CN106027134A - 一种光子微波相控阵收发系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光子微波相控阵收发系统及其方法。本发明基于LCoS可调激光器阵列产生多路波长可调激光，在电光调制器微波信号被调制，经过高色散光纤获得单元延迟后输入级联光开关的子阵延迟线，得到多路延迟量分布，传输到光探测器，该光探测器的输出信号进入电子信号处理器进行电子信号处理实现接收回路信号处理；获得延迟处理的调制光信号输入波分去复用和光电转换部件通过电环形器由天线单元发射信号实现发送回路信号处理。本发明通过采用光子技术产生大量可重构和可调节的实时延迟，并用在微波相控阵的发送和接收通路的延迟信号处理中，从而实现发射波束的指向控制和用于获得目标信息的接收信号处理。

Description

一种光子微波相控阵收发系统及其方法
技术领域
本发明属于微波光子学领域技术，特别是一种光子微波相控阵收发系统及其方法。
背景技术
二十世纪中期，人们开始了以相控阵天线取代机械转动天线的技术革命，一方面，相控阵因其静止不动的天线和可控电子波束扫描的特点而具有机械天线无法取得的高性能和广泛应用的优点。今天，相控阵系统已经在雷达、通信、电子战、导航等国防与民用领域中得到了全面的应用。另一方面，随着来自应用的需求对相控阵天线系统性能不断提高要求，今天的微波工程硬件和系统如果只采用电子技术则由于其有限的信号响应速度和带宽已不能满足不断提高的要求([1]Hunter D.B.,Minasian R.A.,“Photonic signal processing of microwave signals usingan active-fiber Bragg-grating-pair structure,”IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques,Vol.45,No.8,pp.1463-1466,1997.[2]A.J.Seeds,K.J.Williams,“Microwave Photonics,”Journal of Lightwave Technology,Vol.24,No.12,pp.4628-4641,2006.)，这可以从微波光子学领域众多文献中看出，因此必须以光子技术来协助微波电子系统实现更高的性能，其中，采用光子技术的实时延迟线可以在高速和宽带、电磁兼容、损耗、体积和重量等指标上全面达到应用要求([3]D.Jager,“Microwave photonics--Past,present,and future,”IEEE MicrowaveMagazine,Vol.10,No.4,pp.154-154,2009.[4]I.Gasulla,J.Lloret,J.Sancho,S.Sales,J.Capmany,“Recent Breakthroughs in Microwave Photonics,”IEEE PhotonicsJournal,Vol.3,No.2,pp.311-315,2011.[5]B.Vidal,T.Mengual,C.Ibanez-Lopez,J.Marti,“Photonic Beamformer with True Time Delay and Phase Control for LargeAntenna Arrays,”Lasers and Electro-Optics Society,2006.19th Annual Meeting ofthe IEEE,pp.412-413,2006.)，例如，早期用切割和控制光纤长度的方法、后来用光纤光栅以串联或并联的方式对单波长或多波长微波光调制信号延迟，或者采用色散延迟线方法，等等。然而，对于具有大量天线单元的微波相控阵系统，一个具有可重构性和可调节的实用的微波信号发送和接收的光子实时延迟分布的实现还是具有很多技术困难([6]E.I.Ackerman,C.H.Cox,“Optimization ofphotonic transmit/receive module performance,”Microwave Photonics,2009.MWP'09.International Topical Meeting on,pp.1-4,2009.[7]M.Shen and R.A.Minasian,“Linearization Processing of a Novel Short Time-Delay WDM Superposed FibreBragg Grating,”IEEE Photonics Technology Letters,Vol.14,No.12,pp.1707-1709,2002.[8]L.Pierno,A.M.Fiorello,A.Secchi,M.Dispenza,“Fibre optics in radarsystems:Advantages and achievements,”2015IEEE Radar Conference(RadarCon),pp.1627-1633,2015.)，这些困难主要体现在两个方面，一是短至几皮秒的多延迟量通过控制光纤长度或在结构上安排分立元件都是不现实的，另一个是对单路延迟量的调节和对大量延迟分布的动态改变是困难的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于发送和接收的微波信号延迟处理的光子微波相控阵收发系统及其方法，通过光子技术去产生大量可重构和可调节的实时延迟，并用在微波相控阵的发送和接收通路的延迟信号处理中，从而实现发射波束的指向控制和接收信号处理从而获得目标信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种光子微波相控阵收发方法，基于LCoS可调激光器阵列产生多路波长可调激光，在电光调制器微波信号被调制，信号经过高色散光纤获得单元延迟后输入级联光开关的子阵延迟线，得到多路延迟量分布，传输到光探测器，该光探测器的输出信号进入电子信号处理器进行电子信号处理实现接收回路信号处理；获得延迟处理的信号输入波分去复用和光电转换部件后通过电环形器由天线单元发射信号实现发送回路信号处理。
