CN110958032B - 基于光子学的射频存储和移频装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光子学的射频存储和移频装置，该装置包括：单频激光器、1:1的1×2耦合器、双平行电光调制器、第一声光移频器、第二声光移频器、1:1的2×1耦合器、1:1的2×2耦合器、半导体放大器型光开关、光学带通滤波器、延时光纤、电控光开关、光电探测器、控制信号模块。该发明能够对瞬时带宽大的射频信号高保真存储和快速可调移频；同时该装置存储射频信号时间长，存储时间和移频大小可控制，并且有强抗电磁干扰能力。

Description

基于光子学的射频存储和移频装置

技术领域

本发明涉及射频信号存储和移频装置，特别是一种基于光子学的射频信号存储和移频装置。

背景技术

射频信号存储和移频技术是电子干扰领域重要研究内容之一，能够有效干扰运动目标的距离及速度信息。射频信号存储是指将敌方发射的探测脉冲进行时域上保存并在一定时间间隔后再发送回去一个或多个脉冲信号；射频移频是指将接收到的射频信号的频率进行修改再将其重新发送回去。通过对存储时间和移频大小准确仔细控制，干扰机就能欺骗敌方的雷达。因为光纤本身具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点，所以基于光子学的方法对宽带及复杂波形射频信号的高保真存储和移频中有突出的优势。

目前基于光子学的射频存储技术代表性的方案是基于光纤移频延时环的存储结构【Nguyen T A,Chan E H W,Minasian R A.Photonic Radio Frequency Memory UsingFrequency Shifting Recirculating Delay Line,Structure[J].Journal of LightwaveTechnology,2014,32(1):99-106】，该技术是基于移频光纤环结构的全光射频存储技术，通过在光纤环中添加声光移频器来避免单波长激光的相干干扰，其全光的结构特点奠定了其大瞬时带宽和动态范围的优势，并实现了循环次数超过186、存储时长为300μs的高保真射频存储功能。而基于光子学的射频移频技术代表性的方案是基于调频激光色散效应的移频补偿方案，频率不同的激光在色散元件中将调制射频信号波形进行压缩或者展宽，通过仿真验证了高速铁路上无线通信时多普勒频移补偿的可行性【Zheng R,Kong Y,Chan E H W,et al.Photonics based Microwave Frequency Shifter for Doppler ShiftCompensation in High-Speed Railways[C]//Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim.Optical Society of America,2018:F2C.4】。

但是以上两种方法均只实现了射频存储或移频中某一种功能。单一的干扰技术只能对只有距离或速度检测、跟踪能力的雷达奏效，无法欺骗具有距离-速度二维信息同时检测、跟踪能力的雷达，如脉冲多普勒雷达。因此，需要一种能够同时实现宽带射频信号存储及移频的干扰装置，以应对新体制雷达的探测并实现有效干扰。

发明内容

本发明的目的是实现速度和空间距离两个方面的干扰，将干扰目标想捕获的参数复杂化，达到更为完善的干扰目的。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光子学的射频存储和移频装置，特点在于其构成包括窄线宽半导体激光器、射频信号发生器、1:1的1×2耦合器、双平行调制器、第一声光移频器、第二声光移频器、1:1的2×1耦合器、1:1的2×2耦合器、半导体放大器型光开关、光学带通滤波器、延时光纤、电控光开关、光电探测器、控制信号模块。所述的单频激光器的输出端与1:1的1×2耦合器的输入端相连，该1:1的1×2耦合器的第一输出端与所述的双平行电光调制器的光信号输入端相连，所述的射频信号发生装置的输出端与双平行电光调制器的电信号输入端相连，双平行电光调制器的输出端与第一声光移频器的输入端相连，第一声光移频器的输出端与所述的1:1的2×1耦合器的第一输入端相连，1:1的1×2耦合器的第二输出端与所述的第二声光移频器的输入端相连，第二声光移频器的输出端与1:1的2×1耦合器的第二输入端相连，1:1的2×1耦合器的输出端与所述的1:1的2×2耦合器的第一输入端相连。1:1的2×2耦合器的第一输出端与所述的电控光开关的输入端相连，1:1的2×2耦合器的第二输出端与所述的半导体放大器型光开关的输入端相连，半导体放大器型光开关的输出端与所述的光学带通滤波器的输入端相连，光学带通滤波器的输出端与所述的延时光纤的输入端相连，延时光纤的输出端与1:1的2×2耦合器的第二输入端相连，电控光开关的输出端与所述的光电探测器的输入端相连，所述的控制信号模块的输出信号分别与第一声光移频器、第二声光移频器、半导体放大器型光开关、电控光开关的控制信号输入端相连。

