CN103941235A - 全光控相控阵雷达发射机 - Google Patents

Abstract

一种基于多波长光源、光真延时单元的可调谐光电振荡器与光延时网络为一体的全光控相控阵发射机，包括：多波长光源、第一波分复用器、第一光分路器、第一电光调制器、第二光分路器、第一光放大器、第一光延时网络、光电探测器、电放大器、隔直器、第二电光调制器、第二光放大器、第二光延时网络、光合路器、第二波分复用器、光纤或光缆、光电探测器阵列、T/R组件阵列、微波天线阵列、1×2光开关与2×2光开关、环形器、第三波分复用器、精确长度的光纤和法拉第旋转镜。本发明不仅具有光控相控阵雷达的超宽带、无孔径效应优点，还可工作在不同微波波段、实现快速跳频，还具有结构简单紧凑，成本低廉等优点。

Description

全光控相控阵雷达发射机

技术领域

本发明涉及一种微波光子学和雷达领域的方法与装置，具体是一种基于多波长光源、光延时网络的光电振荡器和光延时网络为一体的全光控相控阵发射机。

背景技术

相控阵天线系统在诸如雷达、通信、电子对抗系统等领域都有广泛的应用，其中必不可少的组成部分就是高质量的宽带可调谐微波信号源、宽带雷达基带信号源与相位延迟的波束成形网络。传统的电控相控阵天线中，雷达基带信号调制到微波信号后，通过放大、功率均衡等处理，经过在阵列上或单元上放置微波移相器移相，通过改变天线单元之间的相位关系，最后在空间方位形成微波波束信号。然而，一方面，传统电控相控阵雷达受限于相控阵天线的“孔径效应”，限制了在雷达工作带宽、高分辨率测量、雷达成像及扩频信号等领域的应用。另一方面，传统相控阵雷达（包括光控相控阵雷达）存在微波信号源的可调谐范围窄、雷达信号的时间带宽积有限、相位噪声大等限制。如果在某些频偏处，相位噪声性能不好，返回的信号将被隐藏在载波的相位噪声中，从而不能正确检测出探测目标。

随着微波光子学技术的发展及其在雷达领域的广泛研究，通过采用真时延迟线技术有效地克服传统相控阵天线中的孔径渡越时间的限制。使用基于真延时的光控波束形成网络可以实现天线波束的扫描，具有大的瞬时带宽、无波束斜视效应、低损耗、小尺寸、抗电磁干扰、探测距离远等一系列优点，成为相控阵雷达发展的一个重要方向。同时，光电振荡器在产生低相位噪声、频率大范围可调谐的微波信号方面具有巨大优势，在光信号处理、雷达、通信、以及生物成像检测方面具有广泛潜在用途。

目前研究的光控相控阵雷达主要采用[K.Garenaux,T.Merlet,M.Alouini,etal.,"Recent breakthroughs in RF photonics for radar systems,"Aerospace andElectronic Systems Magazine,IEEE,vol.22,pp.3-8,2007.]中的类似架构。发射链路主要是电微波信号发生器产生相应的载波信号与调制信号，经过调制器电光转换，再经过延迟网络结构，然后经过光电探测器将光信号恢复成电信号，经过微波T/R组件与天线发射出去。而接收回路主要将反射的信号通过微波天线与T/R组件接收回来，通过混频，重新利用发射链路的延时网络进行相位补偿，最后进行信号处理。

在现有的光控相控阵雷达的系列延时系统中，基于多波长的延时方案更有延时范围大、无色散导致的功率周期衰落等现象，其前端需要激光器阵列或多波长激光器。激光器阵列或多波长激光器与延时网络可以构成微波光子滤波器，当激光器阵列个数比较大或多波长激光器波长数较多时，可以形成Q值比较高的有限响应微波光子滤波器。利用该微波光子滤波器进行闭环，可以形成宽带可调的光电振荡器。

发明内容

本发明的目的在于提出基于光延时单元、同时构建宽带可调谐光电振荡器与光控波束形成网络为一体的全光控相控阵雷达发射机。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于多波长光源、光真延时单元的可调谐光电振荡器与光延时网络为一体的全光控相控阵发射机，特点在于其构成包括：多波长光源、第一波分复用器、第一光分路器、第一电光调制器、第二光分路器、第一光放大器、第一光延时网络、光电探测器、电放大器、隔直器、第二电光调制器、第二光放大器、第二光延时网络、光合路器、第二波分复用器、光纤或光缆、光电探测器阵列、T/R组件阵列、微波天线阵列、1×2光开关与2×2光开关、环形器、第三波分复用器、精确长度的光纤和法拉第旋转镜，沿所述的多波长光源的激光输出方向依次是所述的第一波分复用器、第一光分路器、第一电光调制器、第二光分路器、第二电光调制器、第二光放大器、第二光延时网络、光合路器、第二波分复用器、光纤或光缆、光电探测器阵列、T/R组件阵列、微波天线阵列；所述的第二光分路器的第二输出端依次经第一光放大器、第一光延时网络、光电探测器、电放大器、隔直器接所述的第一电光调制器的射频输入端，所述的第一光分路器的第二输出端接光合路器的第二输入端，所述的第二电光调制器的第二输入端为微波输入端。

