CN108303689A - 一种光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置，包括天线阵列、激光器、第一波分复用器、电光调制器、光纤延迟线、和差开关、第二波分复用器以及光电探测器；对应于某一目标波束信号，天线阵列的波束接收信号根据波长来分配该天线阵列的激光传输光路，再通过光控子阵中的和差开关产生两路完全软件可编程的差波束信号，可以选择任意阵列天线的输出波束用于生成差波束中的同向或反向相加结构，这样大大提高了合成和差波束的动态与灵活性，有利于航天目标导航与控制，也是全空域动态可重构光控波束形成技术的一项关键。

Description

一种光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置

技术领域

本发明属于雷达阵列技术领域，具体涉及一种光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置。

背景技术

阵列信号处理是信号处理领域的一个重要分支，它的应用涉及雷达、声呐、地震勘测以及电子医疗工程等多种国民经济和军事应用领域。相控阵雷达即相位控制电子扫描雷达，与传统雷达的区别在于其采用了相控阵天线，由多个天线阵元组成，通过改变每个阵元馈电的幅度和相位，可以实现天线波束的扫描。而传统的相控阵天线采用电控移相器来改变每个阵元的相位，在信号瞬时带宽较大时将会存在孔径渡越时间的限制，同时伴随孔径渡越时间的还有波束指向的频率色散效应，既波束偏斜现象。这两个现象大大限制了传统相控阵天线的带宽，解决这个问题的方法是采用真时延移相网络来代替传统移相器，即采用时间延迟来形成相位梯度变化，补偿孔径渡越时间，使得不同频率波束指向一致，拓展了阵列雷达系统的工作带宽。

为了有效目标跟踪与实现目标导航测控，和差波束信号的有效产生非常关键；和差波束形成多应用于雷达天线，在一个角平面范围内形成两个部分重叠的方向性函数相同的波束，将两个波束进行和差处理得到和波束与差波束，进一步利用这两个波束进行处理可以提高系统性能，既可以在不增大雷达天线尺寸的条件下采用和差波瓣压缩技术来提高雷达对目标的分辨能力，也可以对和差波束两个通道的信号进行空域自适应处理，有效抑制旁瓣杂波。随着数字波束形成技术的发展，和差波束将不断应用于雷达、通信、声纳等各个领域。而传统的单脉冲和差波束器结构单一，难以按照实际的需求生成相对应的和差波束信号，影响了阵列天线系统的灵活性。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置，该装置设在光控子阵内，阵列天线的波束信号经多波长光载波通路并通过和差开关产生灵活多变，完全动态可重构的和差信号波束输出。

一种光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置，包括：天线阵列、激光器、第一波分复用器、n个电光调制器、n个光纤延迟线、和差开关组、第二波分复用器以及光电探测器，n为大于1的自然数；其中：

所述天线阵列由n个天线呈阵列排布组成，所述天线用于接收雷达信号；

所述激光器用于产生具有n个不同波长的光束；

所述第一波分复用器用于将该光束分解成n个对应各自波长的子光束；

所述电光调制器用于将对应天线接收到的雷达信号调制到对应的子光束上；

所述光纤延迟线用于调整对应携带有雷达信号子光束的时间延迟，并将该子光束上雷达信号的波束指向角调整至目标角度后输出；

所述和差开关组包含有n个和差开关，所述和差开关接收对应光纤延迟线输出的子光束从而产生一路和差信号，所述和差信号具有三类：I类为携带有雷达信号且其波束指向角为目标角度的子光束，II类为携带有雷达信号且其波束指向角为目标角度±π的子光束，III类为空信号即不输出子光束；

所述第二波分复用器用于将和差开关组输出的n路和差信号合成为一束光；

所述光电探测器用于探测该束光并将其转换成射频信号。

进一步地，所述和差开关由两个光开关K1～K2和两根长度不同光纤L1～L2组成，其中光开关K1的输入管脚与对应的光纤延迟线连接，光开关K1的第一输出管脚与光纤L1的一端相连，光纤L1的另一端与光开关K2的第一输入管脚相连，光开关K1的第二输出管脚与光纤L2的一端相连，光纤L2的另一端与光开关K2的第二输入管脚相连，光开关K2的输出管脚与第二波分复用器相连，光开关K1和K2的控制管脚接外部设备提供的开关切换信号。