一种光子微波相控阵收发系统，包括基于LCoS的可调激光器阵列、信号收发回路、高色散光纤、级联光开关的子阵延迟线、波分去复用和光电转换部件；
在发送通路上，信号收发回路与微波信号源和波形发生器连接，波分去复用和光电转换部件与相控阵系统的天线连接；
在接收通路上，信号收发回路与相控阵系统的天线连接，波分去复用和光电转换部件与后置电子信号处理器连接；
基于LCoS的可调激光器阵列产生多路波长可调激光，在电光调制器微波信号被调制，经过高色散光纤后输入级联光开关的子阵延迟线，得到多路信号延迟量分布，再输入波分去复用和光电转换部件得到电的信号延迟量分布；
所述基于LCoS的可调激光器阵列、信号收发回路、级联光开关的子阵延迟线、微波信号源和波形发生器、后置电子信号处理器都由控制计算机的程序和指令控制，即LCoS由其LCoS程序驱动和控制，从而实现激光波长选择和幅度调节；信号收发回路、级联光开关的子阵延迟线由控制计算机指令控制其光开关的工作状态，从而实现收发系统的通路的开和关以及在子阵上延迟量；微波信号源和波形发生器、后置电子信号处理器由控制计算机控制，从而输出需要的微波信号和波形，以及后置电子信号处理器需要的控制信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)相控阵系统对延迟信号分布的要求通过采用本发明的光子微波信号收发技术，可以同时实现微波相控阵发射波束指向控制和接收波束延迟补偿从而进行波束合成的重要功能。(2)由于该技术采用液晶硅处理器(LCoS)实现多路波长可调激光器，结合色散光纤的使用，可以实现延迟量和延迟分布的可调节性和可重构性，从而系统可以智能化工作。(3)该延迟技术结合级联阶跃延迟线可以实现高精度和大延迟动态范围。(4)每只LCoS芯片同时处理多路发送和接收微波信号，每路微波信号的幅度可以由LCoS调节和控制，实现波束形成处理中需要的信号幅度加权。(5)具有扩展的灵活性，即当需要扩展应用于有更多天线单元的微波相控阵系统中时，系统只需要增加LCoS数目用于更多的子阵。(6)能够采用集成工艺设计实现，如采用硅光子集成技术，从而可以取得高可靠性和高性价比，并且更易于工作在高频波段。采用本发明的光子技术实现对微波相控阵延迟信号处理，从而帮助实现微波相控阵系统的更高的性能和更尖端的应用。(7)采用液晶硅处理器(LCoS)实现多路波长可调激光器，其本征的kHz调谐速度可以通过采用其它技术以置换，如调谐激光二极管(LD)阵列，从而可以实现更高速的延迟调节和延迟分布的重构。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是在相控阵系统中采用本发明的光子微波收发系统的示意图。
图2是用于产生和调节16路实时延迟信号的一个2D LCoS处理器的分区和波长选择示意图。
图3是本发明光子微波收发系统的一种具体实现的结构示意图。
具体实施方式
本发明光子微波相控阵收发方法，是基于LCoS可调激光器阵列产生多路波长可调激光，在电光调制器微波信号被调制，信号经过高色散光纤获得单元延迟后输入级联光开关的子阵延迟线，得到多路延迟量分布，传输到光探测器，该光探测器的输出信号进入电子信号处理器进行电子信号处理实现接收回路信号处理；获得延迟处理的信号输入波分去复用和光电转换部件后通过电环形器由天线单元发射信号实现发送回路信号处理。
结合图1，本发明光子微波相控阵收发系统，包括基于LCoS的可调激光器阵列、信号收发回路、高色散光纤、级联光开关的子阵延迟线、波分去复用和光电转换部件；
在发送通路上，信号收发回路与微波信号源和波形发生器连接，波分去复用和光电转换部件与相控阵系统的天线连接；
在接收通路上，信号收发回路与相控阵系统的天线连接，波分去复用和光电转换部件与后置电子信号处理器连接；
基于LCoS的可调激光器阵列产生多路波长可调激光，在电光调制器微波信号被调制，经过高色散光纤后输入级联光开关的子阵延迟线，得到多路信号延迟量分布，再输入波分去复用和光电转换部件得到电的信号延迟量分布；
所述基于LCoS的可调激光器阵列、信号收发回路、级联光开关的子阵延迟线、微波信号源和波形发生器、后置电子信号处理器都由控制计算机的程序和指令控制，即LCoS由其LCoS程序驱动和控制，从而实现激光波长选择和幅度调节；信号收发回路、级联光开关的子阵延迟线由控制计算机指令控制其光开关的工作状态，从而实现收发系统的通路的开和关以及在子阵上延迟量；微波信号源和波形发生器、后置电子信号处理器由控制计算机控制，从而输出需要的微波信号和波形，以及后置电子信号处理器需要的控制信号。
