CN104297731A - 基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机 - Google Patents

Abstract

一种基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机，包括微波信号产生部分、信号调制与延时部分、发射部分，微波信号产生部分包括宽带光源、第一光分路器、第二光分路器、第一偏振控制器等，信号调制与延时部分包括第二电光调制器、第二光放大器、光纤延时网络、第二光合路器，发射部分包括第一波分复用器、光纤或光缆、光电探测器阵列等。本发明通过基于宽带光源的光电振荡器产生微波信号，减免了外部微波源用宽带光源替代多波长激光器阵列，并利用波分复用器对宽带光源进行切割的结构促使该光控相控阵结构简单紧凑，降低成本。

Description

基于宽带光源的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，具体是一种基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机。

背景技术

相控阵雷达借助天线的配置实现波束的扫描,在军事、电子对抗、通信等领域有着广泛的应用。然而，传统的电控相控阵雷达由于存在孔径效应(参见张光义，赵玉洁，相控阵雷达技术，北京：电子工业出版社，2006.12:390-392)，在宽带宽角扫描的情况下存在波束偏移的现象，所以限制了雷达信号的瞬时带宽。近年来随着光电子技术的发展，提出了光控相控阵雷达的概念。光控相控阵是将微波信号调制到光信号上，利用光信号在不同长度的光纤中传播实现不同的真时延，然后将微波信号从光信号中解调出来，经过微波T/R组件与天线发射出去。光控相控阵不仅可以有效克服传统相控阵天线孔径效应的限制，且具有大的瞬时带宽、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，从而提高了雷达性能，简化了雷达设计，成为相控阵雷达发展的一个重要方向。

国际国内在光控相控阵雷达技术方面都有开展广泛的研究。国际顶级的Nature杂志在2014年报道了一个全光控的相干雷达系统(Ghelfi P,Laghezza F,Scotti F,et al.A fully photonics-based coherent radar system[J].Nature,2014,507(7492):341-345)，利用光子学技术实现了对雷达信号的发射、接收、处理。国内清华大学周炳锟教授课题组重点研究了光控微波波束形成网络结构。电子科技大学对L波段的光控相控阵雷达进行了理论研究，设计制作了光延时线和光传输链路，并与南京电子技术研究所合作完成了近场、远场测试，显著改善了雷达的宽带宽角扫描性能。

高质量的宽带可调谐微波信号源是雷达系统中必不可少的组成部分。然而，传统相控阵雷达的外部微波信号源存在可调谐范围窄、雷达信号的时间带宽积有限、相位噪声大等问题。基于光电子技术的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(参见邹卫文，刘辰钧，姜文宁，卢加林，吴龟灵，陈建平，基于宽带光源的频率可调谐的光电振荡装置：中国，CN201310045022.5[P]，2013-6-19)。在光控相控阵雷达中，利用普通的通信光纤可以实现数据传输和相控阵的控制。因为光纤损耗低，所以可以将信号处理、波束控制等设备放置在离天线较远的地方，这有利于提高雷达的生存能力，或将大的雷达阵面分散若干较小阵面，配以适当的数据处理，以获得更高的实孔径角分辨能力和测角、定位精度(参见张忠华，孙晓昶，光控相控阵雷达[J]，电讯技术，2004，44(2):71-75)。与传统的微波延迟线相比，光纤延迟线体积小、结构简单、抗电磁干扰能力强、温度稳定性好。基于波分复用技术的光纤延时网络(参见邹卫文，余安亮，刘辰钧，陈建平，基于光波分复用技术的可编程波束成形网络：中国，CN201310460297.5[P]，2014.1.22)可以实现相控阵系统的相位控制。

本发明中的全光控相控阵雷达发射机是基于宽带光源的。一方面宽带光源在本发明中的微波信号产生部分中是必不可少的一部分。另一方面宽带光源与波分复用技术的结合，可以在多波长下实现与频率无关的真时延迟，灵活性高。相比于结合多波长激光器阵列与光纤延时网络的相控阵雷达发射机结构(参见邹卫文，李曙光，刘辰钧，余安亮，陈建平，全光控相控阵雷达发射机：中国，CN201410065532.3[P]，2014.7.23)，用宽带光源替代多波长激光器阵列，并利用波分复用器对宽带光源进行切割的结构更加简单且节约成本。

