CN106209249A - 基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波光子技术的宽带双啁啾雷达脉冲发生器，可用于脉冲压缩雷达领域。该雷达脉冲发生器将锁模激光器输出的飞秒光脉冲分为三路，分别经历不同的色散器件和延时器件，最后通过光合路器合并在一起，并在高速光电探测器探测时相互干涉，最终产生宽带双啁啾雷达脉冲。本发明使用了微波光子的方法产生啁啾脉冲，使得输出脉冲具有较大的带宽，以利于提升脉冲压缩雷达的距离分辨率；产生脉冲中心频率可由电控光纤延时线的延时量决定，具有可调谐的特性；同时该装置也具有低损耗，抗电磁干扰的优良特性。

Description

基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器

技术领域

本发明涉及到微波光子领域以及现代脉冲雷达领域，具体涉及基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器

背景技术

在现代脉冲压缩雷达系统中，雷达需要发射一类时间与带宽都比较大的脉冲。在接收到雷达脉冲回波后进行匹配滤波处理。经过匹配滤波处理后的脉冲将被压缩，通过对压缩后的回波进行处理分析，可以获得目标的距离和速度信息。在雷达系统中，最终可以获得的目标位置的分辨率(Range resolution)与发射脉冲的带宽成正比，目标的多普勒速度分辨率(Doppler resolution)则与脉冲的时间长度成正比，因此这类脉冲需要同时具有较大的时间以及带宽。为实现这一点，所发射的脉冲波形往往为线性啁啾脉冲或二相编码脉冲。

使用传统的电子学方式产生的线性啁啾脉冲或二相编码脉冲往往带宽受到限制，很难达到GHz以上。这主要是受限于电子倍频混频器件带宽的限制。采用微波光子学技术，可以突破这一限制，产生很大带宽的线性啁啾脉冲，可以有效的提升脉冲压缩雷达的距离分辨率。Zeitouny于2005年首次提出了使用微波光子技术产生宽带现行啁啾脉冲的方法。(Zeitouny,Avi,et al."Optical generation of linearly chirped microwave pulsesusing fiber Bragg gratings."IEEE photonics technology letters 17(2005):660-662.)这种方法使用了一对色散量不同的光纤布拉格光栅以及一个光延时线，在被分为两路的超短光脉冲中分别引入了不同的啁啾和延时，最后在光电探测时发生干涉，产生了线性啁啾脉冲。

然而，在线性啁啾脉冲应用到雷达系统中，又出现了新的问题：距离-多普勒耦合现象。当存在多普勒失配时，雷达接收到的回波信号经过匹配滤波器时并不能正确的反应目标的位置。因为目标的移动速度导致的多普勒频移会同时引起时间轴上，输出脉冲的峰值移动，从而导致对输出目标距离探测失准。为解决这种问题，可以采用一对互补的啁啾脉冲，构成双啁啾信号来进行发射，达到消除失准的目的(K.Iwashita,T.Moriya,N.Tagawa,and M.Yoshizawa,“Doppler measurement using a pair of FM-chirp signals,”inProc.IEEE Symp.Ultrason.,Honolulu,HI,USA,Oct.2003,pp.1219–1222.)。

目前Dan Zhu等人使用了微波光子学的方式来产生双啁啾的脉冲信号。(Zhu,Dan,and Jianping Yao."Dual-Chirp Microwave Waveform Generation Using a Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator."IEEE Photonics technology letters 27.13(2015):1410-1413.)他们使用了一个信号发生器来产生单啁啾的脉冲。将此单啁啾脉冲和一个射频单频信号同时输入到双平行调制器进行调制，探测后，在输出端得到了X波段，频率为2GHz的双啁啾脉冲。然而这种方法需要一个高频率的射频源(10GHz)射频信号源，同时所产生的脉冲带宽受到电子信号发生器的限制，依旧无法达到较高的带宽，也无法实现很高的距离分辨率。

因此，为了达到较高的距离分辨率，并消除距离-多普勒耦合对雷达探测的影响，宽带双啁啾雷达脉冲发生器是一种在脉冲压缩雷达系统中所需要的重要设备。

发明内容

本发明的目的是克服传统雷达脉冲发生设备带宽较小，中心频率较低，难以调谐等缺点，提供一种基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生装置。

本发明解决其技术问题采用的解决方案是：

基于微波光子技术的宽带双啁啾雷达脉冲发生器，锁模激光器与光分路器通过光纤相连，光分路器输出分为三路：第一路通过第一光学色散器件；第二路依次通过第二光学色散器件以及电控光纤延时线；第三路通过第三光学色散器件；各路中器件通过光纤相连，并且三路最终均接入到光合波器的输入端，光合波器的输出端口通过光纤连接到高速光电探测器的光输入端口，高速光电探测器和射频高通滤波器通过射频线缆相连接，最终产生的脉冲由射频高通滤波器的输出端口输出。

