CN102857300B - 雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，涉及雷达探测技术，由光发射机、光接收机、法拉第旋转镜、光环形器、保偏光纤、射频功放等组成。通过对微波信号进行电光和光电变换，利用光纤的低插损、高温度相位稳定性的特点，将微波信号在长距离条件下做低相位波动低损耗的传输。本发明的微波光纤链路装置，可用于空间长基线干涉合成孔径雷达(SAR)定标信号传输，以及相控阵雷达、多基地雷达监测网等雷达系统的基准频率信号传输。能够精确补偿X波段微波信号长距离传输时由温度和辐照等环境因素带来的相位变化，同时具有极宽的射频(RF)工作频带，可扩展到50MHz-18GHz雷达基准频率信号的传输。

Description

雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，是雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置。

背景技术

雷达系统中，通常需要基准频率信号的微波信号长距离稳定传输，如空间长基线双天线干涉SAR地形测绘系统内定标信号传输，以及相控阵雷达、多基地雷达监测网等雷达系统的基准频率信号传输。雷达系统对基准频率信号的传输要求相位(或相应频率的传输延时)稳定，然而传统微波馈线方式如同轴电缆的相位受外界环境影响巨大，如美国航天飞机双天线干涉SAR的研究指出，在-50℃～-10℃温度范围下，采用100m同轴电缆传输X波段9.6GHz，会带来数百度以上的相位误差，从而导致数十米的高程测量误差，同时同轴电缆有传输插损大、体积重量大等缺点，在相控阵雷达、多基地雷达监测网距离更长的应用中更是难以满足要求。采用微波光纤链路利用光纤传输可以避免或减轻上述同轴电缆带来的问题。与同轴电缆相比，微波光纤链路具有损耗极小(可小于0.4dB/km)，适合于信号的长距离传输；体积小、重量轻、柔软弯曲半径小，适合空间受限的应用场合；温度相位稳定性好，比同轴电缆高一个数量级；电磁辐射，隐蔽性好，抗电磁干扰能力强。

发明内容

为了满足雷达系统基准频率信号的长距离稳相传输的需求，本发明公开了一种雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，首先，利用光纤的优良特性将微波信号通过微波光纤链路传输，获得较高的温度相位稳定性，减小外界温度环境变化对基准频率信号相位的影响，减小传输路径的体积和重量；其次，通过光纤的双向传输，在微波信号正向传输的同时获得二倍光程的反向传输信号，通过与参考路径的相位比较，利用近似二倍关系补偿正向传输的相位波动。

具体是将微波信号通过光发射机(电光变换)调制到光信号上，经过长光纤正向传输后，再通过光接收机(电光变换)解调为微波信号，避免微波信号在相应同轴电缆上的相位波动和衰减；同时通过法拉第旋转镜将一部分光信号反向传输并通过另一个光接收机接收，形成一个反向传输路径，通过测量反向传输相位变化，对正向传输相位进行补偿。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其包括发送端、接收端；

近端发送端包括功分器、光发射机、保偏光环行器、光接收机、射频功放、鉴相器；其中，基准频率信号源接功分器输入，功分器输出分别接光发射机输入、鉴相器第一输入；光发射机输出接保偏光环行器1口，保偏光环行器3口接第二光接收机输入，第二光接收机输出接第二射频功放输入进行功率匹配，第二射频功放输出接鉴相器第二输入；

远端接收端包括法拉第旋转镜、光接收机、射频功放、鉴相器；其中，发送端的保偏光环行器2口经双向保偏光纤与法拉第旋转镜光连接，法拉第旋转镜下游顺序设有第一光接收机、第一射频功放，第一射频功放输出进行功率匹配后分别接远端雷达设备、鉴相器第三输入，从而分别给远端雷达设备提供基准频率信号和相位变化测量输入信号；法拉第旋转镜的反射光接保偏光环行器3口；

其微波光纤链路装置形成三个支路，即正向链路，反向链路，参考链路；光波长1310nm。

所述的基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其所述正向链路，为雷达基准频率信号由近端发送端到远端接收端的传输路径，即：基准频率源-功分器-光发射机-光环行器1、2口-保偏光纤正向-法拉第旋转镜-第一光接收机-第一射频功放-远端雷达设备-同时鉴相器第三输入；

反向链路，为测量支路，即：基准频率源-功分器-光发射机-光环行器2口-保偏光纤正向-法拉第旋转镜-保偏光纤反向-光环行器3口-第二光接收机-第二射频功放-鉴相器第二输入；

