CN107589415A - 微波光子宽带雷达成像芯片、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波光子宽带雷达成像芯片，属于集成微波光子技术领域。本发明通过光子集成技术将微波光子宽带成像雷达的发射端和接收端集成到同一个芯片上，该芯片集成有以下光子组件：半导体激光器、第一1×2光耦合器、马赫增德尔调制器、光衰减器、光移相器、2×1光耦合器、第二1×2光耦合器、发射端光电探测器、相位调制器、接收端光电探测器；各光子组件间通过光波导连接。本发明还公开了一种微波光子宽带雷达成像系统。本发明能够在光域产生宽带成像雷达的高频宽带线性调频发射信号，并能够利用微波光子混频技术将回波解调至中频或基带，从而能够实现高分辨率目标成像的实时处理。本发明具有体积小、集成度高、稳定性好、成本低等优点。

Description

微波光子宽带雷达成像芯片、系统

技术领域

本发明涉及一种微波光子宽带雷达成像芯片，属于集成微波光子技术领域。

背景技术

为了满足无人机、无人驾驶汽车和快速安全检查等领域对动态目标进行快速有效识别的需求，高分辨率的实时成像雷达系统受到深入的研究和探索。为了实现高分辨率的实时成像，要求雷达的探测信号有很大的带宽，且能够对回波信号进行快速处理。在雷达信号发射端，基于传统电子技术难以产生高频宽带的线性调频信号，无法满足高分辨率成像的需求。为了克服电子学方法的缺点，基于光子技术产生高频宽带线性调频信号的方法被提出并逐渐成为研究热点。在雷达信号的接收端，受限于电子器件的瓶颈，对高频宽带的回波信号难以进行快速处理，无法满足实时成像的需求，基于传统电子技术对高频宽带信号进行下变频同样十分困难。基于光子技术的下变频方法是解决这一问题的有效途径，同样受到了很多关注。

近几年，国内外的研究先后报道了采用光子辅助技术的成像雷达系统，即微波光子雷达成像系统。意大利电信全国校际联盟(CNIT)报道了采用锁模激光器作为光源的成像雷达系统(Laghezza F,Scotti F,Onori D,et al.ISAR imaging of non-cooperativetargets via dual band photonics-based radar system[C]//Radar Symposium(IRS),2016 17th International.IEEE,2016:1-4.)，在该系统中需要额外的电滤波器来选取所需频段的发射信号，而且选用锁模激光器作为光源，使得系统成本大幅上升。清华大学报道了接收机采用光子模数转换器的成像雷达系统(Xiao X,Li S,Chen B,et al.A MicrowavePhotonics-based Inverse Synthetic Aperture Radar System[C]//CLEO:Science andInnovations.Optical Society of America,2017:JW2A.144.)，该方案所使用的光子模数转换器的分辨率只有4-bit，无法满足高分辨率成像的需求。中科院电子所报道了采用光偏振解复用相干接收机的成像雷达系统(Li R,Li W,Ding M,et al.Demonstration of amicrowave photonic synthetic aperture radar based on photonic-assisted signalgeneration and stretch processing[J].Optics Express,2017,25(13):14334-14340.)，该方案的接收机和发射机采用了2个独立的光源，接收机采用双偏振双平行马赫增德尔调制器和光偏振解复用相干接收机，系统复杂，操控调节参数多。南京航空航天大学报道了接收机和发射机共用一个光源的成像雷达系统(Zhang F,Guo Q,Wang Z,etal.Photonics-based broadband radar for high-resolution and real-time inversesynthetic aperture imaging[J].Optics Express,2017,25(14):16274-16281.)，该方案通过控制双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)的参数产生只含有正负2阶边带的光信号，正负2阶边带被分别送入发射机和接收机，在发射机中，正负2阶边带通过拍频产生4倍频的宽带线性调频发射信号，在接收机中，正负2阶边带作为光载波，利用微波光子混频技术将发射信号的回波解调至中频或基带，从而满足实时成像的需求。在上述方案中，需要使用电子90°桥接器将电信号分成两路，分别加载到DPMZM的两个射频输入口，为了产生正负2阶边带，需要在DPMZM上施加3个直流偏置电压，为了克服偏置电压漂移的问题，需要配置专门的偏压控制电路，这些因素导致控制变量多，系统复杂，体积大。