所述的第一光延时网络或第二光延时网络的连接关系为：经过第一光放大器或第二光放大器输出的光从1×2的光开关输入，选通之后经过环形器进入到第三波分复用器，该波分解复用器将光信号进行解复用，重新分配到各个波长上，然后经过精确切好的不等长的光纤，最后经过法拉第旋转镜反射回来，重新经过光纤、第三波分解复用器、环形器输出到下一级光开关。

所述的第一光分路器将所述的多波长光源输出的激光分为两部分：第一部分用于光电振荡器的光载波，第二部分作为相干解调的光载波。

所述的第一电光调制器的光输入端接第一个分路器的第一输出端，接受一部分光载波信号并进行调制，所述的第二个光分路器将调制之后光信号再分为两部分。所述的第一光放大器将第二光分路器的第二输出端输出的一部分光信号放大。所述的第一个光延时网络接到第一个光放大器的输出端。所述的光电探测器将第一光延时网络的光信号转换为电信号。所述的电放大器将转换后的电信号进行放大，重新反馈到第一电光调制器的射频输入端，形成光电振荡器，产生可调谐的微波信号，作为第一电光调制器的微波输入端信号。为了去除直流部分，在电放大器之后接入微波隔直器。

所述的第二电光调制器的光输入端连接到第二光分路器的第一输出端，将光电振荡产生的光边带与光载波同时作为第二电光调制器的光载波，第二电光调制器的微波输入端为雷达信号（如线性扫频脉冲信号、相位编码信号等）相关的电信号。所述的第二光放大器将加载了微波载波与雷达信号的光信号进行放大。所述的第二个光延时网络接到第二光放大器的输出端，对不同波长进行延时，产生不同的相位差。所述的合路器将经过第二延迟网络的光信号与第一分路器分出的第二部分光载波信号合波在一起。所述的第二波分复用器将经过所述的合路器后的光信号进行解复用。所述的光电探测器阵列将解调出每一个通道的电信号。所述的T/R组件将电信号进行放大，所述的天线将微波信号辐射出去。

所述的多波长光源为激光器阵列或者多波长激光器，包括半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或染料激光器。

所述的波分复用器为密集波分复用器，或阵列波导光栅型波分复用/解复用器。

所述的光分路器为光功分器或光耦合器，用于光信号分成两部分或合在一起。

所述的电光调制器为光强度调制器或光相位调制器。所述的光强度调制器为单边带调制器或者电吸收调制器。

所述的光放大器为掺铒光纤放大器或者半导体光放大器或者拉曼放大器，对光信号进行放大，有效减小微波光子链路的插入损耗。

所述的光控波束成形延时网络为基于多波长的延时网络，可以为基于多波长的光真延时网络、基于色散器件的色散延时网络、空间延时网络、以及基于波导结构的延时网络。

所述的光电探测器为将光信号转换为电信号，可以为PIN管或APD。

所述的电放大器可以为功率放大器、低噪声放大器。

所述的T/R组件为发射与接收单元，用于对雷达发射信号与接收信号进行低噪声预放大。

所述的微波天线为将信号发射出去以及接收回来，可以为如半波振子天线等。

本发明具有以下优点：

1、本发明是一种基于多波长的光控相控阵雷达系统，利用相同结构的延时网络，同时用于产生雷达微波的光电振荡器结构与光控波束成形网络结构，省去了外部产生微波载波的微波源，具有结构紧凑，减小系统成本的优点。

2、本发明中，通过调节第一个延迟网络的延时或多波长激光器的波长，可以产生不同微波频段（如：L波段，S波段，X波段，Ku波段，K波段或者Ka波段）的微波载波信号。通过第一个延迟网络的切换或者多波长激光的波长改变，可以实现同一频段的跳频工作。

3、本发明中，多波长激光器分别用于宽带可调谐的光电振荡器、产生宽带可调谐且可调频工作的雷达微波信号，用于产生雷达基带信号，用于雷达信号的光控波束成形网络，还用于相干解调的光载波。激光器使用效率高，减小成本。

