CN108535699A - 微波光子数字波束形成方法、装置及宽带数字阵列雷达 - Google Patents

微波光子数字波束形成方法、装置及宽带数字阵列雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波光子数字波束形成方法。该方法通过引入光域对宽带信号的信道化接收处理，结合光子技术的宽带处理优势和数字技术的精细、灵活可重构的优势，对阵列天线接收到的射频信号形式无要求，可实现同时多频段、多种信号形式的灵活可重构的宽带波束形成；且通过基于在数字域实现对光域精细化处理后的信号的延时控制，可用于实现大规模射频阵列系统，避免引入大规模的光真延时器件，并且避免改变阵元数时对系统做较大改动甚至重新设计。本发明还公开了一种微波光子数字波束形成装置及宽带数字阵列雷达。本发明可以广泛应用于航电系统、雷达、电子战等多波段、多功能的一体化阵列射频系统。

Description

微波光子数字波束形成方法、装置及宽带数字阵列雷达
技术领域
本发明涉及微波光子数字阵列雷达技术领域，尤其涉及一种微波光子数字波束形成方法、装置。
背景技术
波束形成是利用传感器（例如天线单元）阵列建立系统的空间辐射图来进行信号的定向发送或者接收的信号处理技术。波束形成是通过控制阵列天线中各发射信号的相位或者延时，使得波束在特定的波前方向干涉相加。基于电子学波束形成的智能天线具有如下的弊端：首先，电子学波束形成网络瞬时带宽较小，难以满足宽带无线通信的要求；其次，电子学幅相控制技术，幅度和相位相互耦合，对幅相控制算法要求过高；再者，电子波束形成网络不仅各通道之间相互干扰，也容易受到外界信号的干扰。此外，电子波束形成还有着体积大、重量大、损耗大、阻抗匹配困难等缺点。较之传统的电子学波束形成网络，光子型波束形成网络具有明显的优势：光波频率极高而信号带宽相对载频极小，使线路具有稳定的传输特性，解决了传统宽带波束形成网络的波束偏移问题；光电子器件体积小、重量轻、传输损耗低，使整个系统紧凑、轻巧、节能；光子系统具有较低的电磁辐射，能够抗电磁干扰和抗电磁脉冲。此外，光子型波束形成可与光载无线系统无缝衔接，借助光通信成熟器件的优势，完成传统电子系统难以完成甚至无法完成的宽带信号传输和处理功能。
目前，光子型波束形成网络的方案也包括相移法和延时法两种：尽管基于移相的波控技术在电学中已经非常成熟，但由于光学方法具有频率高、尺寸小、质量轻、传输损耗小、响应快速、抗电磁干扰等特性，因而基于移相的光控波束形成网络的报道仍然很多。这种技术多应用于对瞬时带宽要求较低，但频率范围较大的系统中。图1给出了一种基于微波光子相位控制的光控波束形成装置，利用可编程光处理器操纵每一路信号的幅度、相位等，实现了1个4阵元的波束形成网络(X. K. Yi, T. X. Huang and R. A. Minasian,Photonic beamforming based on programmable phase shifters with amplitude andphase control, IEEE Photonics Technology Letters, 2011, 23(18): 1286-1288)。图2给出了一种典型的基于微波光子移相器实现的波束形成网络，通过微波光子移相器控制多路的相位，实现了14 GHz、4阵元的相控阵天线 (Y. M. Zhang, H. Wu, D. Zhu and S.L. Pan, An optically controlled phased array antenna based on single sidebandpolarization modulation, Optics Express, 2014, 22(4): 3761-3765)。然而基于相移法的光控波束形对于瞬时带宽较大的信号仍然具有波束倾斜效应，难以满足下一代雷达系统对大带宽的需求。
