CN101241187A - 被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新型的被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统。本发明中，被动综合孔径电光成像阵列的工作过程是视场电磁辐射信号被天线阵列接收后，通过电光调制器加载到光波信号上，并经过光纤阵列成像，提取成像结果中的各光纤通道相位误差信息，将各通道相位误差测量量转化为调节PZT长度参量的电压量，最后传给相位实时延迟器。本发明的相位实时延迟器利用啁啾光纤光栅的宽谱反射特点及波长反射点位置与啁啾光纤光栅长度相关的特性，通过相位误差信号来调节PZT的拉伸长度，带动啁啾光纤光栅的伸长，从而改变各通道信号通过啁啾光纤光栅时的反射点位置，最终调节各通道信号所经历的时间延迟，实现相位误差实时校正。
Description
技术领域
本发明主要涉及被动综合孔径电光成像阵列系统的相位误差校正技术，尤其是采用相控阵雷达天线中的实时延迟方法，把相位误差信息转换成时间延迟的形式来实时补偿被动综合孔径电光成像阵列系统中的相位误差。
背景技术
被动综合孔径电光成像阵列系统可以应用于被动微波、毫米波、太赫兹综合孔径成像系统。被动综合孔径电光成像阵列方法是基于上变频技术的成像方法，先将接收天线阵列优化排列，然后将接收机接收的信号经过变频后，通过电光调制器加载到激光器输出的光载波上，通过光纤传输，并在阵列末端形成光纤缩比阵列，运用微光学技术设计光学系统使之形成光学综合孔径成像系统，最终在焦平面上使用CCD直接成像。视场信号在接收和传输过程中会产生一定的误差，而相位误差对成像质量影响很大，因此需要对系统进行实时相位校准。
传统的被动综合孔径电光阵列成像的相位校准方法一般是采用相位补偿器或光纤延迟线。本发明中采用相位实时延迟系统来对光纤各通道间的信号相位误差进行补偿。实时延迟系统以往只应用于相控阵雷达天线中。虽然相控阵雷达天线中的天线阵列是用来发射信号，而被动光学综合孔径电光成像阵列系统是用天线阵列来接收视场内的电磁辐射信号。但两者之间具有许多相似性，比如都需要利用天线阵列，而且都可以有多种天线阵排列方式，最主要的一点是两者都是通过电光调制器把电磁信号加载到激光器发出的光波上，并通过光纤阵列来传输电光调制器输出的调制光信号。在相控阵雷达天线中光纤阵列后的每条天线通道分配到一个调制光信号，每个调制光信号经过光学实时延迟系统得到各不相同的延时，以控制各光纤通道间信号的相位差，从而改变天线阵面上电磁波的相位分布，使得波束在空间按一定规律扫描。相控阵雷达天线的光学实时延迟系统一般分为四种方式，分别是单一光载波离散调制型，单一光载波连续调制型，多个光载波离散调制型和多个光载波连续调制型。根据被动综合孔径电光成像阵列系统的激光器是固定波长，且相位误差是连续的特点，本发明中采用的相位实时延迟系统是单一光载波连续调制型。
发明内容
被动综合孔径电光成像阵列系统中相位误差对成像质量影响很大，而以往的相位补偿技术存在精度不高，体积大，价格偏高等缺点。本发明提出的被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统采用了相控阵雷达天线中的光学实时延迟方法，将相位信息转换成时间延迟的形式来实时补偿被动综合孔径电光成像阵列系统中的相位误差。通过对CCD成像结果进行分析计算可以得到各通道的相位误差，把其校正量传给相位实时延迟系统，利用相位实时延迟系统中的啁啾光纤光栅的宽谱反射及波长反射点位置与光纤光栅长度相关的特性，通过相位误差控制光纤光栅长度以改变各通道信号的时延，实现相位误差校正的目的。
本发明提出的被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统采用如下技术方案：
发明提出如图1所示的被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统(以1-D的4根天线阵列为例)，该系统主要由相位误差转换子系统，时间延迟控制子系统和时间延迟补偿子系统组成。
在本发明中的单一载波连续型光学实时延迟系统利用啁啾光纤光栅反射谱宽的特性，可以反射一段连续范围内的波长。不同波长的信号在光栅中的反射点位置不同，因此各信号经过的路程不同，则时间延迟不同。被动综合孔径电光成像阵列系统属于相干干涉成像，作为载波的光波信号必须来源于同一激光器的固定波长。只有通过平移频谱代替调节波长来改变同一波长不同信道的时延。啁啾光纤光栅的纵向拉伸会引起其反射宽谱向长波方向移动，因此载波的波长要处于宽谱中靠近长波长边缘的位置，以防止加载在载波上的信号超出反射宽谱的范围而不能被反射。从成像结果中提取出来的误差信号经转换后成为与其补偿相位相对应的电压量，当该电压加在PZT上时，PZT将向左右两端膨胀，以致拉伸啁啾光纤光栅使其光栅周期变大，引起啁啾光纤光栅的反射频谱向长波方向移动，从而改变载波信号在光栅中的反射点位置，最终调节各通道信号的时间延迟量，达到实时校准各通道的相位误差的目的。在本发明中，系统各个部分说明如下：
(1)相位误差转换子系统：对图像分析和计算得到的相位误差补偿量要经过计算机处理转换为与其相对应的PZT的输入电压信号，这个相位误差补偿量校正视场信号在接收和传输过程中产生的误差。
(2)时间延迟控制子系统：各通道信号时间延迟量的控制由PZT来实现，PZT只会随输入电压的改变产生不同的纵向拉伸，带动紧粘在其上的啁啾光纤光栅的纵向形变。
