CN111181683B - 一种基于微波光子的超宽带接收机的装置及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子的超宽带接收机的装置及设计方法，通过光波分复用技术将光控波束合成和光信道化功能模块通过光传输连接起来，实现了光域处理微波射频信号宽带接收的过程。本发明中不同天线列的微波信号被调制到不同波长的光载波上，通过光波长切换选择不同的延时路径实现不同的波束指向；通过多波长光频率梳实现携带不同列路的射频信号信息并直接光传输进入到微波光子信道化模块中去，在模块中通过解波分复用将不同波长光分配到不同的信道化单元中去，通过不同的信道化单元获取到对应列的中频信道化信号，并最终合束到一起，实现了波束合成的目标。本发明的微波光子超宽带接收机装置，具有大的实时处理带宽和大动态范围。

Description

一种基于微波光子的超宽带接收机的装置及设计方法
技术领域
本发明属于微波光子技术、相控阵侦测雷达技术领域。
背景技术
现代战场中的雷达调制方式复杂、多变，宽带、超宽带雷达大量装备，电磁信号日益密集。因此要求电子侦测雷达具备大瞬时带宽、高灵敏度、大动态范围等特点，并且能够辨识同时到达的多信号。针对上述实时侦察需求，目前采用相控阵移相实现波束扫描、模拟信道化和数字信号处理相结合实现信道化的传统电子方法，受限于电子电路器件的带宽损耗泄露干扰等因素，高频段的变频效率较低，信号噪声较大；此外，亦缺少对应的宽频带的器件，并且频率的平坦性得不到保证。为了满足宽带高频的要求，人们提出了基于微波光子技术的相控阵侦测雷达接收机，用于实现光控波束形成和光信道化的功能，从而替代传统电子方法。
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。具体实施方式有以下几种：基于改变光路径长度、基于色散原理、热调谐光微环谐振器等。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，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。
微波光子信道化接收机在光域将宽带的接收信号分割到多个窄带的处理信道中，然后对每个窄带信道中的接收信号进行光电探测和信号处理。相比传统信道化接收机，微波光子信道化具有较强的抗电磁干扰能力、较大的承载带宽和瞬时带宽、极低的传输损耗等显著优势。而且信道化本质上是1个多通道并行处理系统，而光域丰富的光谱资源和灵活的复用手段（例如波分复用）与此不谋而合。微波光子信道化的实现原理大致可以分为以下2类，基于频谱切割的信道化接收机和基于多通道变频的信道化接收机。
需要注意的是，目前已报道的研究仍然集中在单一的光控波束形成和光信道化功能的实现上，对超宽带接收机整体构架的设计上仍然局限于如图1所示的处理流程中，在每个功能上需经历一次电光电的转换，两者之间通过电缆连接，这方式既不利于发挥全光处理的优势，又因多次电光电转换过程制约了系统的动态范围，限制了其在实际雷达系统中的应用，需寻求全光的处理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于微波光子的超宽带接收机装置及设计方法，实现宽带射频信号光域的处理，包括光控波束形成和光信道化处理两部分功能。该方法在光域实现了超宽带雷达信号的真延时控制和瞬时多通道窄带接收。
本发明提出了一种基于微波光子的超宽带接收机设计方法，包括以下光域处理射频信号的方法：将多列天线的射频信号调制到激光器阵列产生的不同波长光载波上；利用多波长复用技术进行光信号传输，并携带不同列天线的射频信号信息；通过光延时阵列对不同的波长的光载波产生不同的可控延时；将上述被延时后的多波长光载波经处理生成频率间隔可调的多波长光载波频率梳，同时将输出的激光器阵列分束出一束光经相干移频后作为本振光信号，并将该信号也处理生成频率间隔可调的多波长光本振频率梳；多波长光本振、载波频率梳经光信道化处理，在每个独立的波长信道化单元中生成初始射频信号对应不同信道的中频信号，并最终将这些不同波长单元的中频信号按照对应信道合成到一起，从而实现了射频信号在光上生成真延时，并通过光处理降频到电中频，并在中频域实现了波束指向合成。