根据以上分析可知，无论采用了何种光子辅助技术，现有的微波光子成像雷达方案都是基于分立光电器件，激光器、调制器、耦合器、探测器等光电器件通过光纤相连接，具有结构复杂、体积大、控制参数多、稳定性差、成本高等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子宽带雷达成像芯片，将雷达信号的发射和接收装置集成在同一个芯片上，从而减小装置体积、提高系统稳定性并大幅降低成本。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子宽带雷达成像芯片，所述芯片上集成有以下光子组件：半导体激光器、第一1×2光耦合器、马赫增德尔调制器、光衰减器、光移相器、2×1光耦合器、第二1×2光耦合器、发射端光电探测器、相位调制器、接收端光电探测器；各光子组件间通过光波导连接；半导体激光器的输出端连接第一1×2光耦合器输入端，第一1×2光耦合器的上路输出端连接马赫增德尔调制器的输入端，马赫增德尔调制器的输出端连接2×1光耦合器的上路输入端，第一1×2光耦合器的下路输出端连接光衰减器的输入端，光衰减器的输出端连接光移相器的输入端，光移相器的输出端连接2×1光耦合器的下路输入端，2×1光耦合器的输出端连接第二1×2光耦合器的输入端，第二1×2光耦合器的上输出端连接发射端光电探测器的输入端，第二1×2光耦合器的下输出端连接相位调制器的输入端，相位调制器的输出端连接接收端光电探测器的输入端；由第一1×2光耦合器、马赫增德尔调制器、光衰减器、光移相器、2×1光耦合器所组成的子单元输出载波抑制的正、负2阶边带信号；发射端光电探测器的工作频率大于4f₀+4kτ，所述相位调制器的工作频率大于4f₀+4k(τ+Δτ_max)，接收端光电探测器的工作频率大于4kΔτ_max且小于4f₀，其中，f₀为所述马赫增德尔调制器的微波输入端所输入线性调频信号载频的起始频率，τ为线性调频信号的脉冲宽度，k为线性调频信号的调频斜率，Δτ_max为雷达探测距离内的回波信号和发射信号间的最大延时。

优选地，所述第一1×2光耦合器、第二1×2光耦合器及2×1光耦合器为多模干涉结构，或y分支结构，或定向耦合器结构。

优选地，所述光衰减器为马赫增德尔干涉型光衰减器、PN结型光衰减器或微环衰减器。

优选地，所述光移相器为热光移相器、电光移相器或PN结型光移相器。

优选地，所述半导体激光器为分布式反馈激光器。

优选地，该芯片使用硅基光子集成方法或磷化铟基光子集成方法制造。

在上述技术方案基础上可还可进一步得到以下技术方案：

一种微波光子宽带雷达成像系统，包括发射天线、接收天线、数据处理装置以及如上任一技术方案所述微波光子宽带雷达成像芯片；发射天线与所述发射端光电探测器的输出端连接，接收天线与相位调制器的微波信号输入端连接，数据处理装置用于对接收端光电探测器的输出信号进行成像处理。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可以在一颗芯片上实现基于光子技术产生高频宽带线性调频信号和基于光子技术进行下变频的两项功能，能够满足雷达成像高分辨率和实时处理的需求；

本发明在一个芯片上集成了半导体激光器、光耦合器、马赫增德尔调制器、光衰减器、光移相器、相位调制器、光电探测器等组件，在体积、稳定性、功耗等多个方面具有显著优势；

本发明在雷达信号发射端，采用单个马赫增德尔调制器、光移相器和光衰减器产生高频宽带线性调频发射信号，与传统DPMZM的方法相比，结构更加简单、只需输入单个信号、控制参数更少。通过精确控制接收端光电探测器工作频率，无需额外光滤波器即可实现微波光子混频，从而使得芯片结构更加简单。

附图说明

图1为本发明微波光子宽带雷达成像系统的结构原理示意图；图中各标号含义如下：

1、半导体激光器，2、光波导，3、第一1×2光耦合器，4、马赫增德尔调制器，5、光衰减器，6、光移相器，7、2×1光耦合器，8、第二1×2光耦合器，9、发射端光电探测器，10、相位调制器，11、接收端光电探测器；

