CN111800199A - 微波光子多功能雷达信号生成装置及其信号生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波光子多功能雷达信号生成装置，包括以下光组件：第一光耦合器，用于接收光频梳信号并将其分为两路；两个光滤波器，用于从光耦合器所输出的两路光频梳信号中分别滤出一根不同频率的光梳齿信号；两个相位调制器，用于分别对所述两根不同频率的光梳齿信号进行相位调制；第二光耦合器，用于将两个相位调制器所输出的两路相位调制信号耦合为一路；光电探测器，用于对第二光耦合器所输出的耦合信号进行光电探测，生成雷达信号。本发明还公开了该装置的信号生成方法。相比现有技术，本发明所产生的信号中心频率调节范围大、无需射频本振，且易于实现片上集成，从而可减小体积、提高系统稳定性并且大幅降低制造成本。

Description

微波光子多功能雷达信号生成装置及其信号生成方法
技术领域
本发明涉及一种雷达信号生成装置，尤其涉及一种微波光子多功能雷达信号生成装置及其信号生成方法，属于集成微波光子学领域。
背景技术
随着雷达技术的进步，传统的雷达波形过于简单，功能单一，已经逐渐不能满足人们的需求，雷达波形向着大带宽、大时宽和多功能等方向发展，以提高距离分辨率、多普勒分辨率和满足正交性、雷达通信一体化等需求，混合调制的雷达波形应运而生。
雷达常用的信号有线性调频信号和相位编码信号，此外，雷达波形研究人员还提出了一种将这两种信号结合起来的方法，通过线性调频信号来提高距离分辨率，通过相位编码信号来实现波形之间相互正交和提高速度分辨率，设计出一种非常优越的混合调制雷达信号：脉内线性调频-脉间相位编码复合信号，即LFM-PC信号。
在中国专利CN109932691A中公开了一种微波光子雷达-通信一体化装置，由任意波形发生器产生的雷达LFM信号被送入双臂结构的电光调制模块的其中一臂中对激光器产生的光载波进行调制，同时相位编码的通信信号被送入另一臂中也进行调制。在雷达信号和通信信号都调制到光载波上后，送入光电探测器中进行光电转换，生成雷达-通信复合信号，即LFM-PC信号。其中，双臂结构的电光调制模块为基于双臂马赫曾德尔调制器的电光调制模块或者基于双偏振马赫曾德尔调制器的电光调制模块。该方案产生的信号带宽和中心频率的调节范围都较小，取决于加载上去的LFM信号，并且整个系统复杂，体积大，难以满足集成化、微型化的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子多功能雷达信号生成装置及其信号生成方法，能根据需求生成线性调频信号、相位编码信号、LFM-PC信号，所产生的信号中心频率调节范围大、无需射频本振，且易于实现片上集成，从而可减小体积、提高系统稳定性并且大幅降低制造成本。
本发明的微波光子多功能雷达信号生成装置，包括以下光组件：
第一光耦合器，用于接收光频梳信号并将其分为两路；
两个光滤波器，用于从光耦合器所输出的两路光频梳信号中分别滤出一根不同频率的光梳齿信号；
两个相位调制器，用于分别对所述两根不同频率的光梳齿信号进行相位调制；
第二光耦合器，用于将两个相位调制器所输出的两路相位调制信号耦合为一路；光电探测器，用于对第二光耦合器所输出的耦合信号进行光电探测，生成雷达信号。
进一步地，所述光组件被集成于同一芯片上。
优选地，所述第一光耦合器和/或第二光耦合器为多模干涉结构，或为y分支结构，或为定向耦合器结构。
优选地，所述光滤波器为中心频率可调的光带通滤波器。
进一步优选地，所述中心频率可调的光带通滤波器为上传/下载型微环谐振腔结构。
优选地，所述光组件通过硅基光子集成技术，或通过磷化铟基光子集成技术，或通过光子混合方法，被集成于同一芯片上。
进一步地，该装置还包括：
信号发生器，用于生成加载至所述相位调制器的抛物线信号和/或电编码信号。