本发明还提出了一种基于微波光子的超宽带接收机装置，包括微波前端、多波长光真延时（OTTD）模块、多波长光载波/光本振频率梳（OFC）产生模块、光信道化（OC）模块以及信号处理模块。所述微波前端用于对天线接收信号进行放大和列合成处理，生成的m列合成信号；光真延时模块包括m个波长可切换的激光器（LD）、m个马赫增德尔调制器（MZM）、光粗波分复用器（CWDM）和光延时单元（OTD）；多波长光载波/光本振频率梳产生模块包括马赫增德尔调制器、相位调制器、两路射频信号源以及用于生成多波长相干光的单元；光信道化模块包括n个不同波长的光信道化单元，其中每个单元又包括光解波分复用器、法布里-布罗滤波器（FPF）、光密集波分复用器（DWDM）和j路双平衡探测器。
进一步地，在光真延时模块，实现接收到经过预处理的微波信号在光域延时实现波束形成的功能。具体过程如下，m个激光器生成m路不同波长的光源，每一路光源都可以自由切换波长，通过切换波长可以选择其经过的光延时路径。
进一步地，系统中的激光器光波长可快速切换，并且m路激光器控制单元同步在一起。
进一步地，通过多波长相干光生成单元，可以生成合波在一起的多个中心波长的光频率梳，其光源通过上述真延时单元中的激光器分束获得。
进一步地，通过多波长复用，实现了射频信号在光真延时模块不需要进行射频合束处理，而是直接进入到信道化过程中，通过多中心波长的频率梳产生多路中频信号，并在中频域再合束到一起。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过对波长的粗波分复用实现了在中频段进行信号合成，有效的避免了传统单一光波束合成、信道化方案中的二次信号电-光-电转换过程，有效的提高了系统动态范围。
（2）本发明通过可高速切换光波长的激光器和波分解复用器来选择光学路径获取不同的延时，相比于光开关有着损耗低、灵活可重构的优势。
（3）本发明通过引入光域对宽带信号的信道化接收处理，通过不同的波长波分复用实现了m路列信号的同时信道化过程，实现了对宽频模拟信号的信道化接收。
附图说明
图1基于微波光子的传统光波束成形和信道化处理的结构图。
图2本发明中微波光子的超宽带接收机设计方法原理图。
图3本发明中微波光子的超宽带接收机装置结构原理图。
图4多波长本振、载波光频率梳产生结构原理图。
图5本发明具体实施例的结构原理示意图。
图6本发明具体实施例的双波长延时后的光频谱。
图7本发明具体实施例的光频率梳生成后对应的频谱。
图8本发明具体实施例的信道4对应的拍频前光频谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
具体地，本发明采用以下技术方案：
一种基于微波光子的超宽带接收机设计方法，其原理图如图2所示。首先将多列天线的射频信号调制到激光器阵列产生的不同波长光载波上；然后通过光延时阵列对不同的波长的光载波产生不同的可控延时；接着将上述被延时后的多波长光载波经处理生成频率间隔可调的多波长光载波频率梳，同时将输出的激光器阵列分束出一束光经相干移频后作为本振光信号，并将该信号也处理生成频率间隔可调的多波长光本振频率梳；再接着将多波长光本振、载波频率梳进行光信道化处理，在每个独立的波长信道化单元中生成初始射频信号对应不同信道的中频信号，并最终将这些不同波长单元的中频信号按照对应信道合成到一起，从而实现了射频信号在光上生成真延时，并通过光处理降频到电中频，并在中频域实现了波束指向合成。
