CN111060905A - 基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达 - Google Patents

基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，包括：所述介质天线和微腔阵列结构应用到微波光子雷达系统前端，获得抗大功率微波武器的小型化高灵敏度微波光子雷达系统，并结合微波光子雷达发射技术，实现有源雷达和无源雷达的完美结合，实现有源无源微腔结构和介质天线阵列的微波光子抗摧毁雷达。本发明不仅有利于雷达未来对抗高功率武器，而且可以实现小型化的应用，同时具有超高的灵敏度，为未来的实战应用提供了可靠的保障，在未来信息化作战中起到了革命性的创新。

Description

基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达。
背景技术
高功率微波武器对人类社会的威胁虽然残酷，但依然存在着现实的危险。因为这种高功率武器对电路系统中的所有电子产品的灵敏性具有摧毁性的损害。而随着信息化社会的发展，通信容量和速度的提升使得小型化，集成化，高灵敏度成为现代通信接收设备的发展必然趋势。这也同时加剧了当今电子设备对大功率武器的防御性能的急剧下降。如何解决这两个问题所面临的矛盾点从而获得小型化，集成化，高灵敏度的抗电磁摧毁的现代微波接收设备成了人们关注的焦点。
基于全介质天线和微腔结构的微波光子雷达技术，不仅从根本上解决了大功率武器的威胁性，也对未来雷达系统的小型化和集成化提供了飞跃性的提升。首先，因为大功率武器是通过天线给予电磁辐射提供了一个直接的入口，微波通讯系统在高功率武器面前显得尤为脆弱。基于全介质微腔结构的微波光子接收前端，是一种完全脱离了金属元件的传输，它避免了传统微波接收器中的“软肋”，获得了接收前端和后端电子数据处理线路的电子隔离。其次，微波光子技术是将微波技术与光子技术相融合，可以同时发挥微波精细和光子宽带的优势，在信号传输上具有超宽的带宽、超低的损耗。射频传输链路充分利用光纤的宽带特性，通过近似无损的传输，可大大提高系统的动态范围，有利于实现远端分布的雷达宽带信号接入，并且在实现长距离无中继传输同时又能有效的减少传输链路的体积和重量。因此，将微波光子链路应用在无源分布式雷达上可以发挥巨大的优势。
尽管基于光纤传播媒介的光电振荡有他们完美的稳定性，但是却也因为光线的存在引入了温度稳定性的问题。再加上基于光纤的光电振荡器的重量问题，这个运输带来了问题。并且体积大的问题也同时加大了温控的难度，使得这种微波产生方法很难应用于机载雷达和集成雷达，并且光纤的引入还会带来不可避免的相移，这将进一步限制了长期稳定度的实现。所以，在基于光纤的光电振荡的研究中发现了这个问题，采用色散补偿的方法弥补了光纤色散带来的频率调谐范围的限制，实现了4GHz-40GHz连续可调的光电振荡，但也进一步增加了系统的复杂性。基于微腔结构的微波光子技术在结合了微波光子技术的已有优点的同时，利用微腔这种特殊结构替代原始光路中的传输媒介，不仅有效的解决了光纤带来的长稳问题、体积问题和色散问题，还可以很好的和全介质天线结合在一起，做到接收前端对电子的屏蔽作用，可以达到抗摧毁性，小型化，宽调谐和高灵敏度的完美结合。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，包括：发射链路、发射天线、接收天线、接收支路及数据处理与控制模块。
首先，所述发射链路包括：激光器、微波信号源、相位调制器1、光控波束形成、光开关、光电探测器1组、功放和发射天线阵列，所述激光器、微波信号源、相位调制器1、光控波束形成、光开关、光电探测器1组每两组之间用光波导连接，所述微波信号源与相位调制器1之间用射频波导连接，所述功放与发射天线阵列之间用射频波导连接。在发射端，利用微波光子方法产生雷达发射信号，在光域区域利用光波束形成网络，形成相控阵发射的真延时控制结构，然后通过天线发射到空间中去，光电探测器之前设置有光开关系统以便于来控制发射端的开关。