本发明可以采用LCoS2、第一透镜3、体光栅4、第二透镜5、光纤阵列6、三端口光纤环形器7、EDFA8、第一光纤耦合器9构成基于LCoS的可调激光器阵列，其中三端口光纤环形器7、EDFA8、第一光纤耦合器9依次连接构成激光振荡回路；
来自于EDFA8的光信号依次通过三端口光纤环形器7和光纤阵列6进入第二透镜5成为准直光，然后通过体光栅4的波长分开，再经过第一透镜3照射到LCoS2上相应分区上；在该分区上的激光光斑由控制计算机1的程序对回程激光在空间两维上分别进行波长选择和强度控制，该激光通过第一光纤耦合器9输出。
本发明可以采用第一光开关10、第一电光调制器11、第二光纤耦合器12、n x1的光纤耦合器13、第二光开关16、第二电光调制器17、第三光纤耦合器18、信号发生器19、电环形器15、阵列天线14构成用于微波信号发送和接收的信号收发回路，n是天线单元数和并行处理路数。
接收通路工作(接收工作状态)时，第一电光调制器11、电环形器15、天线14依次相连，第一光开关10、第一电光调制器11、第二光纤耦合器12依次连接，该接收通路均与n x1的光纤耦合器13连接，该n x1的光纤耦合器13、第二光开关16、第三光纤耦合器18依次相连。发送通路工作(发送工作状态)时，第二电光调制器17与信号发生器19连接，第一光开关10与第二光纤耦合器12连接，该接收通路均与n x1的光纤耦合器13连接，该n x1的光纤耦合器13、第二光开关16、第二电光调制器17、第三光纤耦合器18依次相连。
本发明可以采用光子延迟线与光开关连接形成光开关子阵延迟线，两级以上光开关子阵延迟线串联形成级联光开关的子阵延迟线。以光开关子阵延迟线由五级光开关延迟线串联形成为例进行说明，即第三光开关21与第一延迟线22串联构成一级，第四光开关23与第二延迟线24串联构成二级，第五光开关25与第三延迟线26串联构成三级，第六光开关27与第四延迟线28串联构成四级，第七光开关29与第五延迟线30串联构成五级。
本发明可以采用1x2光开关31分别连接波分去复用器32、光电探测器34，该波分去复用器32连接光电探测器33，1x2光开关31、波分去复用器32、光电探测器33、光电探测器34构成波分去复用和光电转换部件。
结合图2和图3，为了实现上述光子微波相控阵收发系统，设计了一种具体的收发系统，包括控制计算机1、LCoS2、第一透镜3、体光栅4、第二透镜5、光纤阵列6、三端口光纤环形器7、EDFA(掺饵光纤放大器)8、第一光纤耦合器9、第一光开关10、第一电光调制器11、第二光纤耦合器12、n x1的光纤耦合器13、第二光开关16、第二电光调制器17、第三光纤耦合器18、信号发生器19、HDF20、级联光开关的子阵延迟线、1x2光开关31、波分去复用器32、光电探测器33、光电探测器34；所述LCoS2、第一透镜3、体光栅4、第二透镜5、光纤阵列6、三端口光纤环形器7、EDFA8、第一光纤耦合器9构成基于LCoS可调激光器阵列。天线单元14、电子环形器15、第一光开关10、第一电光调制器11、第二光纤耦合器12、n x1的光纤耦合器13、第二光开关16、第二电光调制器17、第三光纤耦合器18、信号发生器19构成用于微波信号发送和接收的信号收发回路，n是天线单元数和并行处理路数。
所述控制计算机1与LCoS2连接，三端口光纤环形器7、EDFA8、第一光纤耦合器9依次连接构成一路激光振荡回路，第一光开关10、第一电光调制器11、第二光纤耦合器12依次连接构成一路接收通路，每一路激光振荡回路连接一路接收通路，每一阵列天线(由天线单元14、电环形器15构成)与第一电光调制器11依次连接；至少有四路激光振荡回路，每路激光振荡回路均与光纤阵列6连接，各路均与n x1的光纤耦合器13连接，该n x1的光纤耦合器13、第二光开关16、第二电光调制器17、第三光纤耦合器18依次相连，在发送通路，信号发生器19与第二电光调制器17连接。
延迟线与光开关连接形成光开关子阵延迟线，两个以上光开关子阵延迟线串联形成级联光开关的子阵延迟线；第三光纤耦合器18通过HDF(高色散光纤)20与级联光开关的子阵延迟线一端连接，该级联光开关的子阵延迟线另一端与1x2光开关31连接，该1x2光开关31分别连接波分去复用器32、光电探测器34，该波分去复用器32连接光电探测器33，各光电探测器33连接一个电环形器15，各电环形器15分别连接一个天线单元14和各发送通路的电光调制器；1x2光开关31、波分去复用器32、光电探测器33、光电探测器34构成发送和接收的波分去复用和光电转换部件。
在每路激光振荡回路和接收通路开关中，来自EDFA8的光信号通过三端口光纤环形器7和光纤阵列6进入第二透镜5成为准直光，然后通过体光栅4的波长分开，再经过第一透镜3照射到LCoS2上相应分区上；在该分区上的激光光斑由控制计算机1的程序对回程激光在空间两维上分别进行波长选择和强度控制，该激光通过第一光纤耦合器9输出，进入第一光开关10，该第一光开关10由控制计算机1的指令控制其工作状态，如果是接收状态，来自天线单元14、电环形器15的信号到第一电光调制器11进行电光调制，并经过第二光纤耦合器12进入n x1的光纤耦合器13，再经过第二光开关16和第三光纤耦合器18，在通过HDF20获得单元延迟和级联光开关的子阵延迟线得到每个波长调制光信号的延迟量后，传输到1x2光开关31和光探测器34，该光探测器34的输出信号进入电子信号处理器进行电子信号处理；在发送状态，来自激光器的光信号依次与第一光开关10、第二光纤耦合器12、n x1的光纤耦合器13和第二光开关16连接，信号发生器19的微波信号和波形输入第二电光调制器17，通过第三光纤耦合器18输出并通过HDF20获得单元延迟后，经过级联光开关的子阵延迟线后得到每个波长调制光信号的延迟量，级联光开关的子阵延迟线中所有光开关与控制计算机1连接，并由控制计算机1控制，该延迟量进入1x2光开关31，然后进入波分去复用器32，并经由光电探测器33后再通过电环形器15由天线单元14发射。