发明内容

本发明的目的在于提出宽带光源的全光控相控阵雷达发射机。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机，特点在于其构成包括微波信号产生部分、信号调制与延时部分、发射部分，所述的微波信号产生部分用于产生宽带可调谐的单频微波信号；信号调制与延时部分用于将雷达信号调制在光载波上，并利用波分复用技术对不同通道的信号进行延时；发射部分用于将光信号转换为雷达电信号并发射出去。

所述的微波信号产生部分包括宽带光源、第一光分路器、第二光分路器、第一偏振控制器、可调延时模块、第二偏振控制器、第一电光调制器、第一光合路器、色散模块、第一光放大器、第三光分路器、Sagnac环、光电探测器、电放大器、隔直器；所述的信号调制与延时部分包括第二电光调制器、第二光放大器、光纤延时网络；所述的发射部分包括第二光合路器、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，上述元部件的位置关系如下：

沿所述的宽带光源的光束输出方向依次是第一光分路器和第二光分路器，所述的第一光分路器将光信号分为两束，一束光信号进入第二光分路器，另一束光信号进入所述的第二光合路器的第二输入端口，所述的第二光分路器将光路分为第一光路和第二光路，所述的第一光路依次是第一偏振控制器、可调延时模块和第一光合路器，第二光路依次是第二偏振控制器、第一电光调制器、第一光合路器；在该第一光合路器的输出光路上依次是色散模块、第一光放大器和第三光分路器，该第三光分路器又将光信号分为两束，一束光信号依次经过所述的第二电光调制器、第二光放大器、光纤延时网络和第二光合路器，该第二电光调制器的射频输入端输入基带雷达信号，另一束光信号依次经过所述的Sagnac环和光电探测器，该光电探测器的电信号输出端依次连接所述的电放大器和隔直器，该隔直器的输出端与所述的第一电光调制器的射频输入端相连，在所述的第二光合路器的输出方向依次是所述的波分复用器、光纤或光缆、光电探测器阵列、T/R组件阵列和微波天线阵列。

所述的Sagnac环的连接关系为：光信号输入到2×2光耦合器的第二输入端，光纤连接2×2光耦合器的第一输入端和第一输出端。2×2光耦合器的第二输出端为Sagnac环的光信号输出端。

所述的微波信号产生部分是一个宽带可调谐的光电振荡器。第一光分路器将所述的宽带光源输出的宽谱光分为两部分，一部分用于光电振荡器的光载波，另一部分作为相干解调的光载波。所述的第二光分路器将所述的第一光分路器的第二输出端的宽谱光分成两部分，分别进入所述的第一第二偏振控制器，实现马赫增德尔双臂干涉，所述第一电光调制器的光输入端接收一部分光载波信号并进行调制。所述的色散模块对宽谱光引入色散。所述的第一光放大器将色散模块输出的光信号放大。所述的第三光分路器将放大后的光信号分出一部分，输入到所述的Sagnac环。光电探测器将经过Sagnac环的光信号转换为电信号。所述的电放大器将电信号进行放大，在电放大器之后接入隔直器去除直流部分，再反馈到第一电光调制器的射频输入端，形成光电振荡器，产生低相位噪声，宽带可调谐的微波信号

所述的信号调制与延迟部分中第二电光调制器的光输入端连接到第三光分路器的第一输出端，第二电光调制器的微波输入端为基带雷达信号(如线性扫频脉冲信号、相位编码信号等)。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。所述的光纤延时网络接到第二光放大器的输出端，对不同波长的调制信号进行延时，从而产生不同的相位差。

所述的发射部分中第二光合路器将经过光纤延迟网络的光信号与第一光分路器分出的光载波合波在一起。第一波分复用器将经过所述的第二合路器输出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。

本发明具有以下优点：

1、本发明是一种基于宽带光源的全光控相控阵系统。本发明中，宽带光源一方面用在光电振荡器结构中，产生宽带可调谐的微波信号，省去了外部产生微波载波的微波源。另一方面宽带光源与波分复用技术的结合，可以在多波长下实现与频率无关的真时延迟。相比于结合多波长激光器阵列与光纤延时网络的相控阵雷达发射机结构，用宽带光源替代多波长激光器阵列，并利用波分复用器对宽带光源进行切割的结构更加简单且节约成本。

2、本发明中的Sagnac环级联在光电振荡器的环路中，能够在原有的微波光子滤波器的开环响应上叠加上无限脉冲响应，可以减小微波光子滤波器的有效带宽，优化光电振荡器闭环时产生的单频微波信号的相位噪声。

