CN111596278A - 基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统 - Google Patents

基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，能够保持系统结构紧凑小型化又能保持信号的可重构性和相参性。利用单个双驱动马赫曾德尔调制器来生成具有相参性的多频段线性扫频雷达信号，在双驱动马赫曾德尔调制器的上下两臂分别加上不同频率的射频驱动信号，在调制器输出端就可以同时得到两路零阶光梳齿频率相同的相参光频梳。确保了结构的简洁小型化，又实现了同时生成多频段可重构相参雷达信号的目的，解决了生成双光梳的系统结构复杂度高、产生相参的多频段线性扫频雷达信号困难的问题。

Description

基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统。
背景技术
线性扫频雷达信号由于兼具高功率和高分辨率特性，成为目前先进雷达系统中采用的主流信号种类之一。利用传统电域方法来生成线性扫频雷达信号会受限于电子瓶颈，难以产生中心频率高、带宽大的信号。而微波光子技术的提出，有效地解决了这一问题。利用光学方案，高频宽带的线性扫频雷达信号得以成功生成。
随着微波光子学的蓬勃发展，在世界范围内的多个研究组都提出了基于微波光子学的线性扫频雷达信号生成方案。这些方案可以主要分为两大类，一类是时频映射方案，另一类是利用光频梳来进行光外差拍频的方案。前者受限于方案中所采用的色散材料，只能提供有限(十几纳秒)的脉冲宽度，而后者可以产生高频宽带的大时间带宽积信号，并且拥有优秀的可重构性能。进一步，通过设计能够产生不同重复频率的双光梳的系统来进行灵活性更高的外差拍频，可以同时由多组梳齿拍频获取多频段线性扫频雷达信号。然而，目前已有的系统设计往往需要在相互分离的两路光路上分别使用电光调制器来产生两路光梳，系统的造价较高且由于链路分离信号的相参性可能遭到破坏。如果采用光锁相环技术来实现两路光梳之间的锁定，又会极大地增加系统复杂度和体积。因此，微波光子雷达系统亟需一种新颖的设计，以实现既能保持系统结构紧凑小型化又能保持信号的可重构性和相参性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，能够保持系统结构紧凑小型化又能保持信号的可重构性和相参性。
为实现上述目的，本发明的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，包括激光器、射频驱动信号发射模块、双驱动马赫曾德尔调制器、光纤链路、多通道光窄带滤波模块以及光电转换模块；
激光器发射单频激光信号到双驱动马赫曾德尔调制器；
射频驱动信号发射模块用于发出两路不同频率的射频驱动信号，分别加载到双驱动马赫曾德尔调制器的上下两臂；
双驱动马赫曾德尔调制器接收单频激光信号，上下两臂加载不同频率的射频驱动信号，输出两路零阶光频梳齿频率相同的相参光频梳；
光纤链路用于对双驱动马赫曾德尔调制器输出的两路光频梳同时进行传输和放大；
多通道光窄带滤波模块用于对经光纤链路输出的光频梳进行多通道窄带滤波，得到特定的多组光频梳齿；
光电转换模块对所述光频梳齿进行光电转换，得到对应的目标多频段相参雷达信号。
其中，所述两路不同频率的射频驱动信号分别为射频信号和本振信号，其中射频信号为24-25GHz的线性扫频信号，本振信号为27GHz的单频信号。
其中，所述射频信号通过对中频信号和本振信号进行混频并滤得下边带射频信号获得，所述中频信号为编程控制产生的2-3GHz的线性扫频信号。
其中，所述射频驱动信号发射模块，包括时钟参考源、微波源、任意波形发生器、混频器、功率放大器以及功率分配器；
其中，时钟参考源用于给微波源和任意波形发生器提供一个稳定的同步时钟信号；微波源用于生成本振信号；任意波形发生器用于生成可编程中频信号；
混频器用于将本振信号和中频信号混频得到射频信号；功率放大器用于对混频器获得的射频信号进行放大；
电带通滤波器用于放大后的射频信号进行过滤，得到所需边带的射频信号，所需边带的射频信号加载到双驱动马赫曾德尔调制器的其中一臂；
功率分配器用于将本振信号分成两路，一路输入到混频器，另一路加载到双驱动马赫曾德尔调制器的未加载射频信号的一臂。
其中，所述激光器为光纤激光器。
其中，所述光纤链路为掺铒光纤放大器。
其中，所述多通道光窄带滤波模块为多通道光滤波器。
其中，所述光电转换模块包括光电探测器以及高速示波器；光电探测器用于对每组光频梳齿进行外差拍频；高速示波器用于采集和观测生成的线性扫频雷达信号。
有益效果：