附图说明

图1为本发明全光控相控阵雷达发射机的结构示意图。

图2为本发明基于多波长激光器的光延时网络的结构示意图。

图3为本发明全光控相控阵雷达发射机中的光电振荡单元工作在四通道光波长、开环时的响应。通道间隔延时差80ps，多波长激光器的功率相等。（a）仿真（b）实验。

图4为本发明全光控相控阵雷达发射机中的光电振荡单元工作在四通道光波长、开环时的效果图。延时按照5ps步进，从80增加到120ps微波光子滤波器响应仿真。

图5为本发明全光控相控阵雷达发射机中的光电振荡单元产生的微波信号（a）与经过电光调制器（b）的光谱图的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。

图1为本发明全光控相控阵雷达发射机实施例的结构示意图。其构成包括：多波长光源1、第一波导阵列光栅2、第一光分路器3、第一电光调制器4、第二光分路器5、第一光放大器6、第一光延时网络7、光电探测器8、电放大器9、隔直器10、第二电光调制器11、第二光放大器12、第二光延时网络13、光合路器14、第二波导阵列光栅15、光纤或光缆16、光电探测器阵列17、T/R组件阵列18、微波天线阵列19、1×2光开关20与2×2光开关25、环形器21、第三波导阵列光栅22、精确长度的光纤23、法拉第旋转镜24。

上述元部件的连接关系如下：

所述的多波长光源1产生的不同波长光信号由所述的第一波导阵列光栅2进行合波；所述的第一光分路器3的第一输出端接第一电光调制器4的光输入端，将合波之后的信号分出一部分，输入到第一电光调制器4的光输入端，该第一电光调制器4的光输出再经第二光分路器5的第二输出端接第一光放大器6的输入端，本实施例第一光放大器为掺铒光纤放大器。所述的第二光分路器5输出的一部分光进行放大，以减小链路的插损；所述的第一光延时网络7输入端接到第一光放大器6的输出端，第一光延时网络7对不同通道进行不同的延时后；进入所述的光电探测器8，将光信号转换为电信号；所述的低噪声电放大器9将转换之后的电信号再次进行放大，以增大从激光器到光电探测器的增益，最后经过隔直器10，将基带信号滤除，反馈到所述的第一电光调制器4的射频输入端；同时，所述的第二光分路器5的第一输出端分出的另一部分光经过第二电光调制器11，将由该第二电光调制器11的微波输入端输入的线性扫频脉冲信号、相位编码等雷达调制信号调制在信号光上，同样经过所述的第二光放大器12，即掺铒光纤放大器放大后进入另一套所述的第二光延时网络13，同样对不同通道进行不同延时；所述的合路器14将经过延迟网络移相的信号与第一个分路器3分出的第二部分光信号进行合波，所述的第二波导阵列光栅15将合路器14合波的各路信号进行解复用；所述的光缆16将光信号传输到天线发射基地，所述的光电探测器阵列17将各个通道的光信号恢复成电信号；所述的T/R组件18将光电探测之后的电信号再次进行预放大；所述的微波天线阵列19最后将微波信号辐射出去。

其中延时网络的连接关系为：经过EDFA1与EDFA2的光从1×2的光开关20输入，选通之后经过环形器21进入到波导阵列光栅22，波导阵列光栅将光信号进行解复用，重新分配到各个波长上，经过精确切好的不等长的光纤23，最后经过法拉第旋转镜24反射回来，重新经过光纤23、波导阵列光栅22、环形器21输出到下一级光开关25。

本发明的工作原理如下：

首先，多波长光源将产生的不同波长的激光经AWG复用之后作为电光调制器的光输入光载波信号，电光调制器的输出信号可以分为两部分，一部分用于光生微波部分，构成光电振荡器，以产生需要的微波载波信号。另一部分产生不同的延时，构成波束成形网络。

对于光电振荡器，不同波长的激光器提供不同的抽头，光延迟网络提供相对延时，以构成有效响应的微波光子滤波器，而且当激光器波长达到一定数量，其通带的3dB可以变得足够窄，虽然其为周期响应，但采用一定带宽的光电探测器引入低通响应，即可形成单响应微波光子滤波器；从而可以代替传统光电振荡器结构中的微波滤波器进行选模，对微波光子滤波器反馈构成闭环，即为光电振荡器，产生需要的微波信号。为使光电振荡器起振，接入光放大器与低噪声放大器分别对光信号与电信号进行放大，减小从激光器到光电探测器开环链路的插损。同时，根据延迟网络相对延迟的调谐，以产生可调谐的微波信号。