3、本发明中，通过调节可调延时模块的延时，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。通过调节可调延时模块的延时，可以实现同一频段的跳频工作。

附图说明

图1为本发明基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机的结构示意图。

图2为本发明中Sagnac环的结构示意图。

图3为本发明中不接Sagnac环、级联6.5m长Sagnac环，级联21.5m长Sagnac环三种情况下相位噪声。

图4为本发明中微波信号产生部分产生的全部微波信号的实验结果，可调延时模块的延时按照1ps步进，相对应的改变输出微波信号的频率，实验中微波信号频率可以实现0-11.3GHz连续可调。

图5为微波信号产生部分直接与发射部分相连接，在波分复用器的四个不同通道的光电探测器输出测得的微波信号的相位噪声，测得的微波信号的相位噪声有良好的一致性。

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为本发明基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机实施例的结构示意图。其构成包括微波信号产生部分、信号调制与延时部分、发射部分。微波信号产生部分包括宽带光源1-1、第一光分路器1-2、第二光分路器1-3、第一偏振控制器1-4、可调延时模块1-5、第二偏振控制器1-6、第一电光调制器1-7、第一光合路器1-8、色散模块1-9、第一光放大器1-10、第三光分路器1-11、Sagnac环1-12，光电探测器1-13、电放大器1-14、隔直器1-15。信号调制与延时部分包括第二电光调制器2-1、第二光放大器2-2、光纤延时网络2-3。发射部分包括第二光合路器3-1、第一波分复用器3-2、光纤或光缆3-3、光电探测器阵列3-4、T/R组件阵列3-5、微波天线阵列3-6。

上述元部件的连接关系如下：

所述的宽带光源1-1接所述的第一光分路器1-2，其第二输出端接第二光分路器1-3的输入端，第二光分路器将光信号分成两部分，分别输入到第一偏振控制器1-4和第二偏振控制器1-6的光输入端，第一偏振控制器光输出端接可调延时模块1-5，第二偏振控制器光输出端接第一电光调制器1-7的光输入端，可调延时模块和第一电光调制器的光输出经第一光合路器1-8合到一起输入到色散模块1-9的输入端，本实施例色散模块为色散补偿光纤。色散模块与第一光放大器1-10光输入端相连，本实施例第一光放大器为掺铒光纤放大器，对色散模块输出的光进行放大，以减小链路的插损。所述的第三光分路器1-11将第一光放大器输出的光信号分出一部分，进入所述的Sagnac环1-12，Sagnac环的输出端接光电探测器1-13，将光信号转换为电信号。所述的低噪声电放大器1-14将转换之后的电信号再次进行放大，以增大从宽带光源到光电探测器的增益，最后经过隔直器1-15，将基带信号滤除，反馈到所述的第一电光调制器的射频输入端。同时，所述的第三光分路器分出的另一部分光经过第二电光调制器2-1，将由该第二电光调制器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2-2，即掺铒光纤放大器放大后进入所述的光纤延时网络2-3，对不同通道进行不同延时。所述的第二合路器3-1将经过延迟网络移相的信号与第一个分路器分出的一部分光信号进行合波，进行相干解调。所述的第一波导阵列光栅3-2将第二合路器合波的各路信号进行解复用。所述的光缆3-3将光信号传输到天线发射基地，所述的光电探测器阵列3-4将各个通道的光信号恢复成电信号，所述的T/R组件3-5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3-6最后将微波信号辐射出去。

本发明的工作原理如下：

在图1中的微波信号产生部分，马赫增德尔双臂干涉结构、色散模块、光探测器共同构成一个单通带可调谐的微波光子滤波器，从而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。

图2中Sagnac环的结构由2×2光耦合器和一段光纤组成，光纤连接2×2光耦合器一个输入端和一个输出端。光信号在光耦合器中循环，所以通过级联Sagnac环，在原有的微波光子滤波器的开环响应上叠加上无限脉冲响应，通过级联Sagnac环可以减小微波光子滤波器的有效带宽，优化光电振荡器闭环时产生的单频微波信号的相位噪声。图3为不接Sagnac环、级联6.5m长Sagnac环，级联21.5m长Sagnac环三种情况下的相位噪声。

改变可调延时模块的延时，可以产生可调谐的微波信号。图4为本发明中微波信号产生部分的全部微波信号的实验结果，可调延时模块的延时按照1ps步进，相对应的输出微波信号的频率，实验中微波信号频率可以实现0-11.3GHz连续可调。