本发明利用单个双驱动马赫曾德尔调制器来生成具有相参性的多频段线性扫频雷达信号，在双驱动马赫曾德尔调制器的上下两臂分别加上不同频率的射频驱动信号，在调制器输出端就可以同时得到两路零阶光梳齿频率相同的相参光频梳，且两个光频梳的梳齿间隔分别等于两路射频频率。而后两路光梳始终通过同一光纤链路进行传输和放大，二者之间的相参性不会遭到破坏。再经多通道光窄带滤波来得到特定的多组光梳齿进行光电转换，即可得到目标多频段相参雷达信号。确保了结构的简洁小型化，又实现了同时生成多频段可重构相参雷达信号的目的，解决了生成双光梳的系统结构复杂度高、产生相参的多频段线性扫频雷达信号困难的问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的双光梳生成原理示意图；
图3为本发明应用于实例中的系统整体结构框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明基于双驱动马赫曾德尔调制器来生成相参双光梳的系统，如图1所示，包括激光器、射频驱动信号发射模块、双驱动马赫曾德尔调制器、光纤链路、多通道光窄带滤波模块以及光电转换模块；
激光器发射单频激光信号到双驱动马赫曾德尔调制器；
射频驱动信号发射模块用于发出两路不同频率的射频驱动信号，分别加载到双驱动马赫曾德尔调制器的上下两臂；
双驱动马赫曾德尔调制器接收单频激光信号，上下两臂加载不同频率的射频驱动信号，输出两路零阶光频梳齿频率相同的相参光频梳；
光纤链路用于对双驱动马赫曾德尔调制器输出的两路光频梳同时进行传输和放大；
多通道光窄带滤波模块用于对经光纤链路输出的光频梳进行多通道窄带滤波，得到特定的多组光频梳齿；
光电转换模块对所述光频梳齿进行光电转换，得到对应的目标多频段相参雷达信号。
本发明基于双驱动马赫曾德尔调制器来生成相参双光梳的系统原理示意图如图2所示，具体实施原理如下：
首先，分别由相互同步的任意波形发生器和微波源来产生中频和本振信号，其中中频信号为编程控制产生的2-3GHz的线性扫频信号，而本振信号为27GHz的单频信号；而后对中频信号和本振信号进行混频并滤得下边带射频信号，可得到频率为24-25GHz的射频信号，之所以采用24-25GHz的射频信号，是因为电器件和电光调制器的频率和带宽有一定指标限制，同时确保后续双光梳进入到多通道光滤波器后能够精确滤出目标梳齿组。
将上述的射频信号和本振信号分别输入到双驱动马赫曾德尔调制器中，作为其上下两臂的驱动信号。就可以在调制器的输出端同时得到相参的两路光频梳，一路梳齿间隔为扫频射频信号，而另一路梳齿间隔则为本振信号。由于两路光频梳零阶梳齿的频率相同(等于激光器输出光频)，其他同阶数的梳齿频率差值为阶数倍的中频信号，因而经过光放大后可以直接进入软件定义的多通道光滤波器来分别滤得第1、2、4阶光梳齿组。
本发明首次采用单个双驱动马赫曾德尔调制器来生成不同重复频率的相参双光梳，具有结构简易适用性广泛的特性。传统的双驱动马赫曾德尔调制器一般是用来生成单个光频梳的，即其上下两臂加入的射频驱动信号为同频信号，生成的光梳梳齿间隔等于射频频率。而本发明中在双驱动马赫曾德尔调制器的上下两臂分别加上不同频率的射频驱动信号，基于双驱动马赫曾德尔调制器的上下两臂是完全对称的结构，在调制器输出端就可以同时得到两路零阶光梳齿频率相同的相参光频梳，且两个光频梳的梳齿间隔分别等于两路射频频率。而后两路光梳始终通过同一光纤链路进行传输和放大，二者之间的相参性不会遭到破坏。再经多通道光窄带滤波来得到特定的多组光梳齿进行光电转换，即可得到目标多频段相参雷达信号。通过这样的系统设计，既确保了结构的简洁小型化，又实现了同时生成多频段可重构相参雷达信号的目的。
本发明系统应用于具体实例如图3所示，包括时钟参考源、微波源、任意波形发生器、混频器、功率放大器、电带通滤波器、功率分配器、光纤激光器、双驱动马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、多通道光滤波器(waveshaper)、光电探测器以及高速示波器；
其中，时钟参考源用于给微波源和任意波形发生器提供一个稳定的同步时钟信号；微波源用于生成本振信号；任意波形发生器用于生成可编程中频信号；
混频器用于将本振信号和中频信号混频得到射频信号；
功率放大器用于放大混频器获得的射频信号；电带通滤波器用于滤得所需的射频信号边带；功率分配器用于将本振信号分成两路；光纤激光器用于生成稳定的单频激光；双驱动马赫曾德尔调制器用于生成相参的双光频梳；掺铒光纤放大器用于放大双光频梳信号；
软件定义的多通道光滤波器(本系统中采用waveshaper来实现该功能)，用于对放大后的光频梳进行窄带滤波，得到特定的多组光频梳齿；
光电探测器用于对每组光频梳齿进行外差拍频；
高速示波器用于采集和观测生成的线性扫频雷达信；
时钟参考源、微波源、任意波形发生器、混频器、功率放大器、电带通滤波器以及功率分配器之间由高速微波线连接，共同组成本振和射频生成模块；掺铒光纤放大器、多通道光滤波器(waveshaper)以及光电探测器由光纤跳线进行连接，共同组成光放大、滤波及光电转换模块；图中虚线表示由高速微波线连接的电通路，实线表示由光纤跳线连接的光通路。