在此宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器中，锁模激光器和光分路器通过光纤线缆连接，将锁模激光器发射的超短光脉冲分为三路，分别在不同的光学色散器件中经历不同的色散，并使用电控光延时线调节其中一路的延时。随后三路脉冲通过光纤线缆输入到光合波器中耦合为一路。合波器输出端与高速光电探测器相连接，使三路脉冲发生相互干涉和光电转换。高速光电探测器输出的射频信号经过射频高通滤波器后摒除不需要的低频成分，最终产生所需要的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲。

所述的三路中的光学色散器件具有不同的色散量，且具有相同的传输延时。三路中光学色散器件的色散量呈现一定的数量关系。

所述的第一光学色散器件、第二光学色散器件、第三光学色散器件的色散量符合以下数量关系：光学色散器件的色散量绝对值大于光学色散器件的色散量绝对值，且光学色散器件的色散量绝对值大于光学色散器件的色散量绝对值；光学色散器件与光学色散器件色散量之间的倒数差的绝对值等同于光学色散器件与光学色散器件色散量之间的倒数差的绝对值。即：若三路色散量分别为则需满足且最终输出脉冲的带宽由的值决定。

所述的电控光延时线具有可调谐的延时。最终输出脉冲的中心频率有此延时量决定。所述的射频高通滤波器的中心频率需与由电控光延时线的延时量决定的中心频率相匹配。

所述的光分路器、光合波器以及高速光电探测器的工作频带需要包含锁模激光器的3dB带宽范围。所述的光电探测器的输出带宽需要大于所设计的双啁啾脉冲的最大频率值。这一频率值有光色散器件的色散量间相对关系，以及可调光延时线的延时共同决定。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述雷达脉冲发生器的基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲控制方法，具体为：锁模激光器产生超短光脉冲分路后，在第一光学色散器件、第二光学色散器件、第三光学色散器件中经历不同的色散产生啁啾，并由电控光延时线产生不同的延时，最后经过光合波器和高速光电探测器时相互干涉，最终产生宽带双啁啾雷达脉冲，射频高通滤波器用以去除最终产生脉冲的低频成分，只保留所需的双啁啾脉冲。

最终产生的宽带双啁啾雷达脉冲的中心频率由电控光延时线延时量和第二光色散器件色散量的比值决定。最终产生的宽带双啁啾雷达脉冲的带宽由第一光学色散器件与第二光学色散器件之间的色散量倒数差的绝对值决定。

与传统的双啁啾雷达脉冲发生器相比，本发明使用微波光子技术产生啁啾脉冲，具有大带宽，高中心频率，可调谐等特点，是一种可应用于高性能脉冲压缩雷达的实用方案。

附图说明

图1是本发明提供的基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器结构图；

图2是本发明提供的基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器的工作原理示意图。

图中：锁模激光器1、光分路器2、第一光色散器件3、第二光色散器件4、电控光延时线5、第三光色散器件6、光合波器7、高速光电探测器8、射频高通滤波器9和输出端口10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

图1中展示了基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器结构。锁模激光器1发射的脉冲为超短飞秒脉冲，经过光分路器2后分为a、b、c三路。分别通过第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6，使得超短飞秒脉冲成为了啁啾脉冲。其中在b路中的脉冲还经历了电控光延时线5。因此，脉冲在a、b、c三路引入不同啁啾和延时。再随后三路脉冲通过光合波器7合并为一路，并通过光纤连接到高速光电探测器8的光输入端口中进行光电转换。此过程中三路脉冲之间发生了相互干涉，产生了双啁啾脉冲。高速光电探测器8和射频高通滤波器9通过射频线缆相连接，射频高通滤波器9用以去除最终产生脉冲的低频成分，只保留所需的双啁啾脉冲。最终产生的脉冲由射频高通滤波器9的输出端口10输出。