另一种典型的光控波束形成的方法是用真时延替代移相，实现光控真延时波束形成。基于光控微波延时方法的不同，主要分为调节光器件响应函数和调节光载波参数两大类。调节光器件响应函数是指通过改变光链路中的一个或几个器件的光相频响应，改变光群延时，进而控制光波所携带微波信号的延时。具体实施方式有以下几种：基于改变光路径长度的光控真延时波束形成网络、利用慢光效应、热调谐光微环谐振器等。图3所示是一种典型的基于光开关网络来改变路径长度的光控真延时波束形成网络 (D. T. K. Tong andM. C. Wu, A novel multiwavelength optically controlled phased array antennawith a programmable dispersion matrix. IEEE Photonics Technology Letters,1996, 8 (6): 812-814)，通过光开关网络选择相应路径的光纤物理长度，实现对延时的控制。另一种典型的方法是通过调节光载波参数来改变光载微波信号的延时。图4给出了一种典型的通过光波长来控制延时的光控真延时波束形成网络 (H. Zmuba, R. A. Soref, P.Payson, S. Johns, E. N. Toughlian, Photonic beamformer for phased arrayantennas using a fiber grating prism, IEEE Photonics Technology Letters,1997, 9 (2): 241-243), 通过在一组光纤的不同位置写入一系列不同中心波长的布拉格光纤光栅,相邻光纤上相同中心波长对应的光栅相对距离的不同, 通过光波长的选择，从而控制信号的传输延时，对系统的波束指向进行控制；进一步地，如图5所示(X. Wang, E.H. W. Chan, and R. A. Minasian, Optical-to-RF phase shift conversion-basedmicrowave photonic phase shifter using a fiber Bragg grating, Optics Letters,2014, 39 (1): 142-145)，通过引入啁啾光纤光栅，利用传输信号的波长与线性啁啾光纤光栅的反射点位置存在着线性函数，不同波长具有不同的反射距离的关系，从而实现不同波长的信号在光栅中传输不同的距离，因而可以通过控制光信号的波长，实现对延时进行控制。
各种光真延时方案各有利弊，大多不能同时在系统瞬时带宽、多波束复用等方面具有优势，且可重构性和拓展性较差：基于光开关网络选择光纤物理长度的方式，由于受到光纤切割精度的瓶颈限制，光延时线的延时步长相对较大，延时精度较低，难以达到各通道间非常好的延时一致性；随着系统阵元数目和发射接收波束数目的增多，器件数目急剧增加，系统结构复杂、体积增大。且由于开关同时控制所有波长，系统难以独立控制多个波束。基于色散原理的波束形成网络需要昂贵且难以实现的可调激光器阵列，对激光器波长稳定性要求较高；延时的同时伴随着由色散效应引起射频信号的衰减，且色散越大（可提供的最大真延时越大），带宽越小，限制了系统的瞬时带宽。另一方面，现有的光控波束形成系统方案大多基于固定的射频频段和天线阵元数设计，系统可重构性和拓展性较差；与移相不同，真延时的控制没有“周期性”，因此，用于边缘阵元的模块比用于中心阵元的模块所需的延时要大得多，改变频段或增加阵元数往往需要系统做较大改动甚至重新设计。
未来阵列射频系统将向着超大规模、灵活可重构的方向发展。如以战略预警雷达为代表的新一代雷达系统均采用了具有灵活性、模块化、可扩展性和高性能的数字阵列雷达，其数字收发组件的数量可达数千甚至上万，要实现如此超大规模阵列的实时延时控制，现有的光控波束形成方案在大范围精细可调真延时的实现以及可重构性等方面面临巨大的挑战。
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，提供一种微波光子数字波束形成方法、装置，基于微波光子精细接收技术，实现将宽带射频信号的多通道窄带接收，并在数字域实现对多通道宽变窄处理后信号的灵活和大范围精细可调真延时控制，从而实现灵活可重构的数字波束形成；对接收到的射频信号形式无要求，可实现同时多频段、多种信号形式的宽带波束形成。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种微波光子数字波束形成方法，包括以下的接收波束形成方法：生成两组梳齿数均为N、梳齿间隔分别为f 1、(f 1+f m)且相互锁定的光频梳；利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制于其中一组光频梳，然后将所生成的调制光信号与另一组光频梳进行90°光耦合；按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0, 1,……，N-1),将90°光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道，Δf为所述两组光频梳的初始梳齿间的频率差；对每个输出通道中的两路光信号分别进行光电转换后将其正交耦合，然后对所得到的耦合电信号进行带通滤波，得到该输出通道信道化的窄带信号；将N个输出通道的信道化的窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行控制，实现接收波束形成。
