CN109143203A - 基于偏振复用光学倍频微波光子相干雷达收发装置及方法 - Google Patents

基于偏振复用光学倍频微波光子相干雷达收发装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于偏振复用光学倍频微波光子相干雷达收发装置及方法，在一个光学倍频链路中，利用偏振复用方式同时实现不同带宽、不同时宽的发射信号和去谐本振产生，相比同时宽、同带宽信号输出，能够实现连续的距离检测。同时该发明中两个DDS(直接数字频率合成)基于同一个时钟基准，可以在数字域进行延时设计和捷变，不需要光域延时，避免光延迟瓶颈对系统性能的影响。

Description

基于偏振复用光学倍频微波光子相干雷达收发装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于偏振复用光学倍频微波光子相干雷达收发装置及方法，特别是一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，属于微波光子信号处理技术领域。
背景技术
随着空间宽带通信、雷达和电子侦察等卫星载荷技术发展，需要传输和处理的信号带宽越来越宽。雷达系统作为空间电子侦察的重要手段，为了提高其作用距离和分辨率等性能参数，需要进一步降低雷达信号噪声，提高雷达信号的频率、带宽和稳定性。这对传统微波信号生成及信号处理方法而言，具有很大的实现难度。而微波光子技术由于具有宽带宽、高灵活性和高稳定性等特点，在微波信号生成及微波信号处理方面具有很好的技术优势，具有非常重要的应用前景。
常见的微波光子相干雷达信号收发典型方法有以下几种：
方法一：DDS光学倍频+光学去斜。发射端利用DDS产生中频、窄带线性调频信号，然后通过光学倍频实现高频、宽带线性调频信号输出，输出信号分为两路，一路光电探测后经过射频放大和天线发射出去，另一路作为本振信号提供给接收端；接收端得到的电回波信号调制在光本振上，与光本振信号在光域完成去谐处理，经光电探测输出窄带中频信号，经过低速ADC&DSP完成数字信号处理。
方法二：DDS光学倍频+光学下变频。发射端实现过程与方法1相同，区别在于接收端采用光学下变频方式，将接收到的高频。宽带回波信号下变频至零频或中频，通过高速ADC&DSP直采完成数字信号处理。
方法三：扫频激光+光学下变频。发射端控制激光器的驱动电流，周期性改变输出波长实现扫频，经过分路延时和频移后光电转换输出雷达线性调频信号。接收端下变频至零频或中频，通过高速ADC&DSP直采完成数字信号处理。
方法四：锁模光脉冲预啁啾+频率压缩。发射端利用光脉冲的波分复用和时间展宽实现线性调频信号产生；接收端对回波信号在光域进行光谱压缩，光电探测后经过低速ADC&DSP完成数字信号处理。
比较以上几种典型方法，方法一和方法二在已有雷达收发技术基础上，利用光子大带宽优势通过光学倍频和光学去斜完成雷达收发功能，能够实现载频范围覆盖C频段-Ka频段，带宽1GHz-8GHz的线性调频信号收发，与现有雷达系统兼容性更高，其中方法一在接收端采用去斜处理，降低后端对ADC速率要求，适应性更广。
方法三和方法四舍弃传统DDS产生线性调频信号的方法，采用全光处理方法，通过控制光信号扫频或光脉冲展宽及压缩完成线性调频信号收发，适应带宽更宽(几十个GHz)，但精细控制较差，且时宽过大(扫频激光方式下时宽亚毫秒级)或过小(锁模光脉冲方式下时宽纳秒级)，限制其进一步发展。综合比较，方法一采用的“DDS光学倍频+光学去斜”实际性能和适应性更高，为目前的主流实现方案。该方法在使用过程中仍会遇到以下问题：
首先，回波信号与本振信号来自同一个光学倍频链路，具有相同的时宽和带宽，每次去斜只能完成目标的单点测量，需要通过控制输出延时实现多点测试。
其次，光学去斜前，需要对本振信号进行光学延迟，以便和回波信号时间同步，而现有光学延时技术延迟量较小(皮秒/纳秒级)，且捷变较差，限制其实际推广。
为解决以上问题，有方案提出采用两个光学倍频链路分别实现发射(回波)信号及本振信号产生，其中二者初相相同，本振信号时宽和带宽略大。但是，发射信号和本振信号经过不同的光学倍频链路，使得两个链路信号不相干，需要额外增设光学锁相，增加系统复杂度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供公开一种基于偏振复用光学倍频微波光子相干雷达收发装置及方法，用于解决“DDS光学倍频+光学去斜”方案中无法在同一个光学倍频链路同时实现不同时宽、不同带宽的发射(回波)信号和本振信号的问题，并能够实现捷变的光本振延时。