激光器之后将光载波一分为二，一个是通过可调的第二声光移频器来对光载波进行移频，另一个是通过双平行调制器的单边带载波抑制调制射频信号，只保留正一阶边带，该一阶边带通过第一声光移频器移频。该两个声光移频器的移频频率不同，在探测器端对移频量不同的正一阶边带和光载波进行相干探测，获得经过移频处理的射频信号。

所述的第一声光移频器和第二声光移频器均具有开关特点，控制移频作用的时间段，仅对调制有输入射频脉冲内的正一阶边带和同时段的光载波进行移频。

所述的半导体放大器型光开关为高消光比、快速响应的放大器型光开关，其放大增益接近光纤环内的损耗，通过时延控制模块控制该光开关的放大时段，对该时段之外的无关信号进行抑制。

所述的控制信号模块为基于现场可编程门阵列的多通道的时延控制电路板。通过上位机软件对该模块各个通道的输出高电平持续时间和个数的设置，控制输出射频脉冲的时延和脉冲个数。

所述的光学带通滤波器用来滤除光纤环中无关的噪声，减缓半导体放大器的增益饱和速度，带通滤波器的中心波长对应于光载波波长，带宽应大于输入射频信号带宽的2倍。

所述的电控光开关用来选择不同时延后的一个或多个脉冲，灵活控制输出射频脉冲的时延和个数。

本发明的特点和优点是：

1.本发明通过在光纤环中加入半导体放大器型光开关来控制光脉冲放大的脉宽，极大抑制脉宽外半导体放大器的噪声在光纤环中的累积，提高输出信号的信噪比；

2.本发明装置使用双平行调制器的单边带载波抑制技术和两个声光移频器的差频移频，实现了射频移频的精确及快速操控；

3.本发明能满足射频脉冲大瞬时带宽和动态范围的性能要求，并且能同时实现长时间的存储时间和精确的移频范围。

附图说明

图1是基于光子学的射频存储和移频装置结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一种基于光子学的射频信号存储和移频装置如图1所示，其构成包括窄线宽半导体激光器1、1:1的1×2耦合器2、双平行调制器3、射频信号发生器4、第一声光移频器5、第二声光移频器6、1:1的2×1耦合器7、1:1的2×2耦合器8、半导体放大器型光开关9、光学带通滤波器10、延时光纤11、电控光开关12、光电探测器13、控制信号模块14等。所述的单频激光器的输出端与1:1的1×2耦合器的输入端相连，该1:1的1×2耦合器的第一输出端与所述的双平行电光调制器输入端相连，所述的射频信号发生装置的输出端与双平行电光调制器的电信号输入端相连，双平行电光调制器的输出端与第一声光移频器的输入端相连，第一声光移频器的输出端与所述的1:1的2×1耦合器的第一输入端相连，1:1的1×2耦合器的第二输出端与所述的第二声光移频器的输入端相连，第二声光移频器的输出端与1:1的2×1耦合器的第二输入端相连，1:1的2×1耦合器的输出端与所述的1:1的2×2耦合器的第一输入端相连。1:1的2×2耦合器的第一输出端与所述的电控光开关的输入端相连，1:1的2×2耦合器的第二输出端与所述的半导体放大器型光开关的输入端相连，半导体放大器型光开关的输出端与所述的光学带通滤波器的输入端相连，光学带通滤波器的输出端与所述的延时光纤的输入端相连，延时光纤的输出端与1:1的2×2耦合器的第二输入端相连，电控光开关的输出端与所述的光电探测器的输入端相连，所述的控制信号模块的输出信号分别与第一声光移频器、第二声光移频器、半导体放大器型光开关、电控光开关的控制信号输入端相连。

本发明装置工作原理如下：

第一、窄线宽的光载波由窄线宽半导体激光器1产生，经由1×2耦合器2分为两路，一路经双平行调制器3将接收到的射频脉冲信号单边带载波抑制调制到光载波上，只保留了其正一阶边带，然后经第一声光移频器5将正一阶边带移频f₀。

第二、另一路的光载波经第二声光移频器6移频f₁。第一声光移频器5和第二声光移频器6的通断将受到外部的控制信号模块14的电平控制，将所需脉宽的光信号进入后端。由于已经做了单边带载波抑制处理，二合一之后不会相互干扰，破坏信号传输。

第三、从第一声光移频器5和第二声光移频器6出来的脉冲光经2×1耦合器7合路输入到2×2耦合器8中，进入2×2耦合器8的第二输出端的脉冲信号经半导体放大器型光开关9控制放大时间，再经过光学带通滤波器10和延迟光纤11，进入2×2耦合器8的第二输入端，组成了一个环路。

第四、半导体光放大器型光开关9的通断同样受到外部的控制信号模块14的电平控制，当光脉冲每次在光纤环中经过时，该光开关被延迟触发而打开，仅放大光脉冲内的信号，抑制脉宽外的噪声累积，延长循环次数。