为了便于公众理解，下面结合附图3中的优选结构对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的微波光子接收机装置结构图如图3所示，包括微波前端、光真延时模块、多波长光载波/光本振频率梳产生模块、光信道化模块以及信号处理模块。所述微波前端用于对天线接收信号进行放大和列合成处理，生成的m列合成信号；光真延时模块包括m个波长可切换的激光器、m个马赫增德尔调制器、光粗波分复用器和光延时单元；多波长光载波/光本振频率梳产生模块包括马赫增德尔调制器、相位调制器、两路射频信号源以及用于生成多波长相干光的单元；微波光子信道化接收机包括n个不同波长的微波光子信道化单元，其中每个单元又包括光密集波分复用器、法布里-布罗滤波器、j路双平衡探测器。
具体工作流程如下：天线接收的射频信号，经前端列向合成后，进入到光真延时模块中，m个光调制器将上述m列的射频信号调制到m个光载波上（采用单边带载波抑制的调制方式），这里光载波由m个激光器产生，且波长可以统一控制切换，共有n个波长，满足n≥m，其切换规律满足（f1、f2…、fm-1、fm）、(f2、f3、…fm、fm+1)、…(fn-m+1、fn-m+2、…fn-1、fn)、…，通过切换波长实现从粗波分复用器系统的不同路径中输出，实现了快速可调谐的激光器来切换光学传输路径，且因为使用粗波分复用器系统，因此波长的精度不是那么重要，对不同的路径预先设置不同的延时，因此可以通过切换波长来获得不同的延时，即对应于传统的不同的波束指向。
该装置中的多波长的载波光频梳（Carrier OFC）和本振光频梳(Local OFC)产生单元结构原理如图4所示。每个激光器输出的光载波信号分成两路，其中一路经上述延时过程后，依次经过两个相位调制器和一个强度调制器。通过改变驱动信号(fRF1)的功率及相位，得到多波长信号光载波光频梳。另一路光载波经波分复用合成后，输入到IQ调制器中，通过设置IQ调制器驱动射频信号(fRF0)的强度和相位，可实现单边带载波抑制，此时输出跟光载波间隔频率fRF0的光信号，且相干。该输出波长同样通过两个相位调制器和一个马赫增德尔调制器。通过控制驱动信号(fRF2)的功率及相位，得到多波长本振光频梳。
上述多波长载波光频率梳和本振光频率梳带有m个不同波长，先将其分别经过两个相同的解波分复用器后，不同的输出端输出不同的波长，且不同的波长能选择进入到不同的微波信道化单元中去。在各个信道化单元中，单中心波长的载波光频率梳经FP滤波器滤波，FP滤波器的FSR选择与载波光频疏存在固定的间隔，这样将会形成游标卡尺效应，对应于不同的频率RF信号会在不同的信道上被滤波出来，再与对应的本振光频率梳混频，即可得到统一的中频信号。该方法利用光90°混波器和双平衡探测器实现I/Q混频，实现正交中频信号通过90°微波电桥耦合起来，进而实现镜频抑制混频。借助光混波器平坦的幅相响应特性，可在较大带宽范围内实现镜频抑制比较高的混频，从而在模拟域实现宽带的杂散抑制，大幅减少后端的计算量。由于镜频抑制，仅光本振一侧的信号被下变频，另一侧不会发生频谱交叠。这样便实现了同时多个载频宽带信号的信道化接收，且自动变频到基带或中频。
不同波长的信道化输出中频信号对应于最初天线不同的列，因为上述信道化下变频过程不影响其携带相位特性，因此可以对其合成后，形成一个完整的波束形成过程。最终将上述中频信号输入到信号处理模块中进行数字化处理，可以有效的降低模数转换的压力。
下面以具体实施例对其原理详细说明，其结构见图5所示。该实施列可实现对8*2的天线单元信号进行信道化接收，其频率覆盖范围为6-12GHz，可形成三个波束指向，11个信道化通道（中心频率1.2GHz，带宽1GHz）。2列天线合成频率被调制器调制后,加载到光载波上，其中心波长分别为λ1和λ2，该波长可切换频率分类为（f1、f2）、（f2、f3）、（f3、f1），因此可通过两个三路波分/解波分复用器选择不同的光延时路径，对应于最终的三个波束指向。该信号通过光频率梳单元形成了带有两中心波长的载波频率梳和本振频率梳，其谱图示意图如图6、7、8所示，上述两中心频率的光梳进入到解波分复用器中，根据当前的波长频率选择进入的信道化单元中去，不同的信道化单元对其进行信道化处理，生成j=11的信道，中心频率为1.2GHz，每个信道覆盖1GHz的范围，可实现6-12GHz的全信道覆盖。在信道化后，两个单元输出的中频信号合束到一起，得到波束合成的效果。通过系统信号处理的全光的设计，相比于传统的电连接的两个单元模块，系统动态范围可以提高30dB。