进一步地，两根光纤L1～L2的长度差ΔL＝v×Δτ，v为光在光纤中的传播群速度即v＝c/n，Δτ＝π/2πf，f为雷达信号的频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率。

进一步地，所述光开关K1和K2采用MEMS光开关或磁光开关。

进一步地，所述激光器采用多波长阵列激光器。

进一步地，所述电光调制器采用宽带马赫-曾德尔强度调制器。

进一步地，所述光纤延迟线采用光控多级延迟控制线。

进一步地，所述光电探测器采用宽带光电探测器。

本发明装置实现和差波束的动态重构方法为：n个光载波雷达信号分别经过每条支路上的和差开关，由于该和差开关内部另有两条光支路相差π的相移，通过计算机控制和差开关的闭合，人为选择通过开关内部的某一支路或两条支路都不通过，使在该和差开关后产生相对于合成波束信号的同向、反向或零合成，因此n个变化后的波束信号通过波分复用器的合成即能产生实际所需的差波束，从而实现和差波束的动态可重构。

本发明装置采用和差开关实现和差波束的动态可重构，且产生差波束信号完全软件可编程，大大提高了合成和差波束的动态与灵活性，并引入光延迟线补偿相移误差，拓展了雷达阵列系统的带宽，使系统的适用性更强，非常有利于航天目标的导航与控制。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明和差开关的结构示意图。

图3(a)～图3(e)为本发明和差波束重构对应的五种阵列和差分布示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置，包括阵列天线、激光器、第一波分复用器、电光调制器、光纤延迟线、和差开关、第二波分复用器、光电探测器；对应于某一目标波束信号，阵列天线接收信号并通过电光调制器调制到经多波长阵列激光器发射且经第一波分复用器分解的多个光载波上，根据波长来分配该阵列天线的激光传输光路，由于天线阵元物理位置的不同，导致接收到的波束信号对于目标指向角有指向性偏差，所以利用光学真延时技术经过各分支光路的可变延迟控制实现波束的指向性延迟波控也拓展了雷达系统的带宽。每个不同波长的光路通过光分路器后分离出三路信号，中间一路经过第二波分复用器MUX2后在光控子阵内实现波束信号的同向增益合成，即所有天线基元波束信号的和波束信号输出；在上下每条光路中各插入一个和差开关器件，这样所有的光支路经过第二波分复用器MUX1后在光控子阵内实现两路差波束的信号合成输出，并且这两路差波束信号的产生完全软件可编程，可以选择任意阵列天线的输出波束用于生成差波束中的同向或反向相加结构，最后将三路和差信号通过光电探测器转换成射频信号，该射频信号经过中频与基带解调完成雷达信号接收。

本实施方式中，阵列天线为36个位置不同的独立阵元，分别产生36个不同的波束信号；激光器采用多波长阵列激光器，用于提供光载射频传输通路的多个光载波；电光调制器采用宽带马赫增德尔强度调制器，用于将阵列天线接收到的信号调制到波长不同的光载波通道上；光纤延迟线采用光控多级延迟控制线实现各天线基元的延时补偿，拓展了阵列雷达系统的工作带宽；光电探测器采用宽带光电探测器。

如图2所示，和差开关由两级1×2开关与两段长度不同光纤构成，且有-1、0以及+1三个状态的光路开关器件结构，其中某光支路的和差开关为+1状态时，该支路将产生相对于合成波束信号的同向合成；开关状态为-1时，该支路将产生相对于合成波束信号的反向合成；开关状态为0时，该支路将产生相对于合成波束信号的零合成。本实施方式中和差开关中的两级1×2开关采用MEMS光开关构成。