图2为本发明微波光子宽带雷达成像芯片中载波抑制的正、负2阶边带调制实现原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1为本发明所提出微波光子宽带雷达成像系统的结构原理示意图，如图所示，其包括：发射天线、接收天线、数据处理装置以及微波光子宽带雷达成像芯片。所述微波光子宽带雷达成像芯片上集成有以下光子组件：半导体激光器1、第一1×2光耦合器3、马赫增德尔调制器4、光衰减器5、光移相器6、2×1光耦合器7、第二1×2光耦合器8、发射端光电探测器9、相位调制器10、接收端光电探测器11；各光子组件间通过光波导2连接；半导体激光器1的输出端连接第一1×2光耦合器3输入端，第一1×2光耦合器3的上路输出端连接马赫增德尔调制器4的输入端，马赫增德尔调制器4的输出端连接2×1光耦合器7的上路输入端，第一1×2光耦合器3的下路输出端连接光衰减器5的输入端，光衰减器5的输出端连接光移相器6的输入端，光移相器6的输出端连接2×1光耦合器7的下路输入端，2×1光耦合器7的输出端连接第二1×2光耦合器8的输入端，第二1×2光耦合器8的上输出端连接发射端光电探测器9的输入端，第二1×2光耦合器8的下输出端连接相位调制器10的输入端，相位调制器10的输出端连接接收端光电探测器11的输入端。如图1所示，发射天线与发射端光电探测器9的输出端连接，接收天线与相位调制器10的微波信号输入端连接，数据处理装置用于对接收端光电探测器11的输出信号进行成像处理。

本发明微波光子宽带雷达成像芯片采用由第一1×2光耦合器3、马赫增德尔调制器4、光衰减器5、光移相器6、2×1光耦合器7所组成的子单元来产生高频宽带线性调频发射信号。相比传统DPMZM的方案，其结构更加简单，且只需输入单个信号、控制参数更少，因此更适合微波光子集成。图2显示了该子单元的调制原理。为了便于公众理解，下面从理论上对本发明技术方案进行进一步详细说明。

本发明技术方案中的半导体激光器可以采用但不限于分布式反馈(DFB)半导体激光器结构，假设其发出1550nm波段单纵模光载波f_c。光载波可以表示为：

E_in＝A expi(2πf_ct)

其中，A为光载波幅度。

第一1×2光耦合器将光载波分成相等功率的两路，上路输入马赫增德尔调制器，下路输入光衰减器。该光耦合器可以采用但不限于多模干涉结构、y分支结构、定向耦合器结构。第一1×2光耦合器的输出信号可以表示为：

在马赫增德尔调制器中，低频线性调频信号f_IF(t)＝f₀+kt(0≤t≤τ)被调制到光载波f_c上，f₀为该线性调频信号f_IF(t)载频的起始频率，τ为线性调频信号f_IF(t)的脉冲宽度，k为线性调频信号f_IF(t)的调频斜率。在小信号调制下，通过调节该调制器的直流偏置电压，使得输出光信号仅含有光载波f_c、正2阶边带f_c+2f₀+2kt和负2阶边带f_c-2f₀-2kt；

其中γ是调制器的调制深度，J_n(γ)是n阶贝塞尔函数的系数。

在光衰减器中，通过调节光衰减器的驱动电流，改变输出信号的光强，输出信号为

光衰减器可以采用但不限于马赫增德尔干涉型光衰减器、微环光衰减器和PN结型光衰减器。光衰减器的输出端与光移相器的输入端相连。

在光移相器中，通过调节光移相器的驱动电流，使得输入的光信号发生π相移，输出信号可以表示为

光移相器可以采用但不限于热光移相器、电光移相器和PN结型光移相器，从而改变光信号相位。

2×1光耦合器的上路输入端口与马赫增德尔调制器的输出端相连，2×1光耦合器的下路输入端口与光移相器的输出端相连。该光耦合器可以采用但不限于多模干涉结构、y分支结构、定向耦合器结构。该光耦合器的输出信号可以表示为

从上式子可以看出，输出信号仅含有输出光信号正2阶边带f_c+2f₀+2kt和负2阶边带f_c-2f₀-2kt。

第二1×2光耦合器的输入端与2×1光耦合器的输出端相连，将2×1光耦合器的输出信号分成相等功率的2路。该光耦合器可以采用但不限于多模干涉结构、y分支结构、定向耦合器结构。上下两路的输出端的信号可以表示为:

发射端光电探测器的输入端与第二个1×2光耦合器上路输出端相连。该光电探测器的工作频率大于4f₀+4kτ。光信号在该光电探测器中的拍频响应可以表示为

P_功率∝|E_{out-耦合器3上端口}|²∝expi(2π(4f₀+4kt)t)