(3)线性啁啾光纤光栅：啁啾光纤光栅的啁啾率与位置成线性关系，这样可以得到相位误差与啁啾光纤光栅时延的线性关系，使得系统更简单。为了防止过度拉长毁坏光纤光栅，在将其粘于PZT之前，要有一定的预压缩。同时为了避免光纤光栅受到外界温度的影响，要对啁啾光纤光栅进行绝热涂层处理。
(4)三端口环形器：各通道需要补偿的信号经过三端口环形器进入啁啾光纤光栅进行延迟，其后被啁啾光纤光栅反射再经过环形器输出补偿后的通道信号。
本发明的主要特色：把只用于相控阵雷达天线中的光学实时延迟线方法来实现被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统的相位误差校正，改变传统的被动综合孔径电光成像阵列系统中用相位延迟器，光纤延迟线的方法。而且发明中采用的实时延迟只用一个固定波长的光载波就可以得到不同时延值的连续值。
本发明的效益与应用前景：(1)该系统与方法的应用前景：本发明提出的通过利用被动综合孔径电光成像相位实时延迟系统为光纤传输系统的相位校正提供了一种新的有效途径，具有精度高，体积小，成本低等优势。(2)拓展应用：该方法不仅可广泛应用于微波，毫米波和太赫兹波等波段的被动综合孔径电光成像阵列系统中，还可应用于主动成像系统中光纤传输的相位校正，以及其他多路光纤传输中的相位差补偿。
附图说明
图1为被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统
图2为被动综合孔径电光成像阵列系统(以1-D时4根天线的阵列为例)
具体实施方式
图1显示了被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统结构图，图2中电光调制器14输出的调制信号1经过三端口环形器2进入到紧密粘在PZT3上的线性啁啾光纤光栅4中，该PZT3的控制信号为计算机7的补偿相位对应的电压量输出。计算机7的输入信号为图2中信号处理器18输出的相位误差补偿量。线性啁啾光纤光栅4经加热涂层处理过，并且两端紧密粘于PZT3的两端。线性啁啾光纤光栅4随着PZT 3的拉伸获得纵向形变，此纵向形变带有需要补偿的相位信息。该纵向形变引起各通道的时延差可以推过公式推导为Δτ＝2dL/Vg＝(2-Pe)λΔL/(ALΛ0c)。最后被补偿后的调制信号5经线性啁啾光纤光栅4反射后再经过环形器2输出进图2中的光纤阵列15。
图2显示了采用实时延迟系统来校正相位的被动综合孔径电光成像阵列系统结构图，阵列天线8采用WiseWave Technologiesd Inc.公司的30GHz到50GHz的接收天线ARH-2220-02，接收视场内的电磁辐射信号。其后的前置低噪放大器9(LAN)采用该公司的ALN-33144020-01。激光器10选用SPI公司redPOWERTM系列的SP-M-10-1550光纤激光器，工作在1550nm可以连续或脉冲方式工作。对于一个4单元的被动综合孔径电光成像阵列系统，激光器10的输出经标准的1×4单模光纤分光器11将光功率均分到4路光纤传输系统中。每路信号分别经保偏光纤12输入到电光调制器13中，被阵列天线8接收到的视场辐射信号外调制，电光调制器13为Covega Inc.Mach-40TM 027/066的M-Z光波导LiNbO3电光相位调制器。电光调制器13输出的调制信号1经过图1显示的相位实时延迟系统结构图14之后，各光纤通道的调制信号已经得到补偿，重新维持被阵列天线8接收时的相位差。所有的信号经光纤阵列15输出并通过微光学设计的光学处理系统16，最终在CCD探测器17上发生干涉。CCD探测器17得到的干涉结果在高速信号处理器18中分析计算得到各通道相位误差的补偿量6。该补偿量6最终被反馈到相位实时延迟系统14中，实现相位的补偿。
Claims (7)
1.一种新型的被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统，其特征是：所述被动综合孔径电光成像阵列相位实时延迟系统，是将相位信息转换成时间延迟的形式来实时补偿被动综合孔径电光成像阵列系统中的相位误差。所述相位实时延迟系统包括相位误差转换子系统，时间延迟控制子系统和时间延迟补偿子系统。所述各子系统协同工作：成像结果中的各光纤通道相位误差信息被提取和计算后，输入进相位误差转换子系统，被转化为相位误差补偿量对应的电压形式，该电压量进入所述时间延迟控制子系统来调节PZT的长度，从而调节时间延迟补偿子系统中的啁啾光纤光栅长度，改变各光纤通道信号的时间延迟来实时补偿各通道的相位误差。
2.根据权利要求1，所述时间延迟控制子系统中的PZT是条形压电陶瓷，控制电压只改变PZT的纵向拉伸长度，不引起PZT的横向膨胀，且PZT的纵向形变只是被拉伸而不会收缩。
3.根据权利要求1，所述时间延迟补偿子系统由啁啾光纤光栅和环形器组成。其特征在于：各通道需要补偿的信号经过环形器进入啁啾光纤光栅进行延迟，其后被啁啾光纤光栅反射，再经过环形器输出校正后的通道信号。
4.根据权利要求3，所述环形器为三端口的环形器。
5.根据权利要求1和3，所述啁啾光纤光栅，其啁啾是线性的，且其两端与所述PZT的两端紧密粘在一起，在粘于PZT之前，啁啾光纤光栅要经过绝热涂层处理，并设有一定的预压缩。
6.根据权利要求5，所述的绝热涂层处理的涂层材料应该具有防潮防火和绝热的性能，例如聚苯乙烯泡沫材料、聚氨酯泡沫材料等。
7.根据权利要求1，所述的被动综合孔径电光成像阵列，其特征是：激光器发出的载波波长要处于所述啁啾光纤光栅的宽反射谱内，而且要靠近反射谱的长波长带宽边缘。
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