参考链路，为基准频率源-功分器-鉴相器第一输入；

通过反向链路和参考链路测得的相位变化对正向链路的相位变化进行补偿。

所述的基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其所述光发射机，包括放大器、调制器、匹配电阻、激光二极管(LD)、光隔离器、功率和温度监测控制模块；其中，光隔离器接光环行器1口，调制器为直接调制方式，包括激光器、调制电路和多个辅助模块；功分器输出接放大器，放大器接匹配电阻，从功分器输入开始，先进行阻抗匹配，保证接收信号的完整性，通过前置放大器，将射频信号放大到适合驱动LD的电压范围；在LD工作过程中，输出波长与功率都会随时间和温度产生漂移，通过功率检测光电二极管和温度传感器并做相应调整保证输出功率的稳定。

所述的基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其所述光接收机，包括接收器模块、光电放大器、监测与报警模块；接收器模块包括激光二极管(LD)、匹配电阻，光电放大器输入顺序接激光二极管(LD)、光电放大器，光电放大器输出电信号至射频功放，完成微波光纤链路和雷达设备的功率匹配；

光发射机与光接收机的连接光路，采用保偏光纤与法拉第旋转镜实现单根光纤的信号双向传输，两个方向传输的光信号偏振态保持正交，从而减小了链路的干涉噪声，并且通过数字鉴相器方式，在频域通过数字信号处理的方法获得链路内的相位变化量，通过反向链路的相位测量值，来补偿正向链路的相位变化，为远端雷达设备提供相位稳定的基准频率信号。

本发明的有益效果：本发明的雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，可将雷达基准频率信号变换到光域利用光纤体积小、重量轻、温度相位稳定性好、插损小、无电磁干扰等优良特点，相对于同轴电缆减小了相位波动和传输路径上的损耗，另外还可以在大环境温度变化条件下实时测量相位变化，对传输到远端的基准频率信号相位进行补偿。由于光纤插损一般小于0.4dB/km，而X波段同轴电缆100m的插损通常在20dB以上，特别适合于发送端和接收远端距离较长的应用背景，这对于需要基准频率信号远距离传输的雷达系统具有重要的实用价值。

附图说明

图1是本发明雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置的系统框图；

图2是本发明中光发射机、光接收机模块结构示意图；

图3是本发明雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置各部分引入的相位变化示意图；

图4是本发明装置中正反向链路温度实验相位变化、测量方差示意图；

图5是本发明装置中相位变化补偿残差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施仅仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。

根据本发明，图1所示本发明的雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置的系统框图，图中包括四大部分：近端发送端，光纤，远端发送端，远端雷达设备。

其中近端发送端由基准频率源，功分器，光发射机，保偏光环行器，射频(RF)功放，光接收机OR2，鉴相器组成；光纤为150m保偏光纤，从而减少光信号双向传输可能引入的干涉噪声；远端接收端由法拉第旋转镜，射频功放，光接收机OR1组成；远端接收设备为需要频率基准信号的雷达设备。并由此形成三个信号通路，即：

a)正向链路：基准频率源-功分器-光发射机-起偏器-光环行器(1，2口)-保偏光纤(正向)-法拉第旋转镜-光接收机OR1；

b)反向链路：基准频率源-功分器-光发射机-起偏器-光环行器(2，3口)-保偏光纤(正向)-法拉第旋转镜-保偏光纤(反向)-光接收机OR2-射频功放-鉴相器；

c)参考链路：基准频率源-功分器-鉴相器。

这三个链路中正向链路是实际使用的基准频率信号传输路径；反向链路与参考链路构成测量链路，测量反向链路上的相位变化，从而对实际使用的正向链路的相位变化进行补偿。

本发明的雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，对雷达基准频率源输出的单频信号进行电光光电变换，设计为X波段9.6GHz信号，经过功分器使得基准频率信号可利用光纤传输，减小相同长度同轴电缆中的由传输路径引入的相位变化和插损。