优选地，在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度加权控制，并根据接收到的宽带射频信号和干扰，实时对所述加权控制的加权系数和/或阵列阵元组合进行自适应调整，实现自适应数字波束形成。
进一步地，所述波束形成方法还包括以下的发射波束形成方法：利用载波抑制单边带调制方法，将在数字域生成的基带电信号调制于其中一组光频梳，然后将所生成的调制光信号与另一组光频梳进行光耦合；对耦合后光信号进行光频率成份的选择和控制，实现所需要的发射波束形成。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种微波光子数字波束形成装置，包括多频光生本振模块和接收波束形成单元；所述多频光生本振模块用于生成两组梳齿数均为N、梳齿间隔分别为f 1、(f 1+f m)且相互锁定的光频梳；所述接收波束形成单元包括：
载波抑制单边带调制器，用于利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制于多频光生本振单元所生成的其中一组光频梳；
90°光耦合器，用于将载波抑制单边带调制器所生成的调制光信号与另一组光频梳进行90°光耦合；
可编程光处理器，用于按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0,1,……，N-1), 将90°光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道，Δf为所述两组光频梳的初始梳齿间的频率差；
信道化模块，用于对每个输出通道中的两路光信号分别进行光电转换后将其正交耦合，然后对所得到的耦合电信号进行带通滤波，得到该输出通道信道化的窄带信号；
数字信号处理模块，用于将N个输出通道的信道化的窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行控制，实现接收波束形成。
优选地，所述数字信号处理模块在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度加权控制，并根据接收到的宽带射频信号和干扰，实时对所述加权控制的加权系数和/或阵列阵元组合进行自适应调整，实现自适应数字波束形成。
进一步地，所述装置还包括发射波束形成单元，所述发射波束形成单元包括：
数字信号处理模块，用于在数字域生成基带电信号；
载波抑制单边带调制器，用于利用载波抑制单边带调制方法，将基带电信号调制于多频光生本振单元所生成的其中一组光频梳；
光耦合器，用于将载波抑制单边带调制器所生成的调制光信号与另一组光频梳进行光耦合；
可编程光处理器，用于对耦合后光信号进行光频率成份的选择和控制，实现所需要的发射波束形成。
优选地，接收波束形成单元与发射波束形成单元共用一个可编程光处理器。
优选地，所述多频光生本振模块分别基于锁模激光器和基于光频梳产生器生成两组光频梳，两组光频梳基于DFB激光器实现频率锁定；或者，所述多频光生本振模块基于两个光频梳产生器生成两组光频梳，并基于光滤波器以其中一组光频梳的梳齿作为另一组光频梳载波的方式实现两组光频梳的频率锁定。
优选地，所述可编程光处理器为基于微环阵列构建的可编程光滤波器，或为基于液晶矩阵的可编程光滤波器。
一种宽带数字阵列雷达，包括如上任一技术方案所述微波光子数字波束形成装置。
相比现有技术，本发明技术方案及其进一步改进或优选技术方案具有以下有益效果：
1、本发明通过在微波光子数字阵列雷达中引入光域对宽带信号的信道化接收处理，结合光子技术的宽带处理优势和数字技术的精细、灵活可重构的优势，实现了灵活可重构的宽带波束形成。
2、本发明通过基于在数字域实现对光域精细化处理后的信号的延时控制，可用于实现大规模射频阵列系统，从而避免引入大规模的光真延时器件，并且避免改变阵元数时对系统做较大改动甚至重新设计，这是现有技术所难以实现的。
3、本发明的波束形成过程，对阵列天线接收到的射频信号形式无要求，可实现同时多频段、多种信号形式的宽带波束形成，可应用于多种功能的阵列射频系统。
附图说明
图1为基于可编程光处理器的微波光子相位控制的光控波束形成装置结构原理示意图；