因为该发明是基于宽带光源的，所以可以和波分复用技术相结合。第二光放大器输出的宽谱光载波的光谱被光波分复用器的不同通道分割，不同的波长上带有相同的雷达信号。经过基于光波分复用技术的光纤延时网络可以改变不同通道上雷达信号的相位，再经过基于光波分复用技术的发射部分，可以实现雷达信号的波束成形。图5为微波信号产生部分直接与发射部分相连接，在波分复用器的四个不同通道的光电探测器输出测得的微波信号的相位噪声，测得的微波信号的相位噪声有良好的一致性。

Claims (4)

1.一种基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机，特征在于其构成包括微波信号产生部分、信号调制与延时部分、发射部分，所述的微波信号产生部分用于产生宽带可调谐的单频微波信号；信号调制与延时部分用于将雷达信号调制在光载波上，并利用波分复用技术对不同通道的信号进行延时；发射部分用于将光信号转换为雷达电信号并发射出去。

2.根据权利要求1所述的基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机，其特征在于所述的微波信号产生部分包括宽带光源(1-1)、第一光分路器(1-2)、第二光分路器(1-3)、第一偏振控制器(1-4)、可调延时模块(1-5)、第二偏振控制器(1-6)、第一电光调制器(1-7)、第一光合路器(1-8)、色散模块(1-9)、第一光放大器(1-10)、第三光分路器(1-11)、Sagnac环(1-12)、光电探测器(1-13)、电放大器(1-14)、隔直器(1-15)；所述的信号调制与延时部分包括第二电光调制器(2-1)、第二光放大器(2-2)、光纤延时网络(2-3)；所述的发射部分包括第二光合路器(3-1)、波分复用器(3-2)、光纤或光缆(3-3)、光电探测器阵列(3-4)、T/R组件阵列(3-5)、微波天线阵列(3-6)，上述元部件的位置关系如下：

沿所述的宽带光源(1-1)的光束输出方向依次是第一光分路器(1-2)和第二光分路器(1-3)，所述的第一光分路器(1-2)将光信号分为两束，一束光信号进入第二光分路器(1-3)，另一束光信号进入所述的第二光合路器(3-1)的第二输入端口，所述的第二光分路器(1-3)将光路分为第一光路和第二光路，所述的第一光路依次是第一偏振控制器(1-4)、可调延时模块(1-5)和第一光合路器(1-8)，第二光路依次是第二偏振控制器(1-6)、第一电光调制器(1-7)、第一光合路器(1-8)；在该第一光合路器(1-8)的输出光路上依次是色散模块(1-9)、第一光放大器(1-10)和第三光分路器(1-11)，该第三光分路器(1-11)又将光信号分为两束，一束光信号依次经过所述的第二电光调制器(2-1)、第二光放大器(2-2)、光纤延时网络(2-3)和第二光合路器(3-1)，该第二电光调制器(2-1)的射频输入端输入基带雷达信号，另一束光信号依次经过所述的Sagnac环(1-12)和光电探测器(1-13)，该光电探测器(1-13)的电信号输出端依次连接所述的电放大器(1-14)和隔直器(1-15)，该隔直器(1-15)的输出端与所述的第一电光调制器(1-7)的射频输入端相连，在所述的第二光合路器(3-1)的输出方向依次是所述的波分复用器(3-2)、光纤或光缆(3-3)、光电探测器阵列(3-4)、T/R组件阵列(3-5)和微波天线阵列(3-6)。

3.根据权利要求1所述的基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机，特征在于所述的Sagnac环(1-12)的连接关系为：光信号输入到2×2光耦合器(1-12-1)的第二输入端，光纤(1-12-2)连接2×2光耦合器的第一输入端和第一输出端。2×2光耦合器的第二输出端为Sagnac环的光信号输出端。

4.根据权利要求1所述的基于宽带光源的全光控相控阵雷达发射机，特征在于所述的微波信号产生部分是基于宽带光源的，和波分复用技术相结合，第二光放大器(2-2)输出的宽谱光载波的光谱被光波分复用器的不同通道分割，不同的波长上带有相同的雷达信号，经过基于光波分复用技术的光纤延时网络改变不同通道上雷达信号的相位，再经过基于光波分复用技术的发射部分，实现雷达信号的波束成形。