本发明包括如下技术方案：一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，可分为发射装置和接收装置两部分；其中，发射装置包括激光器、偏振控制器、偏振复用电光调制器、第一DDS、第二DDS、时钟、偏振分束器、光带通滤波器、光电探测器、功率放大及收发天线；接收装置包括相位调制器、光带通滤波器、光电探测器、低通滤波器以及ADC&DSP模块；
激光器、偏振控制器和偏振复用电光调制器从左至右依次相连，第一DDS的输入端和第二DDS的输入端均与时钟相连，输出端均连接至电光调制器的前端；电光调制器后端依次连接偏振分束器、光带通滤波器、光电探测器、功率放大及收发天线、相位调制器、光带通滤波器、光电探测器、低通滤波器以及ADC&DSP模块；其中偏振复用电光调制器内部包含双平行电光调制波导X以及双平行电光调制波导Y。
激光器产生单频点光载波，经过偏振控制器输入至偏振复用电光调制器；时钟输出两路时钟基准分别提供给第一DDS和第二DDS；第一DDS的输出端连接至偏振复用电光调制器内部双平行电光调制波导X，第二DDS的输出端连接至偏振复用电光调制器内部双平行电光调制波导Y；偏振复用电光调制器输出端连接至偏振分束器，双平行电光调制波导X调制信号由偏振分束器的第一输出端口输出，双平行电光调制波导Y调制信号由偏振分束器的第二输出端口输出；第一输出端口输出信号通过光带通滤波器滤除掉带外杂波，经过光电探测器实现信号拍频，转换为宽带射频微波信号，经放大及收发天线完成信号发射。放大及收发天线接收到的回波信号经过相位调制器完成回波信号与端口()输出光信号的光学调制；相位调制器输出信号通过光带通滤波器选择需要的边带信息，之后经光电探测器完成光学去斜，低通滤波器选择低频的去斜信号，送至ADC&DSP模块进行数字信号处理。
所述偏振分束器，通过改变进入偏振分束器的光偏振方向，使得调制在偏振方向为X及调制在偏振方向为Y的光信号分别从第一输出端口和第二输出端口输出，微调输入光偏振态，使两个通道输出光的带外抑制比达到最大。
相位调制器输出经过光带通滤波器，选择调制后光信号上下边带中的一个，以打破上下边带拍频的相位失配关系，实现相位调制到强度调制的转换，之后经过光电探测器，光本振信号与回波信号拍频，完成光学去斜。
一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发方法，步骤如下：
1)激光器产生单频点光载波，经过偏振控制器输入至偏振复用电光调制器；
2)时钟输出两路时钟基准分别提供给第一DDS和第二DDS；第一DDS的输出端连接至偏振复用电光调制器内部双平行电光调制波导X，第二DDS的输出端连接至偏振复用电光调制器内部双平行电光调制波导Y；
3)偏振复用电光调制器输出端连接至偏振分束器，双平行电光调制波导X调制信号由偏振分束器的第一输出端口输出，双平行电光调制波导Y调制信号由偏振分束器的第二输出端口输出；第一输出端口输出信号通过光带通滤波器滤除掉带外杂波，经过光电探测器实现信号拍频，转换为宽带射频微波信号，经放大及收发天线完成信号发射；
4)放大及收发天线接收到的回波信号经过相位调制器完成回波信号与第二输出端口输出光信号的光学调制；相位调制器输出信号通过光带通滤波器选择需要的边带信息，之后经光电探测器完成光学去斜，低通滤波器选择低频的去斜信号，送至ADC&DSP模块进行数字信号处理。
所述偏振分束器通过改变进入偏振分束器的光偏振方向，使得调制在偏振方向为X及调制在偏振方向为Y的光信号分别从第一输出端口和第二输出端口输出，微调输入光偏振态，使两个通道输出光的带外抑制比达到最大。
所述相位调制器输出经过光带通滤波器，选择调制后光信号上下边带中的一个，以打破上下边带拍频的相位失配关系，实现相位调制到强度调制的转换，之后经过光电探测器，光本振信号与回波信号拍频，完成光学去斜
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用偏振复用方式同时实现不同带宽、不同时宽的发射信号和去谐本振产生。相比以往同时宽、同带宽信号输出方案，本发明提供方案能够实现连续的距离检测，提高微波光子相干雷达检测效率。
(2)本发明中利用一个电光转换链路实现发射信号和去谐本振同时处理，相比于以往发射信号和去谐本振分离处理方法，本发明提供方案中两束光信号保持很好的相干性，提高雷达接收端稳定性。
(2)本发明中通过两个DDS分别驱动发射信号和去谐本振，且两个DDS基于同一个时钟基准，相比以往去斜本振的光学延迟方法，本发明提供方案可以在数字域进行延时设计和捷变，避免光延迟瓶颈对系统性能的影响。