其次，所述接收链路包括：全介质天线和微腔阵列、光滤波器、光电探测器2、中频滤波放大器及模数转换器，光控波束形成的输出口与微腔的光输入口连接，所述微腔的输出口与光滤波器连接，所述光滤波器与光电探测器2通过光波导相连，所述光电探测器的电输出口、所述中频放大滤波器、所述模数转换器依次通过射频波导连接，模数转换器输出口与数据处理与控制模块连接，通过信号传输线与微波信号源、功放、光滤波器、中频滤波放大器、模数转换器相连进行参数及工作状态控制。在接收端，利用全介质天线将光控波束形成后的光载波耦合到微腔中去，利用全介质天线接收到的微波信号产生的电场的变化对光载波进行幅度调制，分为多路并行处理。
最后，接收的信号送入到控制模块与数据处理。同时也可以根据需要开关发射端的天线，最终形成有源、无源微波光子阵列雷达。
进一步地，所述激光器的输出连续光信号定义为：
Figure BDA0002367350630000031
其中所述Ec、ωc分别表示为连续光信号的幅度和角频率。
进一步地，所述微波信号源的输出低频窄带信号定义为：VL(t)＝VLsin(ω0t+πkt2)，其中所述VL、ω0、k分别表示为低频窄带信号的幅度、载频和啁啾率。
进一步地，所述相位调制器1的输出光信号定义：
Figure BDA0002367350630000032
其中所述mL＝πVL/Vπ1表示为PM1的调制指数,所述Vπ1表示为PM1的半波电压，所述Jn(·)表示为第一类n阶贝塞尔函数。
进一步地，所述微腔的结构阵列制备方法如下：(1)在清洗好的硅衬底基片上采用镀膜设备生长一定厚度的氮化硅膜，(2)对所述样品旋涂光刻胶，(3)采用激光干涉曝光技术在光刻胶上制备圆形结构阵列，(4)采用反应离子刻蚀方法调节所述圆形结构即圆形胶颗粒的大小，(5)采用镀膜设备在所述样品上生长一薄层镍膜，(6)使用溶脱技术制备镍膜上的圆形结构阵列，(7)采用反应离子刻蚀方法制备微腔顶盖开口阵列，(8)采用湿法腐蚀方法制备倒金字塔微腔阵列结构。
进一步地，所述数据处理与控制模块通过软件对整个雷达系统的时序、通信进行控制以及实现对回波信号中目标信息的提取，具体方法为：雷达开机后，首先使激光器工作在所需波长和功率；根据所要实现的中心频率和带宽设定信号源输出低频窄带信号的中心频率及带宽、单频信号频率及光滤波器的响应频谱；根据目标大致位置选择光延时长度；根据发射链路的选择，对混频和采样后的回波数据进行数据处理，提取出目标信息。
进一步地，所述全介质天线是通过感知外界电磁场的变化，从而在内部形成不同的电场分布的机理实现信息识别的。其与一般天线结构相比，最重要的特点是可以做到金属电极和电子隔离，抵抗大功率微波武器的威胁。
进一步地，所述微波信号源可以为直接数字频率合成器、光生微波源或光电混合微波源中的任何一种。
进一步地，所述激光器为分布式反馈激光器。
进一步地，所述光滤波器后可添加光放大器进行光信号放大保证系统有效工作。
与现有技术相比本发明的技术效果在于：将介质天线和微腔阵列结构应用到微波光子雷达系统前端，获得抗大功率微波武器的小型化高灵敏度微波光子雷达系统，并结合微波光子雷达发射技术，实现有源无源微腔结构和介质天线阵列的微波光子抗摧毁雷达。本发明不仅有利于雷达来对抗高功率武器，而且还可以实现小型化的应用。同时，还具有超高的灵敏度，为未来的实战应用提供了可靠的保障，在未来信息化作战中起到了革命性的创新。
附图说明
为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。
图1为本发明基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达系统实施例结构示意图；
图2为本发明所述接收前端阵列天线结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