本系统的具体工作过程如下：
首先由参考信号同时给予任意波形发生器和微波源一个稳定的时钟信号，使二者达到同步。而后由任意波形发生器来产生灵活性高的线性扫频中频信号(信号的中心频率、扫频带宽和扫频时间等参数均可通过编程控制)，由微波源产生固定频率的本振信号。本振信号经由功率分配器分成功率相等的两路，一路直接作为双驱动马赫曾德尔调制器下臂的驱动信号，另一路则和中频信号进行混频，得到射频信号。此时，射频信号的中心频率和带宽都可以通过控制改变中频信号的相应参数而进行精确调节。混频后的射频信号经过功率放大器放大后，由定制的电带通滤波器滤得下边带作为双驱动马赫曾德尔调制器上臂的驱动信号。光纤激光器产生的稳定单频激光输入到双驱动马赫曾德尔调制器中，通过上下两臂的光信号分别经过射频信号和本振信号调制后，可以同时生成相参的双光梳。双光梳的零阶中心光频相同，而重复频率不同，具体的生成方案参考图1。而后双光梳经由同一光链路进入掺铒光纤放大器中进行光放大，再次通过同一光链路输入到多通道光滤波器中。通过软件编程控制光滤波器各个通道的功能和参数，可以实现三个通道分别为中心频率和带宽对应第1，2，4组光频梳梳齿的光带通滤波器，即可分别在三个通道输出三组光频梳齿。每组光频梳齿都经由一个光电探测器进行光电转换(外差拍频过程)，即可同时生成三频段线性扫频相参雷达信号。进而最终可以通过高速示波器采集和观察信号特征，三路信号分别为2-3GHz(S-波段)，4-6GHz(C-波段)和8-12GHz(X-波段)的雷达信号。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，包括激光器、射频驱动信号发射模块、双驱动马赫曾德尔调制器、光纤链路、多通道光窄带滤波模块以及光电转换模块；
激光器发射单频激光信号到双驱动马赫曾德尔调制器；
射频驱动信号发射模块用于发出两路不同频率的射频驱动信号，分别加载到双驱动马赫曾德尔调制器的上下两臂；
双驱动马赫曾德尔调制器接收单频激光信号，上下两臂加载不同频率的射频驱动信号，输出两路零阶光频梳齿频率相同的相参光频梳；
光纤链路用于对双驱动马赫曾德尔调制器输出的两路光频梳同时进行传输和放大；
多通道光窄带滤波模块用于对经光纤链路输出的光频梳进行多通道窄带滤波，得到特定的多组光频梳齿；
光电转换模块对所述光频梳齿进行光电转换，得到对应的目标多频段相参雷达信号。
2.如权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，所述两路不同频率的射频驱动信号分别为射频信号和本振信号，其中射频信号为24-25GHz的线性扫频信号，本振信号为27GHz的单频信号。
3.如权利要求2所述的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，所述射频信号通过对中频信号和本振信号进行混频并滤得下边带射频信号获得，所述中频信号为编程控制产生的2-3GHz的线性扫频信号。
4.如权利要求3所述的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，所述射频驱动信号发射模块，包括时钟参考源、微波源、任意波形发生器、混频器、功率放大器以及功率分配器；
其中，时钟参考源用于给微波源和任意波形发生器提供一个稳定的同步时钟信号；微波源用于生成本振信号；任意波形发生器用于生成可编程中频信号；
混频器用于将本振信号和中频信号混频得到射频信号；功率放大器用于对混频器获得的射频信号进行放大；
电带通滤波器用于放大后的射频信号进行过滤，得到所需边带的射频信号，所需边带的射频信号加载到双驱动马赫曾德尔调制器的其中一臂；
功率分配器用于将本振信号分成两路，一路输入到混频器，另一路加载到双驱动马赫曾德尔调制器的未加载射频信号的一臂。
5.如权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
6.如权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，所述光纤链路为掺铒光纤放大器。
7.如权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，所述多通道光窄带滤波模块为多通道光滤波器。
8.如权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德尔调制器的多频段相参扫频雷达系统，其特征在于，所述光电转换模块包括光电探测器以及高速示波器；光电探测器用于对每组光频梳齿进行外差拍频；高速示波器用于采集和观测生成的线性扫频雷达信号。
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