图2为基于微波光子移相器实现的波束形成装置结构原理示意图；
图3为基于光开关网络改变路径长度的光控真延时波束形成装置结构原理示意图；
图4为基于光波长控制延时的光控真延时波束形成装置结构原理示意图；
图5为基于单个啁啾光纤光栅实现通过光波长控制延时的光控真延时波束形成装置结构原理示意图；
图6为本发明宽带数字阵列雷达的结构原理示意图；
图7为本发明宽带数字阵列雷达一个具体实施例的结构原理示意图；
图8为本发明宽带数字阵列雷达另一个具体实施例的结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有微波光子数字阵列射频系统中波束形成技术的不足，本发明基于微波光子精细接收技术，在光域实现将宽带射频信号的多通道窄带接收，并在数字域实现对多通道宽变窄处理后信号的灵活和大范围精细可调真延时控制，从而实现灵活可重构的数字波束形成；该波束形成方案对接收到的射频信号形式无要求，可实现同时多频段、多种信号形式的宽带波束形成。
具体地，本发明采用以下技术方案：
一种微波光子数字波束形成方法，包括以下的接收波束形成方法：生成两组梳齿数均为N、梳齿间隔分别为f 1、(f 1+f m)且相互锁定的光频梳；利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制于其中一组光频梳，然后将所生成的调制光信号与另一组光频梳进行90°光耦合；按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0, 1,……，N-1),将90°光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道，Δf为所述两组光频梳的初始梳齿间的频率差；对每个输出通道中的两路光信号分别进行光电转换后将其正交耦合，然后对所得到的耦合电信号进行带通滤波，得到该输出通道信道化的窄带信号；将N个输出通道的信道化的窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行控制，实现接收波束形成。
优选地，在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度加权控制，并根据接收到的宽带射频信号和干扰，实时对所述加权控制的加权系数和/或阵列阵元组合进行自适应调整，实现自适应数字波束形成。
进一步地，所述波束形成方法还包括以下的发射波束形成方法：利用载波抑制单边带调制方法，将在数字域生成的基带电信号调制于其中一组光频梳，然后将所生成的调制光信号与另一组光频梳进行光耦合；对耦合后光信号进行光频率成份的选择和控制，实现所需要的发射波束形成。
为了便于公众理解，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图6显示了本发明宽带数字阵列雷达的一种优选结构，其包括：接收天线阵列、发射天线阵列、多频光生本振模块、接收波束形成模块、发射波束形成模块。所述多频光生本振模块用于生成两组梳齿数均为N、梳齿间隔分别为f 1、(f 1+f m)且相互锁定的光频梳，这两路光频梳输出分别为多频光生本振1、多频光生本振2。如图6所示，其中的接收波束形成模块为基于微波光子信道化处理的接收波束形成模块，其包括电光调制器1、可编程光处理模块、90°光耦合器、一组光电探测器、90°电耦合器，模数转换器，以及数字信号处理器1；其中的发射波束形成模块为光子辅助发射波束形成模块，其包括数字处理器2、数模转换器、光电调制器2、可编程光处理模块、一组光电探测器。
如图6所示，所述基于微波光子信道化处理的接收波束形成模块中，多频光生本振2连接电光调制器1的光输入端；接收阵列天线的输出信号和电光调制器1的电输入端连接；电光调制器1的光输出端和90°光耦合器的光信号输入端相连；多频光生本振1的输出端和90°光耦合器的光本振输入端相连；90°光耦合器的两个正交光输出端和可编程光处理器的输入端相连。可编程光处理器的输出端分别和光电探测器阵列相连；在每个通道内，分别对应90°光耦合正交输出的两个光电探测器的输出端分别和电90°耦合器的两个输入端相连，电90°耦合器的输出端依次连接一个电滤波器和一个模数转换器；模数转换器的输出部分连接数字信号处理器1。