上述光电振荡器产生的可调谐的微波信号经过第一电光调制器4的RF输入口调制到光载波信号上，产生的光载波与边带信号一起经过第二电光调制器11并调制上雷达信号，经过第二光放大器12放大后送入第二光纤延迟网络13，通过第二波导阵列光栅15解复用出来，这样就在每个波长上，存在一光载波、一经过雷达信号调制的光载波与两边带（边频率差为微波载波频率）共四个光信号，送往后端的光电探测器阵列17进行解调，相干检测出加载在微波载波上的雷达信号，经过T/R组件18，最后由天线阵列19发射出去，从而完成空间的波束扫描。上述系统可以通过结构类似的延迟网络产生微波信号，减免了外部微波源，促使该光控相控阵结构简单紧凑，降低成本。

光电振荡器与波束成形的延迟网络结构可以相同或者不同。比如，都可采用光开关、环形器、波导阵列光栅、法拉第旋转镜构成的拓扑结构。都可以是光纤组成的色散延时结构。也可以是其中一种位光开关、环形器、波导阵列光栅、法拉第旋转镜构成的拓扑结构，另一种为光纤的色散延时结构。以第一种情况为例，第n级的波导阵列光栅通道间引出的光真延迟线差，按照2^n-1Δt增加，通过对各级光开关的控制，可以实现从0到2^n-1Δt的延时量。考虑到二者对延时精度与延时量不同，可以在光开关25后面级联类似2×2开关构成的延迟单元，其结束单元采用1×2光开关20输出。

Claims (10)

1.一种基于多波长光源、光延时网络的光电振荡器和光延时网络为一体的全光控相控阵发射机，特征在于其构成包括：多波长光源（1）、第一波分复用器（2）、第一光分路器（3）、第一电光调制器（4）、第二光分路器（5）、第一光放大器（6）、第一光延时网络（7）、光电探测器（8）、电放大器（9）、隔直器（10）、第二电光调制器（11）、第二光放大器（12）、第二光延时网络（13）、光合路器（14）、第二波分复用器（15）、光纤或光缆（16）、光电探测器阵列（17）、T/R组件阵列（18）、微波天线阵列（19）、1×2光开关（20）与2×2光开关（25）、环形器（21）、第三波分复用器（22）、精确长度的光纤（23）和法拉第旋转镜（24），沿所述的多波长光源（1）的激光输出方向依次是所述的第一波分复用器（2）、第一光分路器（3）、第一电光调制器（4）、第二光分路器（5）、第二电光调制器（11）、第二光放大器（12）、第二光延时网络（13）、光合路器（14）、第二波分复用器（15）、光纤或光缆（16）、光电探测器阵列（17）、T/R组件阵列（18）和微波天线阵列（19）；所述的第二光分路器（5）的第二输出端依次经第一光放大器（6）、第一光延时网络（7）、光电探测器（8）、电放大器（9）、隔直器（10）接所述的第一电光调制器（4）的射频输入端，此闭环为光电振荡器，以产生微波信号，所述的第一光分路器（3）的第二输出端接所述的光合路器（14）的第二输入端，所述的第二电光调制器（11）的第二输入端为微波输入端。

2.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的第一光延时网络（7）或第二光延时网络（13）的连接关系为：经过第一光放大器（6）或第二光放大器（12）输出的光从1×2的光开关（20）输入，选通之后经过环形器（21）进入到第三波分复用器（22），该波分解复用器将光信号进行解复用，重新分配到各个波长上，经过精确切好的不等长的光纤（23），最后经过法拉第旋转镜（24）反射回来，重新经过光纤（23）、第三波分复用器（22）、环形器（21）输出到下一级光开关（25）。

3.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的多波长光源为激光器阵列或者多波长激光器，包括半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或染料激光器。

4.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的波分复用器为密集波分复用器，或阵列波导光栅型波分复用/解复用器。

5.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的光分路/合路器为光耦合器或者光功分器。

6.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的光放大器为掺铒光纤放大器、半导体放大器或拉曼放大器。

7.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的电光调制器为光强度调制器、单边带调制器或电吸收调制器；该调制器为铌酸锂迈克尔曾德调制器或聚合物结构调制器。

8.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的光延时网络为基于多波长的光真延时网络、基于光纤的色散延时网络、基于光纤布拉格光栅的色散延时网络、基于空间光的延时网络、基于平面波导结构的延时网络或基于硅基波导结构的延时网络。

9.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的光电探测器为PIN管或APD。

10.根据权利要求1所述的全光控相控阵发射机，其特征在于所述的电放大器为宽带放大器、低噪声放大器或调制器的驱动放大器。