产生f_IF(t)的4倍频信号4f₀+4kt，通过发射天线发射到自由空间，进行目标探测；为了探测到信号，该光电探测器的带宽大于4f₀+4kτ。

相位调制器的输入端与光耦合器下路输出端相连，相位调制器工作频率大于4f₀+4k(τ+Δτ_max)，Δτ_max为雷达探测距离内的回波信号和发射信号间的最大延时。输入光信号为fc+2f₀+2kt和fc-2f₀-2kt，调制信号为发射天线发射到自由空间的线性调频信号4f₀+4kt的回波信号4f₀+4k(t+Δτ)(Δτ为回波信号和发射信号间的延时)，输出光信号为：f_c+2f₀+2kt，其对应正1阶边带f_c+6f₀+6kt+4kΔτ，负1阶边带f_c-2f₀-2kt-4kΔτ，f_c-2f₀-2kt，其对应正1阶边带f_c+2f₀+2kt+4kΔτ，负1阶边带f_c-6f₀-6kt-4kΔτ；

接收端光电探测器的输入端与相位调制器的输出端相连，通过控制接收端光电探测器的掺杂浓度，使得接收端光电探测器的工作频率大于4kΔτ_max且小于4f₀，使得只有f_c+2f₀+2kt和f_c+2f₀+2kt+4kΔτ的可以在接收端光电探测器拍频产生电信号，解调出线性调频信号Δf＝4kΔτ。

Claims (7)

1.一种微波光子宽带雷达成像芯片，其特征在于，所述芯片上集成有以下光子组件：半导体激光器、第一1×2光耦合器、马赫增德尔调制器、光衰减器、光移相器、2×1光耦合器、第二1×2光耦合器、发射端光电探测器、相位调制器、接收端光电探测器；各光子组件间通过光波导连接；半导体激光器的输出端连接第一1×2光耦合器输入端，第一1×2光耦合器的上路输出端连接马赫增德尔调制器的输入端，马赫增德尔调制器的输出端连接2×1光耦合器的上路输入端，第一1×2光耦合器的下路输出端连接光衰减器的输入端，光衰减器的输出端连接光移相器的输入端，光移相器的输出端连接2×1光耦合器的下路输入端，2×1光耦合器的输出端连接第二1×2光耦合器的输入端，第二1×2光耦合器的上输出端连接发射端光电探测器的输入端，第二1×2光耦合器的下输出端连接相位调制器的输入端，相位调制器的输出端连接接收端光电探测器的输入端；由第一1×2光耦合器、马赫增德尔调制器、光衰减器、光移相器、2×1光耦合器所组成的子单元输出载波抑制的正、负2阶边带信号；发射端光电探测器的工作频率大于4f₀+4kτ，所述相位调制器的工作频率大于4f₀+4k(τ+Δτ_max)，接收端光电探测器的工作频率大于4kΔτ_max且小于4f₀，其中，f₀为所述马赫增德尔调制器的微波输入端所输入线性调频信号载频的起始频率，τ为线性调频信号的脉冲宽度，k为线性调频信号的调频斜率，Δτ_max为雷达探测距离内的回波信号和发射信号间的最大延时。

2.如权利要求1所述微波光子宽带雷达成像芯片，其特征在于，所述第一1×2光耦合器、第二1×2光耦合器及2×1光耦合器为多模干涉结构，或y分支结构，或定向耦合器结构。

3.如权利要求1所述微波光子宽带雷达成像芯片，其特征在于，所述光衰减器为马赫增德尔干涉型光衰减器、PN结型光衰减器或微环衰减器。

4.如权利要求1所述微波光子宽带雷达成像芯片，其特征在于，所述光移相器为热光移相器、电光移相器或PN结型光移相器。

5.如权利要求1所述微波光子宽带雷达成像芯片，其特征在于，所述半导体激光器为分布式反馈激光器。

6.如权利要求1所述微波光子宽带雷达成像芯片，其特征在于，该芯片使用硅基光子集成方法或磷化铟基光子集成方法制造。

7.一种微波光子宽带雷达成像系统，其特征在于，包括发射天线、接收天线、数据处理装置以及如权利要求1～6任一项所述微波光子宽带雷达成像芯片；发射天线与所述发射端光电探测器的输出端连接，接收天线与相位调制器的微波信号输入端连接，数据处理装置用于对接收端光电探测器的输出信号进行成像处理。