附图说明
图1是四种典型微波光子相干雷达信号收发方法结构图；
图2是本发明的基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置原理框图；
图3是本发明不同阶段信号变化流程示意图；
具体实施方式
如图2所示，本发明的基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置需要涉及以下光电子功能模块：激光器1、偏振控制器2、偏振复用电光调制器3、第一DDS4、第二DDS5、时钟基准6、偏振分束器7、光带通滤波器8、光电探测器9、功率放大及收发天线10、相位调制器11、光带通滤波器12、光电探测器13、低通滤波器14以及ADC&DSP模块15。
偏振复用电光调制器3内部包含双平行电光调制波导X31以及双平行电光调制波导Y32。偏振分束器7包括两个输出端口。
激光器1产生单频点连续波光载波，经过偏振控制器2输入偏振复用电光调制器3。时钟6输出两路时钟基准分别提供给第一DDS4和第二DDS5。第一DDS4输出连接至偏振复用电光调制器3内部双平行电光调制波导X31射频口，调制在偏振方向为X的光载波上。第二DDS5输出连接至偏振复用电光调制器3内部双平行电光调制波导Y32射频口,调制在偏振方向为Y的光载波上。其中偏振方向X和偏振方向Y正交。通过改变所述偏振复用电光调制器3内部偏压工作点，实现不同阶的光学倍频。
偏振复用电光调制器3输出连接至偏振分束器7，输出两路偏振正交光信号，其中双平行电光调制波导X31调制信号由第一输出端口71输出，双平行电光调制波导Y32调制信号由第二输出端口72输出。输出端口71后端依次连接光带通滤波器8、光电探测器9、放大及收发天线10。
功率放大及收发天线10输出的回波信号接入相位调制器11的射频输入端口，第二输出端口72输出信号连接相位调制器11的光输入端口，用于对功率放大及收发天线10输出回波信号进行调制，相位调制器11输出经过光带通滤波器12连接光电探测器13，光本振信号与回波信号拍频，完成光学去斜。光学去斜后输出低频、窄带微波信号，经过低通滤波器14以及低速的ADC&DSP模块15即可完成雷达信号处理。
附图3所示为本发明中不同阶段信号变化流程示意图。实现步骤如下：
发射端采用双路DDS驱动，第一DDS和第二DDS工作在同一个时钟基准下，分别产生出射信号和参考信号：
第一DDS产生带宽B1，频率f1，时宽τ1的线性调频信号，时间带宽变化斜率为k，如图(a)；
第二DDS产生带宽B2，频率f2，时宽τ2的线性调频信号，时间带宽变化写仍为k，如图(b)；
第一DDS和第二DDS分别驱动IQ-DPMZM的X路和Y路，分别实现光学四倍频。输出I路(如图(c))和Q路(如图(d))信号偏振正交；
第二DDS与第一DDS之间触发延迟为Δt；延迟后输出I路和Q路信号分别如图(e)和图(f)所示；
利用偏振分束器将X路和Y路分开，X路直接光电探测，输出带宽4B，频率4f1，时宽τ的线性调频信号,如图(e)。经过放大和天线完成输出；
Y路经过可调光延迟补偿，光纤馈送作为参考信号，驱动接收端的电光调制器,如图(f)。
根据待测目标距离，改变第一DDS与第二DDS延迟Δt，使得第一DDS产生回波线性调频信号落在参考信号窗口内,如图(g)；
天线收到回波信号，连接接收端的电光调制器，之后经过带通滤波和相干接收，输出去调谐后中频信号。
利用低速ADC&DSP完成雷达信号处理。
本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，其特征在于：包括发射装置和接收装置；其中，发射装置包括激光器(1)、偏振控制器(2)、偏振复用电光调制器(3)、第一DDS(4)、第二DDS(5)、时钟(6)、偏振分束器(7)、光带通滤波器(8)、光电探测器(9)、功率放大及收发天线(10)；接收装置包括相位调制器(11)、光带通滤波器(12)、光电探测器(13)、低通滤波器(14)以及ADC&DSP模块(15)；激光器(1)、偏振控制器(2)和偏振复用电光调制器(3)从左至右依次相连，第一DDS(4)的输入端和第二DDS(5)的输入端均与时钟(6)相连，输出端均连接至电光调制器(3)的前端；电光调制器(3)后端依次连接偏振分束器(7)、光带通滤波器(8)、光电探测器(9)、功率放大及收发天线(10)、相位调制器(11)、光带通滤波器(12)、光电探测器(13)、低通滤波器(14)以及ADC&DSP模块(15)；其中偏振复用电光调制器(3)内部包含双平行电光调制波导X(31)以及双平行电光调制波导Y(32)。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，其特征在于：