结合图2，其中基于LCoS可调激光器阵列是对LCoS进行分区形成的阵列，对每一个分区的激光输出在空间一维进行波长选择，即对来自EDFA的宽带信号波长在该方向上通过程序指令进行选择，在另一维即反射波束空间定位方向通过光耦合偏置实现强度控制；LCoS在两维方向根据需要为2n个天线单元均匀分成2n个分区，以用于产生2n路的激光，n是n≥2的整数。
本发明光子微波相控阵收发系统，基于LCoS可调激光器阵列中本征具有kHz调谐速度的LCoS采用调谐激光二极管LD阵列替换，同时省去部件第一透镜3、体光栅4、第二透镜5、光纤阵列6、三端口光纤环形器7、EDFA(掺饵光纤放大器)8、第一光纤耦合器9，即控制计算机1、LCoS2、第一光开关10、第一电光调制器11、第二光纤耦合器12依次相连，其他与上述内容相同。
实施例
下面以256个天线单元的微波相控阵收发系统为例进行详细说明。采用16个LCoS执行全系统收发实时延迟信号处理，每个LCoS执行和处理对应于16个天线单元的16路光信号并完成这些光信号的波长选择和输出耦合控制的功能。每个LCoS处理的16路信号延迟用作为一个子阵内单元延迟，因此共16个子阵。这样的组合结构完成256个单元天线所需要的所有延迟量和延迟分布。
如图2所示，本发明光子微波相控阵收发系统采用具有大量像素(即在分布电压下的液晶单元)的二维LCoS，对每一边像素数目在1024或更多的LCoS的有源像素面进行16均匀分区而实现用一个LCoS产生16路激光信号。在每个分区内由计算机程序控制在一个方向上的波长调谐，而在另一个方向上控制输出耦合和光强调节，从而实现16路激光器，它们的光强度和波长都可以调节和改变，这样的结构如图2所示。
本发明设定对256个天线单元的相控阵采用本发明进行收发通路微波延迟信号处理，对于更多天线单元的相控阵系统，可采用类似方法执行(只需要增加更多的LCoS处理器、增加并行处理通路，由一台计算机控制即可实现全系统延迟调节和重构功能)。该相控阵收发系统使用16个LCoS，每个LCoS执行16个天线单元的单元可调延迟线，与级联开关子阵延迟线共同提供每个天线单元需要的总量延迟。收发通路由电环形器15、第一光开关10、第二光开关16和1×2光开关31执行收发转换，所有光开关由计算机1的指令和定时信号控制。
16路可调激光的每路由两部分组成，一部分是由分别执行光信号的波长选择和幅度控制的16个分区的LCoS2、第一透镜3和第二透镜5、体光栅4和光纤阵列6组成，这样的光学结构使得光束在其间往返传输、由体光栅4执行多波长光信号在空间的分开。
另一部分每路激光初始信号来自掺铒光纤放大器(EDFA)8，EDFA产生的光信号经由一个分配比9:1的第一光纤耦合器9、一个三端口光纤环形器7、和LCoS-第一透镜3-体光栅4-第二透镜5-光纤阵列6的光学处理结构形成激光谐振回路，该回路由一个包括EDFA8、第一光纤耦合器9和三端口光纤环形器7的单向信号环路和一个由LCoS2、第一透镜3和第二透镜5、体光栅4和光纤阵列6组成的双向信号处理结构两部分构成，其中光纤阵列6和三端口光纤环形器7起到连接这两部分的作用。
上述每路激光的波长由LCoS2和控制计算机1执行和选择需要产生的激光波长，并执行输出到光纤阵列6指定光纤端口光功率的调节。波长调节和光功率调节分别由LCoS2被划分区域上的空间二维信号处理完成，其中一维用来选择被散射光谱的波长，另一维被用来进行空间光波束定向控制，LCoS2这样的二维信号处理的工作由计算机1程序和指令控制，从而使得该技术具有时延及其分布的可调节性和可重构性。
每路产生的激光由第一光纤耦合器9的输出口进入一个由第一光开关10、第一电光调制器11和第二光纤耦合器12构成的双路结构。当系统工作在接收状态时，第一光开关10接通调制器通路，来自对应天线单元14的微波回波信号经微波环形器15到达第一电光调制器11，被微波调制的光信号从第二光纤耦合器12输出。当系统工作在发送状态时，第一光开关10接通无调制器的直通通路，激光信号直接从第二光纤耦合器12输出。第一光开关10状态由计算机的程序和指令控制。
所有16路对应于收发状态的微波调制的不同波长的激光信号传输到一个16x1的光纤耦合器13而合为一路。
来自16x1的光纤耦合器13的光信号输入到一个双路结构，即由第二光开关16、第二电光调制器17和第三光纤耦合器18构成的双路结构。当系统工作在发送状态时，第二光开关16接通调制器通路，来自信号发生器19的微波信号到达第二电光调制器17，被微波调制的光信号从第三光纤耦合器18输出。当系统工作在接收状态时，第二光开关16接通无调制器的直通通路，激光信号直接从第三光纤耦合器18输出。第二光开关16状态由计算机的程序和指令控制。
来自第三光纤耦合器18的调制光信号被输入一段HDF20，来自不同激光器的不同波长的被微波调制的光信号被延迟，其延迟量由信号波长以及HDF 20的色散参数和长度决定，结合其后的子阵延迟，达到天线单元延迟量的要求。