所述光子辅助发射波束形成模块中，数字处理器2依次连接数模转换器和电光调制器2的射频输入端，通过数字信号处理器2控制待发射波形的基频延时和幅度加权等信息；多频光本振1经过光分束器后，连接电光调制器2的光输入端，用于调制模数转换器输出的基带电信号；调制后的光信号和多频光本振2进行耦合后，注入可编程光处理器，实现对应的光频率成份的选择和控制，经过光电探测器后实现光电转换，产生所需要的电域发射波形，通过连接的发射天线单元阵列发射，实现所需要的发射波束形成。 电光调制器2的光输出端依次连接光处理模块3，以及光电探测器和发射天线单元阵列。
所述多频光生本振模块可采用多种方式实现，本发明优选采用以下两种实现方案：分别基于锁模激光器和基于光频梳产生器生成两组光频梳，两组光频梳基于DFB激光器实现频率锁定；或者，基于两个光频梳产生器生成两组光频梳，并基于光滤波器以其中一组光频梳的梳齿作为另一组光频梳载波的方式实现两组光频梳的频率锁定。
所述可编程光处理模块可利用现有的各类可编程光处理器实现，本发明优选采用基于微环阵列构建的可编程光滤波器或基于液晶矩阵的可编程光滤波器。
图7显示了图6所示宽带数字阵列雷达的一个具体实施例。
如图7所示，本实例中的多频光生本振模块基于锁模激光器和光频梳产生器来实现。重复频率为f 1的锁模激光器的输出经过光分束器分为两路，上路为梳齿数为N，梳齿间隔为f 1的光频梳组1；下路通过光环形器注入到DFB激光器，DFB激光器中和某个梳齿频率临近的模式将被选择输出，并注入到光频梳产生器的光输入端；频率为(f 1 + f m)的射频信号注入到光频梳产生的射频端，光频率梳产生器输出梳齿数为N，自由频谱宽度为(f 1 + f m)的光频梳组2。
将梳齿间隔为f 1的光频梳组1通过载波抑制单边带调制器加载上由天线阵列接收到的宽带射频信号后，送入到90度光耦合器的信号光口，将梳齿间隔为(f 1+f m)的光频梳组2输入到90度光耦合器的本振光口。90度光耦合器的一对正交输出分别送入到可编程光处理模块。本实施例中的可编程光处理模块基于集成微环阵列实现，用于实现将输入的光信号按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0, 1,……，N-1), 将90°光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道。输出通道的划分具体为：假设光频率梳组1的梳齿L10的频率为f 0，第n个梳齿L1n的频率为f 0+nf 1，(n=0, 1,……，N-1)，通过载波抑制单边带调制器加载上由天线阵列接收到的宽带射频信号f R，得到调制后的光载射频信号频率为f 0+nf 1+f R，(n=0, 1,……，N-1)；光频率梳组2的梳齿L20的频率为f 0+Δf，第n个梳齿L2n的频率为f 0+Δf+n(f 1+f m)，(n=0, 1,……，N-1)。通过基于微环阵列的可编程光处理模块，对 90度光耦合器输出的通道划分如下：选择光频梳组2的频率为f 0+Δf+n(f 1+f m)的第n根梳齿，以及频率为f 0+nf 1+f R的光载射频信号，作为第n+1个通道，(n=0, 1,……，N-1)；从而最终按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0, 1,……，N-1)，实现将90度光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道。每个通道内的两路信号分别经过光电探测器转换为电信号，随后通过90度微波电桥正交耦合输出。上述操作实际上实现了镜频抑制混频，只取出光频梳2的梳齿一侧的微波信号，而另一侧信号处于镜频位置，被有效抑制，从而避免了与待提取信号的混叠。利用一个带宽为R B （所需要实现的信道带宽）的带通滤波器选出R B 范围内的电信号，从而在多频段宽带信号的镜频抑制混频的基础上，实现了信道化。信道化之后的窄带信号经过低频数模转换器数字化之后，通过数字信号处理器1对各路信道化后的数字信号根据任务功能设定的要求，在数字域对各个通道进行延时和幅度加权控制，形成所需要的接收波束形成。进一步地，还可根据阵列天天线接收的信号和干扰，按照某种准则实时对加权系数和阵列阵元组合进行自适应调整，可以实现自适应数字波束形成。
对于发射波束形成部分，数字信号处理器2和模数转换器连接，控制模数转换器输出的待发射波形基频延时和幅度加权等信息；模数转换器输出的基带波形的电输出被调制在光频梳组上，调制后的光信号和光频梳组2进行耦合后，注入基于集成微环阵列构建的可编程光处理器，实现对应的光频率成份的选择和控制，产生所需要波段的发射波形产生；发射路径上延时和幅度控制等由数字信号处理器2在数字域对待发射的基频信号进行控制，从而实现灵活可重构的发射波束形成。
图8显示了图6所示宽带数字阵列雷达的另一个具体实施例。