激光器(1)产生单频点光载波，经过偏振控制器(2)输入至偏振复用电光调制器(3)；时钟(6)输出两路时钟基准分别提供给第一DDS(4)和第二DDS(5)；第一DDS(4)的输出端连接至偏振复用电光调制器(3)内部双平行电光调制波导X(31)，第二DDS(5)的输出端连接至偏振复用电光调制器(3)内部双平行电光调制波导Y(32)；偏振复用电光调制器(3)输出端连接至偏振分束器(7)，双平行电光调制波导X(31)调制信号由偏振分束器(7)的第一输出端口(71)输出，双平行电光调制波导Y(32)调制信号由偏振分束器(7)的第二输出端口(72)输出；第一输出端口(71)输出信号通过光带通滤波器(8)滤除掉带外杂波，经过光电探测器(9)实现信号拍频，转换为宽带射频微波信号，经放大及收发天线(10)完成信号发射。放大及收发天线(10)接收到的回波信号经过相位调制器(11)完成回波信号与端口(72)输出光信号的光学调制；相位调制器(11)输出信号通过光带通滤波器(12)选择需要的边带信息，之后经光电探测器(13)完成光学去斜，低通滤波器(14)选择低频的去斜信号，送至ADC&DSP模块(15)进行数字信号处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，其特征在于：
所述偏振分束器(7)通过改变进入偏振分束器的光偏振方向，使得调制在偏振方向为X及调制在偏振方向为Y的光信号分别从第一输出端口(71)和第二输出端口(72)输出，微调输入光偏振态，使两个通道输出光的带外抑制比达到最大。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，其特征在于：
相位调制器(11)输出经过光带通滤波器(12)，选择调制后光信号上下边带中的一个，以打破上下边带拍频的相位失配关系，实现相位调制到强度调制的转换，之后经过光电探测器(14)，光本振信号与回波信号拍频，完成光学去斜。
5.一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发方法，其特征在于步骤如下：
1)激光器(1)产生单频点光载波，经过偏振控制器(2)输入至偏振复用电光调制器(3)；
2)时钟(6)输出两路时钟基准分别提供给第一DDS(4)和第二DDS(5)；第一DDS(4)的输出端连接至偏振复用电光调制器(3)内部双平行电光调制波导X(31)，第二DDS(5)的输出端连接至偏振复用电光调制器(3)内部双平行电光调制波导Y(32)；
3)偏振复用电光调制器(3)输出端连接至偏振分束器(7)，双平行电光调制波导X(31)调制信号由偏振分束器(7)的第一输出端口(71)输出，双平行电光调制波导Y(32)调制信号由偏振分束器(7)的第二输出端口(72)输出；第一输出端口(71)输出信号通过光带通滤波器(8)滤除掉带外杂波，经过光电探测器(9)实现信号拍频，转换为宽带射频微波信号，经放大及收发天线(10)完成信号发射；
4)放大及收发天线(10)接收到的回波信号经过相位调制器(11)完成回波信号与第二输出端口(72)输出光信号的光学调制；相位调制器(11)输出信号通过光带通滤波器(12)选择需要的边带信息，之后经光电探测器(13)完成光学去斜，低通滤波器(14)选择低频的去斜信号，送至ADC&DSP模块(15)进行数字信号处理。
6.根据权利要求5所述的一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，其特征在于：
所述偏振分束器(7)通过改变进入偏振分束器的光偏振方向，使得调制在偏振方向为X及调制在偏振方向为Y的光信号分别从第一输出端口(71)和第二输出端口(72)输出，微调输入光偏振态，使两个通道输出光的带外抑制比达到最大。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于偏振复用光学倍频的微波光子相干雷达收发装置，其特征在于：
所述相位调制器(11)输出经过光带通滤波器(12)，选择调制后光信号上下边带中的一个，以打破上下边带拍频的相位失配关系，实现相位调制到强度调制的转换，之后经过光电探测器(14)，光本振信号与回波信号拍频，完成光学去斜。
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