从HDF 20输出的光信号进入一个级联开关光纤延迟线结构即从第三光开关21、第四光开关23、第五光开关25、第六光开关27、到第七光开关29以完成16个天线单元的整体延迟即子阵延迟的选择。总延迟数目为2N个，其中N是级联的开关延迟线的数目，所以图3所示的级联开关光纤延迟线结构可提供25＝32个不同的延迟值，每个开关光纤延迟线的延迟值从第一延迟线22、第二延迟线24、第三延迟线26、第四延迟线28、到第五延迟线30分别为最小延迟值τ、2τ、3τ、4τ、和5τ，τ和N的值由相控阵系统设计的有关参数确定。计算机的程序和指令控制每一级光开关的开关状态即接通延迟线或是直接传输，从而也赋予了该延迟信号处理系统在子阵上的可重构性和可调节性。
该级联开关光纤延迟线输出信号连接一个1x2光开关31完成对产生的延迟信号进行选择传输从而用于微波信号的发送通路和接收通路。1x2光开关31状态由计算机的程序和指令控制。
当系统在发送工作状态下，1x2光开关31的输出接到一个波分去复用器32，从而输入的多波长激光信号在波分去复用器32的输出成为16路具有需要的延迟值的不同波长的激光信号。
波分去复用器32的输出分别连接到16个光电探测器33，从而光电探测器33的输出微波信号可以在放大后送至天线单元14发射出去。
当系统在接收工作状态下，1x2光开关31的输出接到一个光电探测器34。对相控阵收发系统该16个天线单元之外其它天线单元采用其它15个LCoS和如上所述的相应的其它结构进行与上述类似的延迟信号处理，这样共16路多波长延迟信号分别输入光电探测器阵列34中的对应的16个光电探测器之一，光电探测器阵列34的16路输出信号包含了对应于256个天线单元的256个不同的延迟信号，从而可以提供给后置的电子信号处理器做进一步处理并得出目标信息。

Claims (10)

1.一种光子微波相控阵收发方法，其特征在于基于LCoS可调激光器阵列产生多路波长可调激光，在电光调制器微波信号被调制，信号经过高色散光纤获得单元延迟后输入级联光开关的子阵延迟线，得到多路延迟量分布，传输到光探测器，该光探测器的输出信号进入电子信号处理器进行电子信号处理实现接收回路信号处理；获得延迟处理的信号输入波分去复用和光电转换部件后通过电环形器由天线单元发射信号实现发送回路信号处理。
2.一种光子微波相控阵收发系统，其特征在于包括基于LCoS的可调激光器阵列、信号收发回路、高色散光纤、级联光开关子阵延迟线、波分去复用和光电转换部件；
在发送通路上，信号收发回路与微波信号源和波形发生器连接，波分去复用和光电转换部件与相控阵系统的天线连接；
在接收通路上，信号收发回路与相控阵系统的天线连接，波分去复用和光电转换部件与后置电子信号处理器连接；
基于LCoS的可调激光器阵列产生多路波长可调激光，在电光调制器微波信号被调制，经过高色散光纤后输入级联光开关子阵延迟线，得到多路信号延迟量分布，再输入波分去复用和光电转换部件得到电的信号延迟量分布；
所述基于LCoS的可调激光器阵列、信号收发回路、级联光开关的子阵延迟线、微波信号源和波形发生器、后置电子信号处理器都由控制计算机的程序和指令控制，即LCoS由其LCoS程序驱动和控制，从而实现激光波长选择和幅度调节；信号收发回路、级联光开关的子阵延迟线由控制计算机指令控制其光开关的工作状态，从而实现收发系统的通路的开和关以及在子阵上延迟量；微波信号源和波形发生器、后置电子信号处理器由控制计算机控制，从而输出需要的微波信号和波形，以及后置电子信号处理器需要的控制信号。
3.根据权利要求2所述的光子微波相控阵收发系统，其特征在于LCoS(2)、第一透镜(3)、体光栅(4)、第二透镜(5)、光纤阵列(6)、三端口光纤环形器(7)、EDFA(8)、第一光纤耦合器(9)构成基于LCoS的可调激光器阵列，其中三端口光纤环形器(7)、EDFA(8)、第一光纤耦合器(9)依次连接构成激光振荡回路；
来自于EDFA(8)的光信号依次通过三端口光纤环形器(7)和光纤阵列(6)进入第二透镜(5)成为准直光，然后通过体光栅(4)的波长分开，再经过第一透镜(3)照射到LCoS(2)上相应分区上；在该分区上的激光光斑由控制计算机(1)的程序对回程激光在空间两维上分别进行波长选择和强度控制，该激光通过第一光纤耦合器(9)输出。
4.根据权利要求2所述的光子微波相控阵收发系统，其特征在于第一光开关(10)、第一电光调制器(11)、第二光纤耦合器(12)、n x1的光纤耦合器(13)、第二光开关(16)、第二电光调制器(17)、第三光纤耦合器(18)、信号发生器(19)、电环形器(15)、天线单元(14)构成用于微波信号发送和接收的信号收发回路，n是天线单元数和并行处理路数；
接收通路工作时，第一电光调制器(11)、电环形器(15)、天线(14)依次相连，第一光开关(10)、第一电光调制器(11)、第二光纤耦合器(12)依次连接，该接收通路均与n x1的光纤耦合器(13)连接，该n x1的光纤耦合器(13)、第二光开关(16)、第三光纤耦合器(18)依次相连；
发送通路工作时，第二电光调制器(17)与信号发生器(19)连接，第一光开关(10)与第二光纤耦合器(12)连接，该接收通路均与n x1的光纤耦合器(13)连接，该n x1的光纤耦合器(13)、第二光开关(16)、第二电光调制器(17)、第三光纤耦合器(18)依次相连。
5.根据权利要求2所述的光子微波相控阵收发系统，其特征在于光子延迟线与光开关连接形成光开关子阵延迟线，两个以上光开关子阵延迟线串联形成级联光开关子阵延迟线。
