМ), предварительный электрический усилитель 18 (ПЭУ), фазовый корректор 19 (ФК), полосно-пропускающий фильтр 20 (ППФ), усилитель мощности 21 (УМ), делитель мощности 22 (ДМ). В схему введены новые элементы: оптический циркулятор 24 (ОЦ), оптическая антенна 25 (ОА), радиочастотный циркулятор 26 (РЧЦ), радиочастотная антенна 27 (РЧА), оптический тракт 28 (ОТ2) на основе отрезка одномодового волокна. При этом оптический циркулятор 24 (ОЦ) смонтирован встроенным между ОТ1 и ОТ2.
Предлагаемый датчик содержит оптический узел и радиотехнический узел. В состав радиотехнического узла входят последовательно связанные между собой фазовый корректор 19 (ФК), полосно-пропускающий фильтр 20 (ППФ), усилитель мощности 21 (УМ), делитель мощности 22 (ДМ).
Оптический узел включает в себя последовательно связанные между собой полупроводниковый лазерный модуль 14 (ПЛМ), электрооптический модулятор 15 (ЭОМ) на основе интерферометра Маха-Цандера, оптический тракт 16 (ОТ1) на основе отрезка одномодового волокна и фото детекторный модуль 17 (ФДМ), связываемый с электрическим усилителем 18 (ПЭУ) радиотехнического узла.
В предложенной схеме функции датчика сигналов СВЧ диапазона осуществляются с помощью стандартного радиочастотного циркулятора РЧЦ и СВЧ антенны РЧА для передачи зондирующего и приема отраженного от цели сигналов. Кроме того, функции датчика сигналов ИК-диапазона осуществляются с помощью стандартного оптического циркулятора ОЦ и оптической антенны ОА для передачи зондирующего и приема отраженного от цели сигналов.
0
Принцип измерения расстояния до объекта с помощью датчика схемы фиг.3 заключается в следующем. До начала измерений производится калибровка устройства, для чего с помощью соответствующих переключателей закорачиваются входные и выходные плечи циркуляторов РЧЦ и ОЦ. Регулируя коэффициенты усиления ПЭУ и УМ, а также время задержки в ФК, добиваются выполнения условий баланса амплитуд и фаз в ОЭГ. Согласно описанию в прототипе частота оптоэлектронного генератора f в этом случае определяется следующим выражением.
g
g
g
где n - групповой показатель преломления оптического волокна (для кварцевого стекла n=1,45), L - общая длина ОТ, c - скорость света в вакууме, k - номер гармоники сигнала генерации, определяемый фильтром ППФ, τ - общее время задержки в ОЭГ. Отметим, что в ОЭГ τ исключительно определяется временем задержки τ в оптическом волокне длиной L, которая на практике составляет от сотен метров до нескольких километров. То есть τ≈τ. Из (1) следует, что область свободной дисперсии (FSR), соответствующая расстоянию между соседними модами, в данном ОЭГ будет определяться:
Предположим, что с помощью схемы фиг.3 необходимо измерить расстояние l до неподвижного объекта с использованием радарного датчика СВЧ сигналов, для чего необходимо убрать закоротку между входным и выходным плечами РЧЦ (не показана на фиг.3). Общее время задержки с учетом задержки отраженного от объекта сигнала составляет:
Введение задержки изменит частоту генерации ОЭГ, которая теперь будет равна:
При этом сдвиг частоты Δf составит:
Производя преобразования (5) в предположении, что c>>2l·FSR, получаем:
Таким образом, зная длину волоконно-оптического тракта и определив в процессе калибровки собственную частоту ОЭГ, можно с помощью (6) однозначно рассчитать расстояние до объекта на основе измерения величины сдвига частоты его генерации. Принцип измерения расстояния в оптическом диапазоне будет полностью соответствовать вышеизложенному, для чего необходимо закоротить плечи РЧЦ и убрать закоротку в ОЦ.
t
С помощью схемы фиг.3 можно также просто измерить скорость перемещения ν подвижного объекта в СВЧ либо оптическом диапазоне. Для этого можно воспользоваться возникающем в когерентном локаторе эффектом Доплера, согласно которому сдвиг частоты:
В (7) знак «+», как известно, соответствует приближению объекта, а знак «-» - его удалению.