此系统的工作原理如图2所示。图2种分别用点线、虚线和点划线表示了a、b、c三路中，分别经过不同的色散器件和延时器件后的啁啾脉冲的啁啾特性。图中①～③含义为：①a路与b路脉冲相干涉产生输出脉冲的正啁啾部分(频率随时间增加)，②b路与c路脉冲相干涉产生输出脉冲的负啁啾部分(频率随时间减少)，③a路与c路脉冲相干涉产生输出脉冲的低频部分，被滤波器滤除。可以看出，三路光脉冲的啁啾率均不相同，啁啾率分别由第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6的色散量的倒数决定。在进入光电探测器探测后。a路脉冲与b路脉冲之间发生干涉，所产生的脉冲频率为两啁啾脉冲的频率特性差值的绝对值。可以看出，这两路脉冲干涉所产生的脉冲为频率随时间增大的正啁啾脉冲。同理b路脉冲与c路脉冲之间发生干涉，产生频率随时间减小的负啁啾脉冲。这一对正负啁啾脉冲啁啾率大小相同，且在时间上叠加，构成双啁啾脉冲。而a路脉冲与c路脉冲相干涉产生一个中心频率为0的V型调频脉冲，频率较低，在系统中将被射频高通滤波器9滤除。

在本实施例中，光分路器2和光合波器7可分别由1×3光耦合器以及3×1光耦合器实现。第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6可分别使用具有不同色散量的啁啾光纤布拉格光栅实现。若第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6的色散量分别为电控光延时线5的延时为τ,则最终产生脉冲的中心频率f_center和带宽B分别为：

$f_{center}=\mathrm{\τ}/2\mathrm{\π}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Φ}}}_b$

$B=\frac{1}{2\mathrm{\π}}(\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Φ}}}_b}-\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Φ}}}_a})\·\mathrm{\Δ}T$

其中ΔT为输出脉冲宽度，由锁模激光器1的脉冲宽度，第二光色散器件4的色散量以及电控光延时线5的延时量共同决定。

例如，若锁模激光器1所产生的脉冲半高全宽为1ps，中心波长为1550nm。要产生一个中心频率50GHz,带宽30GHz的双啁啾脉冲，第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6的色散量应分别为420ps²,426.3ps²以及432.8ps²。电控光延时线5的延时量为134ps。最终输出脉冲宽度约为5.6ns。光分路器2以及光合波器7，高速光电探测器8均应工作在C+L波段。光电探测器8的输出带宽应大于65GHz，射频高通滤波器9的截止频率约为30GHz。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于微波光子技术的宽带双啁啾雷达脉冲发生器，其特征在于，锁模激光器(1)与光分路器(2)通过光纤相连，光分路器(2)输出分为三路：第一路通过第一光学色散器件(3)；第二路依次通过第二光学色散器件(4)以及电控光纤延时线(5)；第三路通过第三光学色散器件(6)；各路中器件通过光纤相连，并且三路最终均接入到光合波器(7)的输入端，光合波器(7)的输出端口通过光纤连接到高速光电探测器(8)的光输入端口，高速光电探测器(8)和射频高通滤波器(9)通过射频线缆相连接，最终产生的脉冲由射频高通滤波器(9)的输出端口输出。

2.如权利要求1所述的基于微波光子技术的宽带双啁啾雷达脉冲发生器，其特征在于，所述的第一光学色散器件(3)、第二光学色散器件(4)、第三光学色散器件(6)具有不同的色散量，且具有相同的传输延时。

3.如权利要求2所述的基于微波光子技术的宽带双啁啾雷达脉冲发生器，其特征在于，所述的第一光学色散器件(3)、第二光学色散器件(4)、第三光学色散器件(6)的色散量符合以下数量关系：光学色散器件(3)的色散量绝对值大于光学色散器件(4)的色散量绝对值，且光学色散器件(4)的色散量绝对值大于光学色散器件(6)的色散量绝对值；光学色散器件(3)与光学色散器件(4)色散量之间的倒数差的绝对值等同于光学色散器件(4)与光学色散器件(6)色散量之间的倒数差的绝对值。

4.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲发生器，其特征在于：所述的电控光延时线(5)为电控可调延时线。

5.一种利用权利要求1所述雷达脉冲发生器的基于微波光子技术的宽带可调谐双啁啾雷达脉冲控制方法，其特征在于，锁模激光器(1)产生超短光脉冲分路后，在第一光学色散器件(3)、第二光学色散器件(4)、第三光学色散器件(6)中经历不同的色散产生啁啾，并由电控光延时线(5)产生不同的延时，最后经过光合波器(7)和高速光电探测器(8)相互干涉，最终产生宽带双啁啾雷达脉冲，射频高通滤波器(9)用以去除最终产生脉冲的低频成分，只保留所需的双啁啾脉冲。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，最终产生的宽带双啁啾雷达脉冲的中心频率由电控光延时线(5)延时量和第二光色散器件(4)色散量的比值决定。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，最终产生的宽带双啁啾雷达脉冲的带宽由第一光学色散器件(3)与第二光学色散器件(4)之间的色散量倒数差的绝对值决定。