CN109861759A - 基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置及方法，所述装置包括：偏置控制电路一连接至电光调制器的偏置控制端口，信号发生器连接至电光调制器的射频输入端口；激光器连接光耦合器一的输入端口；光耦合器一的输出端口一经光频率梳产生器一连接光耦合器二的输入端口一，光耦合器一的输出端口二连接至电光调制器的光学输入端口；电光调制器的输出端口经光频率梳产生器二后连接至光耦合器二的输入端口二；光耦合器二的输出端口、阵列光滤波器、阵列延时处理模块、光电探测器阵列、微波前端阵列和天线阵列依次连接。本发明利用微波光子技术在并行处理和波长复用方面的优势，实现阵列步进微波信号的一次性产生和并行处理。

Description

基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置及方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其是一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置及方法。

背景技术

2006年，美国空军动力研究实验室提出了频率分集阵列(频率分集阵列：Frequency Diverse Array,又称频控阵)的概念(Paul Antonik,Michael C.Wicks,HughD.Griffiths and Christopher J.Baker,Frequency diverse array Radars,2006IEEERadar Conference,2006,Vols.1and 2：215-217)，通过在相邻阵元上对发射信号附加一个远小于中心频率的频率增量Δf，即第一个阵元的辐射频率为f₀,而第m个阵元的辐射信号频率为f₀+(m-1)Δf。当频偏Δf固定时，波束指向随着距离变化而周期性变化，即形成了距离相关波束。与相控阵不同的是，频率分集阵列中的各阵元附加了很小的频率步进量，这样辐射出去的信号频率中心有所偏移，但主要频率成分重叠。由于这种阵列形成的方向图具有距离依赖性，因此频控阵能够用于距离识别——在距离模糊杂波抑制、欺骗干扰抑制、动目标检测、高分辨雷达成像等方面具有潜在的优势。

在发射频控阵的系统架构方面，2008年，WICK和ANTONIK申请了一种基于混频器步进频率的频控阵发明专利(Michael C.Wicks,Paul Antonik,Frequency diverse arraywith independent modulation of freqency,amplitude and phase,2008.专利号：7.319.427B2)。采用这种方法时，使用的混频器数量等于阵元数量，随着阵元规模增加，混频器数量同比增加。同时，为了补偿混频器带来的插入损耗，电学放大器的数量也同比增加。另外，还必须解决混频器的镜像频率和本振频率的交调影响问题，避免后续的信号处理出现目标模糊。

2009年，在WICK和ANTONIK申请的第二项专利中(Michael C.Wicks,PaulAntonik,Method and appratus for a frequency diverse array,2009.专利号：7.511.665B2)，频率分集阵列的各阵元使用独立的点频源，这样可以分别设置频移量以及每个阵元的波形，但是这种设计成本更高，还需要考虑时钟抖动和相位误差的抑制问题。另外，这种频率源通常采用直接数字频率合成(DDS)方法设计，DDS的波形灵活生成能力强，但是DDS是基于采样定理的数字器件，其中心频率几乎无法达到GHz量级。

文献M.Secmen,S.Demir and A.Hizal and T.Eker,Frequency diverse arrayantenna with periodic time modulated pattern in range and angle,2007Proc IEEERadar Conference,Boston,MA,USA,2007,427-430，提出了一种基于混频器级联的设计方案。通过将每个通道对应的混频器用传输线串联起来，系统只需要一个频移信号源和一个中心频率源。适当选择天线之间传输线的长度使得各阵元在中心频率处的激励相位相等。

2013年，文献T.Eker,S.Demir,and A.HizaI,Exploitation of linearfrequency modulation continuous waveform(LFMCW)for frequency diverse arrays,IEEETransactions on Antennas and Propagation,2013,61(7):3546-3553，以及中国专利CN 108306115A，王文钦，万珂妙，陈慧等，一种空时调制阵列天线系统及其生产方法，提出了采用线性调频连续波和微波延时线的方法来实现阵元之间的频移，能够避免阵列混频过程。文献中采用压控振荡器(VCO)实现了6～10GHz的线性调频信号源，通过在高介电常数基板上的传输线设计实现阵元之间的延时处理。但是电学延时插损大、总延时量小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对传统电学频控阵混频器件多、通道相干性不易保持、宽带调谐难度大等缺点，提供一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置及方法，利用微波光子技术在并行处理和波长复用方面的优势，实现步进微波信号的阵列一次性产生和并行处理。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，包括：相干光产生模块、光频率梳产生器一、光频率梳产生器二、光耦合器二、阵列光滤波器、阵列延时处理模块、光电探测器、微波前端模块和天线阵列；相干光产生模块包括：激光器、光耦合器一、偏置控制电路一、电光调制器和信号发生器；偏置控制电路一连接至电光调制器的偏置控制端口，信号发生器连接至电光调制器的射频输入端口；激光器连接光耦合器一的输入端口；光耦合器一的输出端口一经光频率梳产生器一连接光耦合器二的输入端口一，光耦合器一的输出端口二连接至电光调制器的光学输入端口；电光调制器的输出端口经光频率梳产生器二后连接至光耦合器二的输入端口二；光耦合器二的输出端口、阵列光滤波器、阵列延时处理模块、光电探测器阵列、微波前端阵列和天线阵列依次连接。