上述任一技术方案所述微波光子多功能雷达信号生成装置的信号生成方法，只在其中一个相位调制器上加载抛物线信号，则所述光电探测器生成线性调频信号。
上述任一技术方案所述微波光子多功能雷达信号生成装置的信号生成方法，只在其中一个相位调制器上加载电编码信号，则所述光电探测器生成相位编码信号。
上述任一技术方案所述微波光子多功能雷达信号生成装置的信号生成方法，在两个相位调制器上分别同步加载脉冲宽度一致的抛物线信号、电编码信号，则所述光电探测器生成脉内线性调频-脉间相位编码信号。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明易于片上集成，从而减小装置体积，提高系统稳定性和降低成本。
本发明采用光频梳和两个相位调制器实现了LFM-PC信号的产生，产生的信号中心频率可调，且信号的频率可以很高，理论上只受光电探测器带宽这一唯一因素的限制。
附图说明
图1为本发明微波光子多功能雷达信号生成装置一个具体实施例的结构示意图；图中各标号含义如下：
1为光波导，2为1×2光耦合器，3、4均为上传/下载型微环谐振腔结构的光带通滤波器，5、6均为相位调制器，7为2×1光耦合器，8为光电探测器；
图2为图1装置信号产生过程的瞬时频率示意图；
图3为LFM-PC信号的波形和相位复原示意图。
具体实施方式
针对现有技术系统复杂，体积大的不足，本发明的解决思路是采用光频梳和两个相位调制器来实现中心频率可调的LFM-PC信号，其结构易于实现系统的片上集成,从而减小装置体积，提高系统稳定性和降低成本。
具体而言，本发明的微波光子多功能雷达信号生成装置，包括以下光组件：第一光耦合器，用于接收光频梳信号并将其分为两路；
两个光滤波器，用于从光耦合器所输出的两路光频梳信号中分别滤出一根不同频率的光梳齿信号；
两个相位调制器，用于分别对所述两根不同频率的光梳齿信号进行相位调制；
第二光耦合器，用于将两个相位调制器所输出的两路相位调制信号耦合为一路；光电探测器，用于对第二光耦合器所输出的耦合信号进行光电探测，生成雷达信号。
以上光组件可通过硅基光子集成技术、磷化铟基光子集成技术、光子混合方法等现有技术，被集成于同一芯片上。
从更便于进行片上集成角度考虑，所述第一光耦合器和/或第二光耦合器优选采用多模干涉结构、y分支结构、或定向耦合器结构；所述光滤波器优选为上传/下载型微环谐振腔结构的中心频率可调的光带通滤波器。
进一步地，该装置还包括：
信号发生器，用于生成加载至所述相位调制器的抛物线信号和/或电编码信号。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例，并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
图1显示了本发明微波光子多功能雷达信号生成装置的一个具体实施例，其为一个芯片，该芯片上集成有以下光组件：1×2光耦合器2，光带通滤波器3和4，上传/下载型微环谐振腔结构的相位调制器5和相位调制器6，2×1光耦合器7，光电探测器8；各光组件间通过光波导1连接；如图1所示，光频梳信号输入端连接1×2光耦合器2的输入端，1×2光耦合器2的上路输出端连接光带通滤波器3的输入端，光带通滤波器3的输出端连接相位调制器5的输入端，相位调制器5的输出端连接2×1光耦合器7的上路输入端，1×2光耦合器2的下路输出端连接光带通滤波器4的输入端，光带通滤波器4的输出端连接相位调制器6的输入端，相位调制器6的输出端连接2×1光耦合器7的下路输入端，2×1光耦合器7的输出端连接光电探测器8的输入端。
该芯片的输入信号为光频梳信号，如图2所示，1×2光耦合器2将光频梳信号等分为两路，上路输入光带通滤波器3，下路输入光带通滤波器4，滤出两根不同频率的梳齿作为两路光载波。光带通滤波器3和4的输出信号可以分别表示为：
Figure BDA0002552085890000041