由于上下两支路要产生π的相移，假设n为光纤折射率，f为接收到的雷达信号频率，v为光在光纤中的传播群速度，c为真空中光速，ΔL为光支路两段光纤长度差，Δτ为上下光支路的时延差，则：

v＝c/n Δτ＝π/2πf ΔL＝v×Δτ

这样就可以求出两段光纤的长度差，由于要使和差开关产生三种状态的波束信号，所以得利用两级1×2开关控制上下两支路的通断，当给第一、二级开关E1管脚一个高电平时连上1支路，即为-1状态时，产生相对于合成波束信号的反向合成；给第一、二级开关E1管脚一个低电平时连上2支路，即为+1状态时，产生相对于合成波束信号的同向合成；给第一级开关E1管脚一个高电平，第二级开关E1管脚一个低电平时支路不连通，即为0状态时，即产生相对于合成波束信号的零合成，满足系统的要求。

图3(a)为按左右方向控制阵列天线右边一半产生同向合成，左边一半产生反向合成，产生差波束；图3(b)为上下方向控制阵列天线下边一半产生同向合成、上边一半产生反向合成，产生差波束；图3(c)为左上/右下产生差波束，允许部分不参与合成；图3(d)为Ⅰ-Ⅲ象限对角差波束；图3(e)为Ⅱ-Ⅳ象限对角差波束。这样就实现和差波束的动态可重构，且产生差波束信号完全软件可编程，大大提高了合成和差波束的动态与灵活性。

本实施方式实现和差波束的动态重构方法为：36个光载波雷达信号分别经过每条支路上的和差开关，由于该和差开关内部另有两条光支路相差π的相移，通过计算机控制和差开关的闭合，人为选择通过开关内部的某一支路或两条支路都不通过，使在该和差开关后产生相对于合成波束信号的同向、反向或零合成，因此36个变化后的波束信号通过波分复用器的合成即能产生实际所需的差波束，从而实现和差波束的动态可重构。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光控雷达阵列动态可重构和差波束的装置，其特征在于，包括：天线阵列、激光器、第一波分复用器、n个电光调制器、n个光纤延迟线、和差开关组、第二波分复用器以及光电探测器，n为大于1的自然数；其中：

所述天线阵列由n个天线呈阵列排布组成，所述天线用于接收雷达信号；

所述激光器用于产生具有n个不同波长的光束；

所述第一波分复用器用于将该光束分解成n个对应各自波长的子光束；

所述电光调制器用于将对应天线接收到的雷达信号调制到对应的子光束上；

所述光纤延迟线用于调整对应携带有雷达信号子光束的时间延迟，并将该子光束上雷达信号的波束指向角调整至目标角度后输出；

所述和差开关组包含有n个和差开关，所述和差开关接收对应光纤延迟线输出的子光束从而产生一路和差信号，所述和差信号具有三类：I类为携带有雷达信号且其波束指向角为目标角度的子光束，II类为携带有雷达信号且其波束指向角为目标角度±π的子光束，III类为空信号即不输出子光束；

所述第二波分复用器用于将和差开关组输出的n路和差信号合成为一束光；

所述光电探测器用于探测该束光并将其转换成射频信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述和差开关由两个光开关K1～K2和两根长度不同光纤L1～L2组成，其中光开关K1的输入管脚与对应的光纤延迟线连接，光开关K1的第一输出管脚与光纤L1的一端相连，光纤L1的另一端与光开关K2的第一输入管脚相连，光开关K1的第二输出管脚与光纤L2的一端相连，光纤L2的另一端与光开关K2的第二输入管脚相连，光开关K2的输出管脚与第二波分复用器相连，光开关K1和K2的控制管脚接外部设备提供的开关切换信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：两根光纤L1～L2的长度差ΔL＝v×Δτ，v为光在光纤中的传播群速度即v＝c/n，Δτ＝π/2πf，f为雷达信号的频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述光开关K1和K2采用MEMS光开关或磁光开关。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述激光器采用多波长阵列激光器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电光调制器采用宽带马赫-曾德尔强度调制器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光纤延迟线采用光控多级延迟控制线。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光电探测器采用宽带光电探测器。