其中，阵列延时处理模块包括m根不同长度的光纤，光电探测器阵列包括m个光电探测器，微波前端阵列包括m个微波前端，天线阵列包括m个天线；阵列光滤波器经阵列延时处理模块的光纤与光电探测器、微波前端和天线一一对应连接，形成m个通道。

其中，光频率梳产生器一和光频率梳产生器二均包括：相位调制器、强度调制器、信号源、电耦合器、射频放大器一、移相器、射频放大器二、偏置控制电路二和光滤波器；相位调制器、强度调制器和光滤波器依次连接；信号源经电耦合器分别连接射频放大器一和射频放大器二的输入端口；射频放大器一的输出端口经移相器连接相位调制器的射频输入端口；射频放大器二的输出端口连接强度调制器的射频输入端口；偏置控制电路二连接强度调制器的偏置控制端口。

其中，电光调制器为双平行马赫-曾德尔电光调制器，工作于载波抑制单边带调制状态。

其中，阵列光滤波器为波分复用器。

其中，在激光器和光耦合器二之间的光路采用保偏光纤或者偏振控制器保持光信号的偏振状态。

一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法，包括如下步骤：

(1)激光器输出的单色光经光耦合器一一分为二，其中一路经光频率梳产生器一形成光频率梳一；另一路经电光调制器进行频率偏移后，再经光频率梳产生器二形成光频率梳二；

(2)光频率梳一和光频率梳二经光耦合器二合成为相干光频率梳；

(3)阵列光滤波器按照等间隔分离相干光频率梳，分离后的m路光信号输出至对应的通道；

(4)阵列延时处理模块对经步骤(3)物理分离后的m路光信号进行延时处理，然后经光电探测器转换为微波信号，并经微波前端放大后由天线发射出去。

其中，步骤(1)中，另一路经电光调制器进行频率偏移的频率偏移量等于信号发生器的输出频率。

其中，步骤(3)中阵列光滤波器分离相干光频率梳的等间隔为(Δ₁+Δ₂)/2，其中，Δ₁为光频率梳一的自由频谱范围，Δ₂为光频率梳二的自由频谱范围。

其中，步骤(4)中阵列延时处理模块对经步骤(3)物理分离后的m路光信号进行延时处理的方法为：控制阵列延时处理模块的光纤长度，使m路光信号的延时相等。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明支持中心频率和偏移量的宽带调谐：通过双平行马赫-曾德尔电光调制器(DPMZM)调谐第一梳齿的光频率偏移，就可以调谐频率分集阵列的中心频率；通过调谐两路光频梳发生器中的信号源工作频率，可以调谐相邻阵元的频率差。并且中心频率和相邻阵元的频率差可以独立调谐。克服了电学器件可调谐范围有限、相干性不易保持的缺点。

2、本发明支持中心频率和频率步进向高频扩展：由于微波光子技术具有光域的超宽带处理能力，使用该系统能够适应的信号带宽宽，因此，只需要改变微波放大等少数电学器件，通过调谐就能够将频率分集阵列的中心频率扩展到毫米波，根据需要，相邻阵元的频率差也可以扩展到GHz量级。克服了电学器件处理带宽窄的缺点。

3、本发明支持阵列规模扩展：由于微波光子技术具有并行处理能力和波分复用的特点，在阵列规模增大时，通过在光频率梳产生器中级联更多的调制器可以增加光梳齿数量，配合适当的增益补偿措施和光滤波器参数改动，就可以支撑更多的天线阵元，能够极大地提高器件的复用性。克服了电学频率分集阵列规模扩展时混频器或信号发生器等器件规模成比例扩展的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置的结构框图。

图2为本发明的光频率梳产生器一和光频率梳产生器二的结构框图。

图3为本发明的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法中的信号的频率关系图。

图4为具体实施例中的光频率关系图。

图5为具体实施例中的光频率梳一的光谱图。

图6为具体实施例中的光频率梳二的光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，如图1所示，包括：相干光产生模块、光频率梳产生器一、光频率梳产生器二、光耦合器二、阵列光滤波器、阵列延时处理模块、光电探测器、微波前端模块和天线阵列；相干光产生模块包括：激光器、光耦合器一、偏置控制电路一、电光调制器和信号发生器；偏置控制电路一连接至电光调制器的偏置控制端口，信号发生器连接至电光调制器的射频输入端口；激光器连接光耦合器一的输入端口；光耦合器一的输出端口一经光频率梳产生器一连接光耦合器二的输入端口一，光耦合器一的输出端口二连接至电光调制器的光学输入端口；电光调制器的输出端口经光频率梳产生器二后连接至光耦合器二的输入端口二；光耦合器二的输出端口、阵列光滤波器、阵列延时处理模块、光电探测器阵列、微波前端阵列和天线阵列依次连接。