Claims (5)

1.一种基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：
包括微波前端、光真延时模块、多波长光载波/光本振频率梳产生模块、光信道化模块以及信号处理模块；
其中所述光真延时模块包括m个波长可切换的激光器LD、m个马赫增德尔调制器MZM、光粗波分复用器CWDM和光延时单元OTD；
所述多波长光载波/光本振频率梳产生模块包括马赫增德尔调制器MZM、相位调制器PM、两路射频信号源以及用于生成多波长相干光的单元；
所述光信道化模块包括n个不同波长的微波光子信道化单元，其中每个单元又包括法布里-布罗滤波器FPF、光密集波分复用器DWDM和j路双平衡探测器；
在光真延时模块内，不同列的信号加载到不同激光器输出的光载波上去，其波长可同步切换，通过波长切换来选择不同的延时路径；
上述激光器输出光波被分出一路进入到光本振频率梳产生模块中，用于产生多波长的光本振频率梳，同时携带有射频信号信息并被延时的光载波进入到光载波频率梳产生模块中产生对应的光载波频率梳；
上述多波长的光本振频率梳和光载波频率梳再次经过光解波分复用器后可根据不同的波长自动分配到不同的微波光子信道化单元中去，不同的信道化单元实现了分配在不同波长上的射频信号的信道化过程；
最终输出的中频信号合成后达到波束形成的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：光真延时模块和光信道化模块之间通过光来连接，通过多波长的波分复用技术，实现将各列射频信号经过光延时后不经过光电探测器解调，而是仍通过不同波长的光载波携带到信道化模块中去，其实际波束合成是在中频频率中完成。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：其光真延时模块通过激光器阵列来实现多路微波调制，激光器阵列具备多波长输出、波长快速切换功能，其切换满足频率循环往复的需求，在光频率f1至fn间构成闭环循环；通过设计不同的延时路径，并用解波分、波分复用器连接起来，即可通过切换当前的激光器输出波长来选择此时的延时路径，实现了波束扫描的能力。
4.根据权利要求3所述的一种基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：其微波光子信道化模块通过生成多波长光本振频梳和光载波频梳，并经解波分复用器后可自动分配到不同波长的信道化单元中去；不同波长的信道化单元中包括不同中心波长的法布里-布罗滤波器和密集解波分复用器，通过法布里-布罗滤波器选出对应信道的射频信号和本振信号混频，并通过密集解波分复用器分配到对应信道去。
5.根据权利要求4所述的一种基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：所述多波长光本振频梳和光载波频梳产生方法包括以下步骤：
步骤1，激光器阵列输出光信号被分出一路通过波分复用器合在一起，再通过IQ调制器单边带载波抑制调制实现了带有固定频差的相干多波长光；
步骤2，上述相干多波长光经过级联的相位调制器和马赫增德尔调制器，调节马赫增德尔调制器的偏置点使其输出平坦的多波长光本振频梳；
步骤3，光载波经过上述步骤2中经过级联的相位调制器和马赫增德尔调制器的过程输出平坦的多波长光载波频梳。
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