6.根据权利要求5所述的光子微波相控阵收发系统，其特征在于级联光开关的子阵延迟线由五级光开关子阵延迟线串联形成，即第三光开关(21)与第一延迟线(22)串联构成一级，第四光开关(23)与第二延迟线(24)串联构成二级，第五光开关(25)与第三延迟线(26)串联构成三级，第六光开关(27)与第四延迟线(28)串联构成四级，第七光开关(29)与第五延迟线(30)串联构成五级。
7.根据权利要求2所述的光子微波相控阵收发系统，其特征在于1x2光开关(31)分别连接波分去复用器(32)、光电探测器(34)，该波分去复用器(32)连接光电探测器(33)，1x2光开关(31)、波分去复用器(32)、光电探测器(33)、光电探测器(34)构成波分去复用和光电转换部件。
8.一种光子微波相控阵收发系统，其特征在于包括控制计算机(1)、LCoS(2)、第一透镜(3)、体光栅(4)、第二透镜(5)、光纤阵列(6)、三端口光纤环形器(7)、EDFA(8)、第一光纤耦合器(9)、第一光开关(10)、第一电光调制器(11)、第二光纤耦合器(12)、n x1的光纤耦合器(13)、第二光开关(16)、第二电光调制器(17)、第三光纤耦合器(18)、信号发生器(19)、HDF(20)、级联光开关的子阵延迟线、1x2光开关(31)、波分去复用器(32)、光电探测器(33)、光电探测器(34)；
所述控制计算机(1)与LCoS(2)连接，三端口光纤环形器(7)、EDFA(8)、第一光纤耦合器(9)依次连接构成一路激光振荡回路，第一光开关(10)、第一电光调制器(11)、第二光纤耦合器(12)依次连接构成一路接收通路，每一路激光振荡回路连接一路接收通路，每一阵列天线与第一电光调制器(11)依次连接；至少有四路激光振荡回路，每路激光振荡回路均与光纤阵列(6)连接，各路均与n x1的光纤耦合器(13)连接，该n x1的光纤耦合器(13)、第二光开关(16)、第二电光调制器(17)、第三光纤耦合器(18)依次相连，在发送通路，信号发生器(19)与第二电光调制器(17)连接；
延迟线与光开关连接形成光开关子阵延迟线，两个以上光开关子阵延迟线串联形成级联光开关子阵延迟线；第三光纤耦合器(18)通过HDF20与级联光开关的子阵延迟线一端连接，该级联光开关子阵延迟线另一端与1x2光开关(31)连接，该1x2光开关(31)分别连接波分去复用器(32)、光电探测器(34)，该波分去复用器(32)连接光电探测器(33)，各光电探测器(33)连接一个电环形器(15)，各电环形器(15)分别连接一个天线单元(14)；
在每路激光振荡回路和接收通路开关中，来自EDFA(8)的光信号通过三端口光纤环形器(7)和光纤阵列(6)进入第二透镜(5)成为准直光，然后通过体光栅(4)的波长分开，再经过第一透镜(3)照射到LCoS(2)上相应分区上；在该分区上的激光由控制计算机(1)的程序对回程激光在空间两维上分别进行波长选择和强度控制，该激光通过第一光纤耦合器(9)输出，进入第一光开关(10)，该第一光开关(10)由控制计算机(1)的指令控制其工作状态，如果是接收状态，来自天线单元(14)、电环形器(15)的信号到第一电光调制器(11)进行电光调制，并经过第二光纤耦合器(12)进入n x1的光纤耦合器(13)，再经过第二光开关(16)和第三光纤耦合器(18)，在通过HDF(20)获得单元延迟和级联光开关的子阵延迟线得到每个波长调制光信号的延迟量后，传输到1x2光开关(31)和光探测器(34)，该光探测器(34)的输出信号进入电子信号处理器进行电子信号处理；在发送状态，来自激光器的光信号依次与第一光开关(10)、第二光纤耦合器(12)、n x1的光纤耦合器(13)和第二光开关(16)连接，信号发生器(19)的微波信号和波形输入第二电光调制器(17)，通过第三光纤耦合器(18)输出并通过HDF(20)获得单元延迟后，经过级联光开关的子阵延迟线后得到每个波长调制光信号的延迟量，级联光开关的子阵延迟线中所有光开关与控制计算机(1)连接，并由控制计算机(1)控制，该延迟量进入1x2光开关(31)，然后进入波分去复用器(32)，并经由光电探测器(33)后再通过电环形器(15)由天线单元(14)发射。
9.根据权利要求8所述的光子微波相控阵收发系统，其特征在于基于LCoS可调激光器阵列是对LCoS进行分区形成的阵列，对每一个分区的激光输出在空间一维进行波长选择，即对来自EDFA的宽带信号波长在该方向上通过程序指令进行选择，在另一维即反射波束空间定位方向通过光耦合偏置实现强度控制；LCoS在两维方向根据需要为2n个天线单元均匀分成2n个分区，以用于产生2n路的激光，n≥2。
10.根据权利要求2或8所述的光子微波相控阵收发系统，其特征在于基于具有kHz响应速度的LCoS可调激光器阵列采用调谐激光二极管LD阵列替换。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109687920A (zh) * 2018-12-03 2019-04-26 大连理工大学 一种微波光子射频信号监测装置及方法
CN110324018A (zh) * 2019-07-25 2019-10-11 合肥本源量子计算科技有限责任公司 一种微波信号环形传输结构
CN111162844A (zh) * 2019-12-25 2020-05-15 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种用于相控阵系统的集成微波光子收发前端