第五、从2×2耦合器8的第一输出端出来的光经由电控光开关12进入到光电探测器13，电控光开关12同样受到外部的控制信号模块14的电平控制，该电控光开关12的消光比要求不高，一般的电光开关即可。当该电控光开关状态为开时，光脉冲信号从2×2耦合器8经电控光开关12进入光电探测器13。

第六、通过控制电控光开关12通断的时延和次数，在光电探测器13输出端可获得不用时延量和个数的射频脉冲。此时在光电探测器13中的光脉冲的频谱包括移频f₀后的正一阶边带和未受调制但经过f₁移频的光载波，经过光电探测器13时将会发生相干探测，得到存储和移频之后的射频脉冲信号。

本发明光纤环中单模光纤的长度决定了单次循环的时延量，即时延的步进量。而当单模光纤长度即时延步进量固定时，时延的可调范围主要与光纤环的循环次数有关。当半导体放大器型光开关的增益越接近光纤环的增益，循环次数越大；另外光纤环中带通光滤波器的带宽越小，每次循环的噪声累积就越小，所以在不影响宽带射频传输的情况下，带通光滤波器的带宽应越小越好。

以上技术方案可以实现一种基于光子学的、可以同时进行射频脉冲信号存储和移频的装置。该装置通过对雷达探测与接收的时延差和射频信号频率两个参数的修改，对敌方的电子侦察造成了较大的干扰，从而导致对方的错误判断，因而该技术在电子信息干扰领域具有重要的作用；另外，基于光子学的射频存储和移频具有处理大瞬时带宽、大动态范围、长存储时间和精确移频量的射频信号的能力，大大增强了电子干扰在该方向上的竞争优势和内在潜力。虽然参照以上实例详细描述了本发明装置，但是应该理解本发明并不仅仅限于所公开的实施方法和实施例。对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如，将窄线宽半导体激光器的形式可以代替为窄线宽光纤激光器，电控光开关的形式可以替换为声控或机械式光开关等等，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于光子学的射频存储和移频装置，特征在于其构成包括单频激光器(1)、1:1的1×2耦合器(2)、双平行电光调制器(3)、射频信号发生器(4)、第一声光移频器(5)、第二声光移频器(6)、1:1的2×1耦合器(7)、1:1的2×2耦合器(8)、半导体放大器型光开关(9)、光学带通滤波器(10)、延时光纤(11)、电控光开关(12)、光电探测器(13)、控制信号模块(14)，上述器件的位置关系如下：

所述的单频激光器(1)的输出端与1:1的1×2耦合器(2)的输入端相连，该1:1的1×2耦合器(2)的第一输出端与所述的双平行电光调制器(3)的光信号输入端相连，所述的射频信号发生装置(4)的输出端与双平行电光调制器(3)的电信号输入端相连，双平行电光调制器(3)的输出端与第一声光移频器(5)的输入端相连，第一声光移频器(5)的输出端与所述的1:1的2×1耦合器(7)的第一输入端相连，1:1的1×2耦合器(2)的第二输出端与所述的第二声光移频器(6)的输入端相连，第二声光移频器(6)的输出端与1:1的2×1耦合器(7)的第二输入端相连，1:1的2×1耦合器(7)的输出端与所述的1:1的2×2耦合器(8)的第一输入端相连，1:1的2×2耦合器(8)的第一输出端与所述的电控光开关(12)的输入端相连，1:1的2×2耦合器(8)的第二输出端与所述的半导体放大器型光开关(9)的输入端相连，半导体放大器型光开关(9)的输出端与所述的光学带通滤波器(10)的输入端相连，光学带通滤波器(10)的输出端与所述的延时光纤(11)的输入端相连，延时光纤(11)的输出端与1:1的2×2耦合器(8)的第二输入端相连，电控光开关(12)的输出端与所述的光电探测器(13)的输入端相连，所述的控制信号模块(14)的输出信号分别与第一声光移频器(5)、第二声光移频器(6)、半导体放大器型光开关(9)、电控光开关(12)的控制信号输入端相连；

所述的双平行电光调制器(3)和第一声光移频器(5)、第二声光移频器(6)构成移频结构，双平行电光调制器(3)的单边带载波抑制仅保留了调制后的正一阶边带，并通过第一声光移频器(5)、第二声光移频器(6)分别对正一阶边带和光载波移频，两个移频器的移频量不同，在探测器端拍频后，可获得移频后的射频信号，所述的控制信号模块(14)改变第二声光移频器(6)的移频频率，实现射频移频量的控制；

所述的半导体放大器型光开关(9)用于放大在光纤环内每次循环时经过的脉冲光，所述的控制信号模块(14)控制半导体放大器型光开关(9)的放大时间，实现对无关噪声的抑制，延长脉冲光在耦合器内可循环的次数。

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