其中，阵列延时处理模块包括m根不同长度的光纤，光电探测器阵列包括m个光电探测器，微波前端阵列包括m个微波前端，天线阵列包括m个天线；阵列光滤波器经阵列延时处理模块的光纤与光电探测器、微波前端和天线一一对应连接，形成m个通道。

其中，如图2所示，光频率梳产生器一和光频率梳产生器二均包括：相位调制器、强度调制器、信号源、电耦合器、射频放大器一、移相器、射频放大器二、偏置控制电路二和光滤波器；相位调制器、强度调制器和光滤波器依次连接；信号源经电耦合器分别连接射频放大器一和射频放大器二的输入端口；射频放大器一的输出端口经移相器连接相位调制器的射频输入端口；射频放大器二的输出端口连接强度调制器的射频输入端口；偏置控制电路二连接强度调制器的偏置控制端口。

其中，电光调制器为双平行马赫-曾德尔电光调制器(DPMZM)，工作于载波抑制单边带调制状态。

其中，阵列光滤波器为波分复用器，应当理解的是波分复用器为本实施例的优选，也可以是其他光滤波器。

本发明还提供一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法，包括如下步骤：

(1)激光器输出的单色光经光耦合器一一分为二，其中一路经光频率梳产生器一形成光频率梳一；光频率梳一的光谱如图3(a)所示，每个频率分量的频率为：

f₁(m)＝f(1)+(m-1)Δ₁

其中，f(1)为光频率梳一的第一频率分量的频率，Δ₁为光频率梳一的自由频谱范围，m为对应的通道数量；

另一路经电光调制器进行频率偏移后，再经光频率梳产生器二形成光频率梳二；另一路经电光调制器通过抑制载波单边带调制产生频率偏移f_RF。光频率梳二的光谱如图3(b)所示，每个频率分量的频率为：

f₂(m)＝f(1)+f_RF+(m-1)Δ₂

其中，Δ₂为光频率梳二的自由频谱范围；

(2)光频率梳一和光频率梳二经光耦合器二合成为相干光频率梳；相干光频率梳的光谱如图3(c)所示；

(3)阵列光滤波器按照等间隔分离相干光频率梳，分离后的光信号输出至对应的通道；阵列光滤波器分离相干光频率梳的等间隔为(Δ₁+Δ₂)/2时，分离后的光信号光谱如图3(d)所示。

(4)阵列延时处理模块对经步骤(3)物理分离后的光信号进行延时处理，然后经光电探测器转换为微波信号，并经微波前端放大后由天线发射出去。其中，步骤(4)中阵列延时处理模块对经步骤(3)物理分离后的m路光信号进行延时处理的方法为：控制阵列延时处理模块的光纤长度，使m路光信号的延时相等。

由于采用同一激光源，且在整个光路上使用保偏光纤或者使用偏振控制器件，每对光频率梳中的光信号在光电探测器处进行相干拍差，如图3(e)所示，每个光电探测器输出的信号频率为：

f(m)＝f_RF+(m-1)|Δ₁-Δ₂|

通过上述基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法，能够在光域经一次下变频处理产生等间隔的微波频率，经微波前端放大等处理后作为频率分集阵列中天线阵列的输入信号。其中，光频率梳一和光频率梳二的第一频率分量的频率差决定了微波信号的中心频率f_RF，光频率梳一和光频率梳二的自由频谱间隔绝对值|Δ₁-Δ₂|决定了相邻阵元的频率偏移量。

以下以发射频率分集阵列4路信号为例，对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

(1)设定激光器输出的单色光的光频率为193.439THz，对应的波长为1549.80nm。因此，输入光频率梳发生器一的光频率为193.439THz，对应的波长为1549.80nm；信号发生器的输出频率为20GHz，电光调制器抑制了载波和一个边带，因此，输入光频率梳发生器二的光频率为193.459THz，对应的波长为1549.64nm。则f(1)＝193.439THz，f_RF＝20GHz。