CN112835060A (zh) * 2021-01-05 2021-05-25 吉林大学 一种激光收发芯片及一种激光探测器
CN113067635A (zh) * 2021-03-22 2021-07-02 中国电子科技集团公司第三十八研究所 基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置
CN113572535A (zh) * 2021-07-05 2021-10-29 北京极光星通科技有限公司 通信激光信号捕获的方法、装置以及激光通信系统
CN114257231A (zh) * 2021-12-23 2022-03-29 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种光开关阵列的校准控制电路
CN114268377A (zh) * 2021-12-31 2022-04-01 网络通信与安全紫金山实验室 一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统
CN116381597A (zh) * 2023-05-29 2023-07-04 成都唯博星辰科技有限公司 一种宽带单通道测向系统及实现方法
CN116527152A (zh) * 2023-07-03 2023-08-01 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种二维全孔径增益光学发射多波束形成系统

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101021597A (zh) * 2007-02-16 2007-08-22 浙江大学 微小相位延迟量光延迟线阵列开关
CN102896421A (zh) * 2012-07-30 2013-01-30 沈明亚 采用lcos的激光微加工系统及其加工方法
CN103281153A (zh) * 2013-06-20 2013-09-04 中央民族大学 一种基于硅基液晶的m×n端口的可重构光分插复用器
CN103532604A (zh) * 2013-09-30 2014-01-22 上海交通大学 基于光波分复用技术的可编程波束成形网络
CN103618130A (zh) * 2013-10-18 2014-03-05 中国电子科技集团公司第十研究所 嵌入式智能蒙皮天线
CN203707555U (zh) * 2013-12-27 2014-07-09 贵州大学 三腔耦合的光电振荡器
CN104092485A (zh) * 2014-05-30 2014-10-08 中国电子科技集团公司第十研究所 分布式动中通轻质赋形天线
CN104316908A (zh) * 2014-10-08 2015-01-28 上海航天电子通讯设备研究所 一种光控相控阵雷达前端的发射与接收方法及装置
CN104330939A (zh) * 2014-11-21 2015-02-04 中国科学院半导体研究所 一种sbs宽带可调谐光纤延迟系统
CN104466404A (zh) * 2014-12-24 2015-03-25 中国科学院半导体研究所 基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统
CN104730644A (zh) * 2015-03-11 2015-06-24 中央民族大学 一种基于复合硅基液晶的m×n端口roadm及其控制方法
CN105007121A (zh) * 2015-08-18 2015-10-28 深圳大学 基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置及方法
CN105026970A (zh) * 2013-01-08 2015-11-04 麻省理工学院 光学相控阵列

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101021597A (zh) * 2007-02-16 2007-08-22 浙江大学 微小相位延迟量光延迟线阵列开关
CN102896421A (zh) * 2012-07-30 2013-01-30 沈明亚 采用lcos的激光微加工系统及其加工方法
CN105026970A (zh) * 2013-01-08 2015-11-04 麻省理工学院 光学相控阵列
CN103281153A (zh) * 2013-06-20 2013-09-04 中央民族大学 一种基于硅基液晶的m×n端口的可重构光分插复用器
CN103532604A (zh) * 2013-09-30 2014-01-22 上海交通大学 基于光波分复用技术的可编程波束成形网络
CN103618130A (zh) * 2013-10-18 2014-03-05 中国电子科技集团公司第十研究所 嵌入式智能蒙皮天线
CN203707555U (zh) * 2013-12-27 2014-07-09 贵州大学 三腔耦合的光电振荡器
CN104092485A (zh) * 2014-05-30 2014-10-08 中国电子科技集团公司第十研究所 分布式动中通轻质赋形天线
CN104316908A (zh) * 2014-10-08 2015-01-28 上海航天电子通讯设备研究所 一种光控相控阵雷达前端的发射与接收方法及装置