参照图1所示，本发明所述微波光子有源无源静默雷达包括：发射链路、发射天线、接收天线、接收支路及数据处理与控制模块。
首先，所述发射链路包括：激光器、微波信号源、相位调制器1、光控波束形成、光开关、光电探测器1组、功放和发射天线阵列，所述激光器、微波信号源、相位调制器1、光控波束形成、光开关、光电探测器1组每两组之间用光波导连接，所述微波信号源与相位调制器1之间用射频波导连接，所述功放与发射天线阵列之间用射频波导连接。在发射端，利用微波光子方法产生雷达发射信号，在光域区域利用光波束形成网络，形成相控阵发射的真延时控制结构，然后通过天线发射到空间中去，光电探测器之前设置有光开关系统以便于来控制发射端的开关。
其次，所述接收链路包括：全介质天线和微腔阵列、光滤波器、光电探测器2、中频滤波放大器及模数转换器，光控波束形成的输出口与微腔的光输入口连接，所述微腔的输出口与光滤波器连接，所述光滤波器与光电探测器2通过光波导相连，所述光电探测器的电输出口、所述中频放大滤波器、所述模数转换器依次通过射频波导连接，模数转换器输出口与数据处理与控制模块连接，通过信号传输线与微波信号源、功放、光滤波器、中频滤波放大器、模数转换器相连进行参数及工作状态控制。在接收端，利用全介质天线将光控波束形成后的光载波耦合到微腔中去，利用全介质天线接收到的微波信号产生的电场的变化对光载波进行幅度调制，分为多路并行处理。
最后，接收的信号送入到控制模块与数据处理。同时也可以根据需要开关发射端的天线，最终形成有源、无源微波光子阵列雷达。
具体而言，所述激光器的输出连续光信号定义为：
Figure BDA0002367350630000061
其中所述Ec、ωc分别表示为连续光信号的幅度和角频率。
具体而言，所述微波信号源的输出低频窄带信号定义为：VL(t)＝VLsin(ω0t+πkt2)，其中所述VL、ω0、k分别表示为低频窄带信号的幅度、载频和啁啾率。
具体而言，所述相位调制器1的输出光信号定义：
Figure BDA0002367350630000062
其中所述mL＝πVL/Vπ1表示为PM1的调制指数,所述Vπ1表示为PM1的半波电压，所述Jn(·)表示为第一类n阶贝塞尔函数。
具体而言，所述微腔的结构阵列制备方法如下：(1)在清洗好的硅衬底基片上采用镀膜设备生长一定厚度的氮化硅膜，(2)对所述样品旋涂光刻胶，(3)采用激光干涉曝光技术在光刻胶上制备圆形结构阵列，(4)采用反应离子刻蚀方法调节所述圆形结构即圆形胶颗粒的大小，(5)采用镀膜设备在所述样品上生长一薄层镍膜，(6)使用溶脱技术制备镍膜上的圆形结构阵列，(7)采用反应离子刻蚀方法制备微腔顶盖开口阵列，(8)采用湿法腐蚀方法制备倒金字塔微腔阵列结构。
具体而言，所述数据处理与控制模块通过软件对整个雷达系统的时序、通信进行控制以及实现对回波信号中目标信息的提取，具体方法为：雷达开机后，首先使激光器工作在所需波长和功率；根据所要实现的中心频率和带宽设定信号源输出低频窄带信号的中心频率及带宽、单频信号频率及光滤波器的响应频谱；根据目标大致位置选择光延时长度；根据发射链路的选择，对混频和采样后的回波数据进行数据处理，提取出目标信息。
具体而言，所述全介质天线是通过感知外界电磁场的变化，从而在内部形成不同的电场分布的机理实现信息识别的。其与一般天线结构相比，最重要的特点是可以做到金属电极和电子隔离，抵抗大功率微波武器的威胁。
具体而言，所述微波信号源可以为直接数字频率合成器、光生微波源或光电混合微波源中的任何一种。
具体而言，所述激光器为分布式反馈激光器。
具体而言，所述光滤波器后可添加光放大器进行光信号放大保证系统有效工作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，包括：
发射链路、发射天线、接收天线、接收支路及数据处理与控制模块，其中，