光频率梳发生器一的输出梳齿间隔为50.05GHz的光频率梳一，如图4(a)所示，光频率梳发生器二的输出梳齿间隔为49.95GHz的光频率梳二，如图4(b)所示；在光频率梳发生器一和光频率梳发生器二中，强度调制器和相位调制器的半波电压V_π均为5V，输入强度调制器的直流偏置电压为0.5V_π，微波信号电压也为0.5V_π，输入相位调制器的微波信号电压为6V，输入强度调制器和相位调制器的微波信号相位差为0度，则光频率梳发生器一输出的信号的光谱如图5所示，光频率梳发生器二输出的信号的光谱如图6所示。使用光滤波器选择虚线框所示的4根梳齿；仿真表明，这4根梳齿的平坦度小于±1dB，梳齿间隔等于信号源的工作频率。

(2)梳齿间隔为50.05GHz的光频率梳一和梳齿间隔为49.95GHz的光频率梳二经光耦合器二合成相干光频率梳，如图4(c)所示。

(3)阵列光滤波器为波分复用器，中心波长分别为1549.72nm、1549.32nm、1548.92nm、1548.52nm，对应ITU波长C34+、C35、C35+、C36。按照等梳齿间隔分离相干光频率梳，分离后的4路光信号输出至对应的通道。

(4)控制阵列延时处理模块的光纤长度，使得4路光信号的延时相等，然后经光电探测器分别输出20GHz、19.9GHz、19.8GHz、19.7GHz的微波信号，这些微波信号经微波前端放大后由天线发射出去，实现频率分集阵列4路信号发射。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，其特征在于，包括：相干光产生模块、光频率梳产生器一、光频率梳产生器二、光耦合器二、阵列光滤波器、阵列延时处理模块、光电探测器、微波前端模块和天线阵列；相干光产生模块包括：激光器、光耦合器一、偏置控制电路一、电光调制器和信号发生器；偏置控制电路一连接至电光调制器的偏置控制端口，信号发生器连接至电光调制器的射频输入端口；激光器连接光耦合器一的输入端口；光耦合器一的输出端口一经光频率梳产生器一连接光耦合器二的输入端口一，光耦合器一的输出端口二连接至电光调制器的光学输入端口；电光调制器的输出端口经光频率梳产生器二后连接至光耦合器二的输入端口二；光耦合器二的输出端口、阵列光滤波器、阵列延时处理模块、光电探测器阵列、微波前端阵列和天线阵列依次连接。

2.如权利要求1所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，其特征在于，阵列延时处理模块包括m根不同长度的光纤，光电探测器阵列包括m个光电探测器，微波前端阵列包括m个微波前端，天线阵列包括m个天线；阵列光滤波器经阵列延时处理模块的光纤与光电探测器、微波前端和天线一一对应连接，形成m个通道。

3.如权利要求1所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，其特征在于，光频率梳产生器一和光频率梳产生器二均包括：相位调制器、强度调制器、信号源、电耦合器、射频放大器一、移相器、射频放大器二、偏置控制电路二和光滤波器；相位调制器、强度调制器和光滤波器依次连接；信号源经电耦合器分别连接射频放大器一和射频放大器二的输入端口；射频放大器一的输出端口经移相器连接相位调制器的射频输入端口；射频放大器二的输出端口连接强度调制器的射频输入端口；偏置控制电路二连接强度调制器的偏置控制端口。

4.如权利要求1所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，其特征在于，电光调制器为双平行马赫-曾德尔电光调制器，工作于载波抑制单边带调制状态。

5.如权利要求1所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，其特征在于，阵列光滤波器为波分复用器。

6.如权利要求1所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现装置，其特征在于，在激光器和光耦合器二之间的光路采用保偏光纤或者偏振控制器保持光信号的偏振状态。

7.一种基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)激光器输出的单色光经光耦合器一一分为二，其中一路经光频率梳产生器一形成光频率梳一；另一路经电光调制器进行频率偏移后，再经光频率梳产生器二形成光频率梳二；

(2)光频率梳一和光频率梳二经光耦合器二合成为相干光频率梳；

(3)阵列光滤波器按照等间隔分离相干光频率梳，分离后的m路光信号输出至对应的通道；

(4)阵列延时处理模块对经步骤(3)物理分离后的m路光信号进行延时处理，然后经光电探测器转换为微波信号，并经微波前端放大后由天线发射出去。

8.如权利要求7所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法，其特征在于，步骤(1)中，另一路经电光调制器进行频率偏移的频率偏移量等于信号发生器的输出频率。

9.如权利要求7所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法，其特征在于，步骤(3)中阵列光滤波器分离相干光频率梳的等间隔为(Δ₁+Δ₂)/2，其中，Δ₁为光频率梳一的自由频谱范围，Δ₂为光频率梳二的自由频谱范围。

10.如权利要求7所述的基于相干光频率梳的频率分集阵列实现方法，其特征在于，步骤(4)中阵列延时处理模块对经步骤(3)物理分离后的m路光信号进行延时处理的方法为：控制阵列延时处理模块的光纤长度，使m路光信号的延时相等。