本发明的微波光纤链路装置中的光发射机和接收机模块结构图如附图2所示，光发射机包括放大器，调制器，匹配电阻，激光二极管(LD)，光隔离器，功率和温度监测控制；由附图2可以看出，光反射机除了激光器和调制电路以外，还需要多个辅助模块。从RF输入端开始，一般需要进行阻抗匹配，保证接收信号的完整性，对于小信号还需要通过前置放大器，将宽动态范围的RF信号放大到适合驱动LD的电压范围。在LD工作过程中，输出波长与功率都会随时间和温度产生漂移，因此还需要相应的功率检测光电二极管和温度传感器。为了保证输出的稳定，可以根据这些检测信号，调节偏置电流控制功率，利用热电制冷器(ThermoElectricCooler，TEC)稳定温度。

光接收机包括接收器模块、光电放大器，监控与报警模块。

本发明的微波光纤链路装置中的法拉第旋转镜由法拉第旋转器加半透半反镜构成，正向通过法拉第旋转镜的光能量是输入光的一半，偏振态旋转了45°；反向通过法拉第旋转镜的光能量也是输入光的一半，但由于两次经过旋转器，偏振态旋转了90°。对于线偏振光入射的情况，反射回光纤的光正好与入射光偏振态垂直，从而避免了干涉。

本发明的微波光纤链路装置中的光环行器是一种多端口输入输出的非互易器件，具有正向导通而反向传输阻止的特性，光环行器和法拉第旋转镜一起完成光信号的双向传输。

本发明的微波光纤链路装置中的射频功放用来将正向和反向光接收机OR1和OR2输出的微波信号进行放大，在微波域完成微波光纤链路与雷达设备的功率匹配。

本发明鉴相器用来测量比较正向反向链路相对于参考链路的相位差，可以是模拟鉴相器，也可以是通过采样数字处理的数字鉴相器，这里采用高速示波器来完成，通过数字方法测量单频信号的相位差，也就是相位在长光纤中受外界环境影响带来的变化。

根据本发明，用于雷达基准频率信号远距离传输的微波光纤链路的具体设计如下。

I)微波光纤链路相位测量原理设计

系统各器件引入的相移如附图3所示，θ₁表示光发射机引入的相移；θ₂和θ₂′分别表示光三端环形器的正向和反向引入的相移；θ₃和θ₃′分别为法拉第旋转镜透射和反射引入的相移；θ₄和θ₄′分别为光接收机OR1和光接收机OR2引入的相移；φ为150m光纤引入的相移

基准频率信号在正向和反向链路中的相位变化分别如式(1)和(2)所示：

用反向链路的测量结果来补偿正向传输过程中的相位变化如式(3)所示：

从上式可以看出长光纤路径中引起的相位变化φ已经被消除，忽略发射机引入的相移及器件一致性差异，可近似认为反正相位变化为正向的二倍来进行补偿。

II)微波光纤链路系统设计与主要技术指标：

光发射机采用直接调制方式，RF频率范围100MHz～18GHz，输入RF信号的功率-20dBw～8dBw，调制增益0.14W/A，输出光功率8mw，波长1310nm；

光接收机采用Pin光电二极管方式，RF频率范围，50MHz～22GHz，响应度0.7A/W，波长1280～1580nm；

光环行器主要参数：采用保偏光环行器，波长1310nm，最大插损0.8dB，最小回损55dB，最小串扰50dB，最大光功率500mW；

法拉第旋转镜主要参数：波长1310nm，反射比50％，最大插损3.7dB，法拉第旋转角45°；

射频功放工作频率8～12GHz，增益35dB，噪声系数1.5dB，1dB压缩点5dBm；

光纤采用保偏光纤，波长1280～1580nm，最大插损0.2dB/km，光纤接头FC/APC，接头插损小于0.5dB，工作温度-55℃～80℃。

光纤链路增益按照式(4)计算，根据相关参数可得：

$G_{\mathrm{LINK}}={\left(\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{I_{\mathrm{IN}}}\right)}^2\left(\frac{R_{\mathrm{OUT}}}{R_{\mathrm{IN}}}\right)---\left(4\right)$

正向增益：-37.5dB，反向增益40.1dB。

III)微波光纤链路的相位变化测量设计鉴相或相位变化的测量采用数字方式，这里以9.6GHz信号为例说明，可以将光接收机输出的信号通过混频器降低频率再进行采样，也可以直接采样，这里通过40GHz多通道高性能示波器对三个链路采样实现数字鉴相，采集样本长度11M点，每5000个样本(约962个信号周期)做一次FFT变换，在频域估计相对相位差(延时差)，将多次结果取统计均值和方差，通过比较正反向链路信号与参考链路的相位差(延时差)。