所述发射链路，其一端与所述数据处理与控制模块连接，另一端与所述发射天线连接，用于提供所需要的雷达发射信号；
所述发射天线，其与所述发射链路连接，用于发射雷达信号；
所述接收链路，其一端与所述数据处理与控制模块连接，另一端与所述接收天线连接，用于从接收到的雷达信号中提取目标信息；
所述接收天线，其与所述接收链路连接，用于接收雷达信号；
所述数据处理与控制模块，其与所述发射链路和所述接收链路连接，用于控制所述雷达系统的时序、通信及回波信号中目标信号的提取；
发射端利用微波光子方法产生雷达发射信号，在光域区域利用光波束形成网络，形成相控阵发射的真延时控制结构，然后通过天线发射到空间中去，光电探测器之前设置有光开关系统以便于来控制发射端的开关，接收端利用全介质天线将光控波束形成后的光载波耦合到微腔中去，利用全介质天线接收到的微波信号产生的电场的变化对光载波进行幅度调制，分为多路并行处理，将接收的信号送入到所述控制模块与数据处理，同时也根据需要开关发射端的天线，最终形成有源、无源微波光子阵列雷达。
2.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述所述激光器的输出连续光信号定义为：
Figure FDA0002367350620000011
其中所述Ec、ωc表示为连续光信号的幅度和角频率。
3.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述微波信号源的输出低频窄带信号定义为：VL(t)＝VLsin(ω0t+πkt2)，其中所述VL、ω0、k表示为低频窄带信号的幅度、载频和啁啾率。
4.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述所述相位调制器1的输出光信号定义：
Figure FDA0002367350620000021
其中所述mL＝πVL/Vπ1表示为PM1的调制指数,所述Vπ1表示为PM1的半波电压，所述Jn(·)表示为第一类n阶贝塞尔函数。
5.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述微腔的结构阵列制备方法如下：
(1)在清洗好的硅衬底基片上采用镀膜设备生长一定厚度的氮化硅膜；
(2)对所述样品旋涂光刻胶；
(3)采用激光干涉曝光技术在光刻胶上制备圆形结构阵列；
(4)采用反应离子刻蚀方法调节所述圆形结构即圆形胶颗粒的大小；
(5)采用镀膜设备在所述样品上生长一薄层镍膜；
(6)使用溶脱技术制备镍膜上的圆形结构阵列；
(7)采用反应离子刻蚀方法制备微腔顶盖开口阵列；
(8)采用湿法腐蚀方法制备倒金字塔微腔阵列结构。
6.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述数据处理与控制模块通过软件对整个雷达系统的时序、通信进行控制以及实现对回波信号中目标信息的提取，具体方法为：首先，雷达开机后使激光器工作在所需波长和功率范围内，根据所要实现的中心频率和带宽设定信号源输出低频窄带信号的中心频率及带宽、单频信号频率及光滤波器的响应频谱，其次，根据目标大致位置选择光延时长度，最后，根据所述发射链路的选择，对混频和采样后的回波数据进行数据处理，提取出目标信息。
7.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述微波信号源为直接数字频率合成器、光生微波源或光电混合微波源中的任何一种。
8.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述激光器为分布式反馈激光器。
9.根据权利要求1所述的基于微腔和全介质天线阵列微波光子有源无源静默雷达，其特征在于，所述光滤波器后可添加光放大器进行光信号放大保证系统有效工作。
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