本实施例中的多频光生本振模块基于两个互相锁定的光频梳产生器来实现。如图8所示，激光器产生的单频光注入到光频梳调制器1的光输入端，频率为f 1的射频信号注入到光频梳调制器1的射频输入端；光频梳调制器1输出梳齿数为N，梳齿间隔为f 1的光频梳组1。经过光分束器分成两路，下路信号经过光滤波器选择其中的一个梳齿，注入到光频梳产生器2的光输入端；频率为(f 1 + f m)的射频信号注入到光频梳产生器2的射频端，光频率梳产生器2输出梳齿数为N，自由频谱宽度为(f 1 + f m)的光频梳组2。
对于接收波束形成部分，将梳齿间隔为f 1的光频梳组1通过载波抑制单边带调制器加载上由天线阵列接收到的宽带射频信号后，送入到90度光耦合器的信号光口，将梳齿间隔为(f 1+f m)的光频梳组2输入到90度光耦合器的本振光口。90度光耦合器的一对正交输出分别送入到可编程光处理模块。本实施例中的可编程光处理模块基于液晶矩阵实现，用于实现将输入的光信号按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0,1,……，N-1), 将90°光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道。输出通道的划分具体为：假设光频率梳组1的梳齿L10的频率为f 0，第n个梳齿L1n的频率为f 0+nf 1，(n=0,1,……，N-1)，通过载波抑制单边带调制器加载上由天线阵列接收到的宽带射频信号f R，调制后的光载射频信号频率为f 0+nf 1+f R，(n=0, 1,……，N-1)；光频率梳组2的梳齿L20的频率为f 0+Δf，第n个梳齿L2n的频率为f 0+Δf+n(f 1+f m)，(n=0, 1,……，N-1)。通过液晶矩阵的可编程光处理模块，对 90度光耦合器输出的通道划分如下：选择光频梳组2的频率为f 0+Δf+n(f 1+f m)的第n根梳齿，以及频率为f 0+nf 1+f R的光载射频信号，作为第n+1个通道，(n=0,1,……，N-1)；从而最终实现按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0,1,……，N-1)，将90度光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道。每个通道内的信号经过光电探测器转换为电信号，随后通过90度微波电桥正交耦合输出。上述操作实现了镜频抑制混频，只取出光频梳2的梳齿一侧的微波信号，而另一侧信号处于镜频位置，被有效抑制，避免了与待提取信号的混叠。利用一个带宽为R B （所需要实现的信道带宽）的带通滤波器选出R B 范围内的电信号，从而在多频段宽带信号的镜频抑制混频的基础上，实现了信道化。信道化之后的窄带信号经过低频数模转换器数字化之后，通过数字信号处理器1对各路信道化后的数字信号根据任务功能设定的要求，在数字域对各个通道进行延时和幅度加权控制，形成所需要的接收波束形成。
对于发射波束形成部分，数字信号处理器2和模数转换器连接，控制模数转换器输出的待发射波形基频延时和幅度加权等信息；模数转换器输出的基带波形的电输出调制在光频梳组上，调制后的光信号和光频梳组2进行耦合后，注入基于液晶矩阵构建的可编程光处理器，实现对应的光频率成份的选择和控制，产生所需要波段的发射波形产生；发射路径上延时和幅度控制等由数字信号处理器2在数字域对待发射的基频信号进行控制，从而实现灵活可重构的发射波束形成。
综上，本发明提供的微波光子数字波束形成方法、装置，通过引入光域对宽带信号的信道化接收处理，结合光子技术的宽带处理优势和数字技术的精细、灵活可重构的优势，对阵列天线接收到的射频信号形式无要求，可实现同时多频段、多种信号形式的灵活可重构的宽带波束形成；且通过基于在数字域实现对光域精细化处理后的信号的延时控制，可用于实现大规模射频阵列系统，避免引入大规模的光真延时器件，并且避免改变阵元数时对系统做较大改动甚至重新设计。这使得本发明可以广泛应用于航电系统、雷达、电子战等多波段、多功能的一体化阵列射频系统。

Claims (10)