实际使用中根据环境温度的变化速度来设置每段样本的采样间隔，通过温箱来模拟环境温度变化，这里温度为线性变化，变化率1℃/min，由20℃降温至-40℃保持半小时再升温至20℃。温度连续变化条件下，每两分钟(即每2℃)进行一次采集记录。这样的温度变化率和范围可以满足大多数应用条件。测试结果如附图4、图5所示：

图4给出了温度从-40℃升温到+20℃时，光纤链路的正向和反向链路的延时变化，测量均方差和相邻温度点的延时变化量。图5给出了利用反向链路测量结果对正向链路的进行补偿的残差。

●测量方差正向链路小于0.13ps(对应9.6GHz信号0.45°，反向链路小于0.16ps(对应9.6GHz信号0.55°)，这是由于反向链路光程大于正向链路噪声较大，信噪比相对低，测量精度有所下降。

●通过反向链路按2倍光程补偿正向链路延迟变化，补偿后残余误差在0.8ps(对应9.6GHz信号2.7°)，远小于相同条件下同轴电缆传输引入的数百度相位变化。

如果对发射机引入的相移及两个接收机和光学器件正反向的差异，本发明微波光纤链路中的相位补偿精度还可以进一步提高。

上面描述使用于实现本发明及其实施例，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其特征在于，包括发送端、接收端；

近端发送端包括功分器、光发射机、保偏光环行器、第二光接收机、第二射频功放和鉴相器；其中，基准频率信号源接功分器输入，功分器输出分别接光发射机输入和鉴相器第一输入；光发射机输出接保偏光环行器1口，保偏光环行器3口接第二光接收机输入，第二光接收机输出接第二射频功放输入，第二射频功放输出接鉴相器第二输入；

远端接收端包括法拉第旋转镜、第一光接收机和第一射频功放；其中，发送端的保偏光环行器2口经双向保偏光纤与法拉第旋转镜光连接，法拉第旋转镜下游顺序设有第一光接收机、第一射频功放，第一射频功放输出分别接远端雷达设备、鉴相器第三输入；法拉第旋转镜的反射光接保偏光环行器2口；

其微波光纤链路装置形成三个支路，即正向链路，反向链路，参考链路；光波长1310nm。

2.如权利要求1所述的雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其特征在于，所述正向链路，为雷达基准频率信号由近端发送端到远端接收端的传输路径，即：基准频率源—功分器—光发射机—光环行器1、2口—保偏光纤正向—法拉第旋转镜—第一光接收机—第一射频功放—远端雷达设备—同时鉴相器第三输入；

反向链路，为测量支路，即：基准频率源—功分器—光发射机—光环行器1、2口—保偏光纤正向—法拉第旋转镜—保偏光纤反向—光环行器2、3口—第二光接收机—第二射频功放—鉴相器第二输入；

参考链路，为基准频率源—功分器—鉴相器第一输入；

通过反向链路和参考链路测得的相位变化对正向链路的相位变化进行补偿。

3.如权利要求1所述的雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其特征在于，所述光发射机，包括放大器、调制器、功率监测模块和温度控制模块；其中，调制器为直接调制方式，包括激光二极管、匹配电阻和光隔离器，调制器的光隔离器接光环行器1口；功分器输出接放大器，放大器接调制器的匹配电阻，从功分器输入开始，先进行阻抗匹配，保证接收信号的完整性，通过放大器，将射频信号放大到适合驱动激光二极管的电压范围；在调制器的激光二极管工作过程中，输出波长与功率都会随时间和温度产生漂移，通过功率监测模块和温度控制模块做相应调整保证输出的稳定。

4.如权利要求1所述的雷达基准频率信号长距离传输的微波光纤链路装置，其特征在于，所述光接收机，包括接收器模块、光电放大器、以及监测与报警模块；接收器模块包括光电二极管和匹配电阻，光发射机输出的光信号依次进入第一光接收机中的接收器模块和光电放大器，光电放大器输出电信号至第一射频功放,完成微波光纤链路和雷达设备的功率匹配；

光发射机与第二光接收机的连接光路，采用保偏光纤与法拉第旋转镜实现单根光纤的信号双向传输，两个方向传输的光信号偏振态保持正交，从而减小了链路的干涉噪声，并且通过数字鉴相器方式，在频域通过数字信号处理的方法获得链路内的相位变化量，通过反向链路的相位测量值，来补偿正向链路的相位变化，为远端雷达设备提供相位稳定的基准频率信号。