其中，A1，A2为光载波幅度，ω1,ω2为光载波的角频率。
在相位调制器5中，由任意波形发生器产生的二次抛物线信号s(t)被调制到光载波ω1上：
Figure BDA0002552085890000042
Figure BDA0002552085890000051
其中，T0为抛物线的持续时间，同时也是电编码信号的脉冲宽度，
Figure BDA0002552085890000052
为常数，β为相位调制器5的调制深度。
在相位调制器6中，由任意波形发生器产生的电编码信号c(t)被调制到光载波ω2上：
E2＝A2 exp{j[ω2t+γc(t)]} (4)
其中，γ为相位调制器6的调制深度。
两路相位调制光信号在2×1光耦合器7中进行合路：
E＝E1+E2 (5)
2×1光耦合器7的输出端与光电探测器8的输入端相连，光信号在该光电探测器中的拍频响应可以表示为：
Figure BDA0002552085890000053
通过调节光带通滤波器的工作波长，可以选择不同频率的梳齿，从而改变(ω1-ω2)的差值，即改变LFM-PC信号的中心频率。
如图3所示，当输入的电编码信号为c(t)＝{0,1,1,0,1}时，产生如图所示的LFM-PC信号，实现了脉内线性调频-脉间相位编码。
除了生成LFM-PC信号之外，该装置还可以单独生成线性调频信号和相位编码信号：当只有一路上调制抛物线信号时，光电探测器拍频得到线性调频信号；当只有一路上调制电编码信号时，光电探测器拍频得到相位编码信号。
本实施例中使用独立的任意波形发生器来生成抛物线信号和电编码信号，随着技术进步，未来也可进一步将可片上集成的信号发生器一并集成在该芯片上。

Claims (10)

1.一种微波光子多功能雷达信号生成装置，其特征在于，包括以下光组件：
第一光耦合器，用于接收光频梳信号并将其分为两路；
两个光滤波器，用于从光耦合器所输出的两路光频梳信号中分别滤出一根不同频率的光梳齿信号；
两个相位调制器，用于分别对所述两根不同频率的光梳齿信号进行相位调制；
第二光耦合器，用于将两个相位调制器所输出的两路相位调制信号耦合为一路；
光电探测器，用于对第二光耦合器所输出的耦合信号进行光电探测，生成雷达信号。
2.如权利要求1所述微波光子多功能雷达信号生成装置，其特征在于，所述光组件被集成于同一芯片上。
3.如权利要求2所述微波光子多功能雷达信号生成装置，其特征在于，所述第一光耦合器和/或第二光耦合器为多模干涉结构，或为y分支结构，或为定向耦合器结构。
4.如权利要求2所述微波光子多功能雷达信号生成装置，其特征在于，所述光滤波器为中心频率可调的光带通滤波器。
5.如权利要求4所述微波光子多功能雷达信号生成装置，其特征在于，所述中心频率可调的光带通滤波器为上传/下载型微环谐振腔结构。
6.如权利要求2所述微波光子多功能雷达信号生成装置，其特征在于，所述光组件通过硅基光子集成技术，或通过磷化铟基光子集成技术，或通过光子混合方法，被集成于同一芯片上。
7.如权利要求1所述微波光子多功能雷达信号生成装置，其特征在于，该装置还包括：
信号发生器，用于生成加载至所述相位调制器的抛物线信号和/或电编码信号。
8.如权利要求1～7任一项所述微波光子多功能雷达信号生成装置的信号生成方法，其特征在于，只在其中一个相位调制器上加载抛物线信号，则所述光电探测器生成线性调频信号。
9.如权利要求1～7任一项所述微波光子多功能雷达信号生成装置的信号生成方法，其特征在于，只在其中一个相位调制器上加载电编码信号，则所述光电探测器生成相位编码信号。
10.如权利要求1～7任一项所述微波光子多功能雷达信号生成装置的信号生成方法，其特征在于，在两个相位调制器上分别同步加载脉冲宽度一致的抛物线信号、电编码信号，则所述光电探测器生成脉内线性调频-脉间相位编码信号。
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