CN104330939A (zh) * 2014-11-21 2015-02-04 中国科学院半导体研究所 一种sbs宽带可调谐光纤延迟系统
CN104466404A (zh) * 2014-12-24 2015-03-25 中国科学院半导体研究所 基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统
CN104730644A (zh) * 2015-03-11 2015-06-24 中央民族大学 一种基于复合硅基液晶的m×n端口roadm及其控制方法
CN105007121A (zh) * 2015-08-18 2015-10-28 深圳大学 基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置及方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MINGYA SHEN ET AL: "An integrated 4-f-imaging-based reconfigurable optical add-drop multiplexer employing an Opto-VLSI processor", 《2009 9TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NUMERICAL SIMULATION OF OPTOELECTRONIC DEVICES》 *
MINGYA SHEN ET AL: "Opto-VLSI-based integrated reconfigurable optical add-drop multiplexer with enhanced performance", 《2009 6TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON HIGH CAPACITY OPTICAL NETWORKS AND ENABLING TECHNOLOGIES (HONET)》 *
叶征宇等: "应用于激光雷达的光学相控阵技术", 《光电工程》 *
沈明亚，林守远: "用集成光学方法实现相控阵系统的幅相控制", 《现代雷达》 *
韩建等: "光纤激光相控阵技术的通信研究", 《光电技术应用》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109687920A (zh) * 2018-12-03 2019-04-26 大连理工大学 一种微波光子射频信号监测装置及方法
CN109687920B (zh) * 2018-12-03 2021-05-07 大连理工大学 一种微波光子射频信号监测装置及方法
CN110324018A (zh) * 2019-07-25 2019-10-11 合肥本源量子计算科技有限责任公司 一种微波信号环形传输结构
CN111162844A (zh) * 2019-12-25 2020-05-15 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种用于相控阵系统的集成微波光子收发前端
CN112835060A (zh) * 2021-01-05 2021-05-25 吉林大学 一种激光收发芯片及一种激光探测器
CN113067635A (zh) * 2021-03-22 2021-07-02 中国电子科技集团公司第三十八研究所 基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置
CN113572535A (zh) * 2021-07-05 2021-10-29 北京极光星通科技有限公司 通信激光信号捕获的方法、装置以及激光通信系统
CN114257231A (zh) * 2021-12-23 2022-03-29 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种光开关阵列的校准控制电路
CN114268377A (zh) * 2021-12-31 2022-04-01 网络通信与安全紫金山实验室 一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统
CN116381597A (zh) * 2023-05-29 2023-07-04 成都唯博星辰科技有限公司 一种宽带单通道测向系统及实现方法
CN116381597B (zh) * 2023-05-29 2023-08-25 成都唯博星辰科技有限公司 一种宽带单通道测向系统及实现方法
CN116527152A (zh) * 2023-07-03 2023-08-01 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种二维全孔径增益光学发射多波束形成系统
CN116527152B (zh) * 2023-07-03 2023-09-08 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种二维全孔径增益光学发射多波束形成系统

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