1.一种微波光子数字波束形成方法，其特征在于，包括以下的接收波束形成方法：生成两组梳齿数均为N、梳齿间隔分别为f 1、(f 1+f m)且相互锁定的光频梳；利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制于其中一组光频梳，然后将所生成的调制光信号与另一组光频梳进行90°光耦合；按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0, 1,……，N-1), 将90°光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道，Δf为所述两组光频梳的初始梳齿间的频率差；对每个输出通道中的两路光信号分别进行光电转换后将其正交耦合，然后对所得到的耦合电信号进行带通滤波，得到该输出通道信道化的窄带信号；将N个输出通道的信道化的窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行控制，实现接收波束形成。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度加权控制，并根据接收到的宽带射频信号和干扰，实时对所述加权控制的加权系数和/或阵列阵元组合进行自适应调整，实现自适应数字波束形成。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，还包括以下的发射波束形成方法：
利用载波抑制单边带调制方法，将在数字域生成的基带电信号调制于其中一组光频梳，然后将所生成的调制光信号与另一组光频梳进行光耦合；对耦合后光信号进行光频率成份的选择和控制，实现所需要的发射波束形成。
4.一种微波光子数字波束形成装置，其特征在于，包括多频光生本振模块和接收波束形成单元；所述多频光生本振模块用于生成两组梳齿数均为N、梳齿间隔分别为f 1、(f 1+f m)且相互锁定的光频梳；所述接收波束形成单元包括：
载波抑制单边带调制器，用于利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制于多频光生本振单元所生成的其中一组光频梳；
90°光耦合器，用于将载波抑制单边带调制器所生成的调制光信号与另一组光频梳进行90°光耦合；
可编程光处理器，用于按照所述两组光频梳的梳齿对的频率间隔为Δf+nf m(n=0,1,……，N-1), 将90°光耦合器的一对正交输出划分为N个独立的输出通道，Δf为所述两组光频梳的初始梳齿间的频率差；
信道化模块，用于对每个输出通道中的两路光信号分别进行光电转换后将其正交耦合，然后对所得到的耦合电信号进行带通滤波，得到该输出通道信道化的窄带信号；
数字信号处理模块，用于将N个输出通道的信道化的窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行控制，实现接收波束形成。
5.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述数字信号处理模块在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度加权控制，并根据接收到的宽带射频信号和干扰，实时对所述加权控制的加权系数和/或阵列阵元组合进行自适应调整，实现自适应数字波束形成。
6.如权利要求4所述装置，其特征在于，还包括发射波束形成单元，所述发射波束形成单元包括：
数字信号处理模块，用于在数字域生成基带电信号；
载波抑制单边带调制器，用于利用载波抑制单边带调制方法，将基带电信号调制于多频光生本振单元所生成的其中一组光频梳；
光耦合器，用于将载波抑制单边带调制器所生成的调制光信号与另一组光频梳进行光耦合；
可编程光处理器，用于对耦合后光信号进行光频率成份的选择和控制，实现所需要的发射波束形成。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，接收波束形成单元与发射波束形成单元共用一个可编程光处理器。
8.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述多频光生本振模块分别基于锁模激光器和基于光频梳产生器生成两组光频梳，两组光频梳基于DFB激光器实现频率锁定；或者，所述多频光生本振模块基于两个光频梳产生器生成两组光频梳，并基于光滤波器以其中一组光频梳的梳齿作为另一组光频梳载波的方式实现两组光频梳的频率锁定。
9.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述可编程光处理器为基于微环阵列构建的可编程光滤波器，或为基于液晶矩阵的可编程光滤波器。
10.一种宽带数字阵列雷达，其特征在于，包括如权利要求4～9任一项所述微波光子数字波束形成装置。
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