0
6
-5
Для подтверждения корректности описанного выше принципа действия предложенного объекта рассмотрим конкретный пример измерения расстояния в стандартном СВЧ диапазоне, считая f=24 ГГц. Предположим, что длина волокна в ОЭГ L=5 км. При этом согласно (2) FSR=41,4 кГц. Предположим далее, что расстояние до объекта l=100 м. Тогда 2l·FSR=8,2·10 м/с, то есть почти на два порядка меньше скорости света. Следовательно, принятое выше допущение соблюдается на практике. При этом согласно (6) относительный сдвиг частоты соответствует около 2,7%, и его можно легко определить в блоке обработки локатора с помощью известных методов. Однако при измерении скорости перемещения объекта с помощью (7) сдвиг частоты получается гораздо меньше, что усложняет схему обработки. В частности, при скорости объекта 50 км/час сдвиг частоты получается лишь 2,2 кГц (примерно 10%). Данная проблема может быть решена за счет использования для локации более высокочастотного СВЧ диапазона (например, в районе 77 ГГц) либо оптического диапазона.
Число рабочих диапазонов в предложенной схеме фиг.3 может быть увеличено простыми средствами. Например, трехдиапазонный когерентный датчик локационных сигналов содержит оптический узел и радиотехнический узел, в состав которого входят последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель, фазовый корректор, полосно-пропускающий фильтр, усилитель мощности и делитель мощности, связанный с выходом, а оптический узел включает в себя полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор на основе интерферометра Маха-Цандера, оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна, фотодетекторный модуль, выход которого связан с входом предварительного электрического усилителя радиотехнического узла. Описываемый датчик снабжен первым радиочастотным циркулятором с радиочастотной антенной, размещенным между полосно-пропускающим фильтром и усилителем мощности, оптическим циркулятором с оптической антенной, вход которого связан с оптическим трактом на основе отрезка одномодового волокна, связанного с электрооптическим модулятором, а выход через дополнительный оптический тракт на основе отрезка одномодового волокна с фотодетекторным модулем, повышающим преобразователем частоты, связанным с отводом делителя мощности радиотехнического узла, понижающим преобразователем частоты, выход которого связан с электрооптическим модулятором оптического узла, гетеродином, выходы которого подведены к повышающему и понижающему преобразователям частоты, и вторым радиочастотным циркулятором с антенной, размещенным между повышающим и понижающим преобразователями частоты.
В качестве примера на фиг.4 представлена трехдиапазонная схема на основе оптоэлектронного генератора, в которой используются все выделенные для современных автомобильных локаторов частотные полосы (см. выше). Для этого в данной схеме введены следующие дополнительные узлы: повышающий преобразователь частоты 29 (ППЧ1), местный гетеродин 30 (Гет.), понижающий преобразователь частоты 31 (ППЧ2), и соответственно циркулятор 32 (РЧЦ2) и антенна 33 (РЧА2) диапазона 77 ГГц, выполняющие аналогичные функции РЧЦ1 и РЧА1. Для упрощения схемы в данном случае в ППЧ1 и ППЧ2, осуществляющих соответственно функции повышающего и понижающего преобразования частоты между полосами 24 ГГц и 77 ГГц, использованы так называемые резистивные смесители с субгармонической накачкой, принцип работы которых см., например, Ang K.S., et.al. A millimeter-wave monolithic sub-harmonically pumped resistive mixer. - Asia Pacific Microwave Conference Proceedings. 1999, v.2, p.222-225). Важным достоинством такого решения является возможность использования общего гетеродина вдвое меньшей частоты, что следует из фиг.4.