CN111948633A - 一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达，能够产生线性调频信号、频率编码信号、频率相位复合编码信号，灵活多变的波形能够满足各类复杂场景下目标探测需求；使用光真延时网络有效补偿孔径渡越效应，实现大口径相控阵雷达宽带宽角扫描。光真延时网络具有体积小，损耗小等优点，能够简化系统复杂性；使用光学脉压处理器在光域实现宽带信号的脉冲压缩处理，具有实时快速的优点，可以有效降低信号采样率，减缓信号传输及实时处理的压力；在光域完成信号产生和处理，有效解决了宽带任意波形产生、海量数据传输和实时处理的难题，宽带工作波形可根据探测场景灵活切换，将显著提升雷达在复杂场景下的探测性能。

Description

一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达

技术领域

本发明属于宽频带相控阵雷达天线技术领域，具体涉及一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达。

背景技术

相控阵雷达阵列采用许多辐射单元排列而成，通过一定规律控制各个单元的相位差，利用电磁波的干涉现象灵活控制波束指向。与传统机械扫描雷达相比，它能快速切换波束方向，可同时搜索、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标，具有功能多、机动性强、反射时间短、数据率高、抗干扰能力强及可靠性高等突出优势。此外，为了满足众多复杂场景下目标探测的需求，相控阵雷达还应具备高分辨率特性，包括高距离分辨率和高角度分辨率。因此，能够实现远距离、高分辨率、宽扫描角的大口径宽频带相控阵雷达受到人们越来越多地关注。

大口径阵列雷达的信号带宽和波束的电扫描能力之间存在着固有矛盾，该矛盾表现为色散效应。波束在大带宽大角度扫描时会发生偏移，导致合成后的回波信号能量损失，雷达探测威力下降。为了解决色散效应问题，传统方法采用模拟延迟单元对波束指向进行控制，通常在子阵级完成。即子阵内采用移相器进行波束控制，而子阵间连接时间延迟单元，根据波束指向选择适宜的延迟单元对波束指向进行控制。为了避免模拟延迟单元设备量大、幅相失真严重等问题，可以采用光纤延时线替代传统模拟延迟单元。

常用的宽带波形为线性调频信号，线性调频信号是一种大时宽带宽积信号，与其它脉压信号相比，技术上比较成熟，可在工程中得到广泛的应用。此外，现代雷达还需具备低截获、抗干扰等特性，低截获概率雷达常采用频率编码、相位编码、复合编码等信号形式。

现代雷达系统需要具备灵活工作波形，能够根据不同的场景任意切换，因此，急需设计一种宽带波形灵活可变的相控阵雷达天线系统。伴随着数字技术、微波光子技术等先进技术的发展，如何采用新技术产生宽带信号，获得更大的瞬时带宽、更复杂的调制方式和更好的频率稳定度是雷达系统架构设计亟待解决的关键问题；根据奈奎斯特采样定理，宽带信号的不失真采样需要使用高速模数转换器件，其将产生大量原始数据，如何采用新技术解决海量数据传输和信号实时处理同样是雷达系统架构设计亟待解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达，可以在光域完成任意波形产生、信号时延及脉冲压缩处理，能够有效解决宽带相控阵雷达色散效应、灵活宽带波形切换和海量数据传输及处理等难题。

一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达系统，包括信号产生模块、天线馈电网络模块和信号接收模块；

所述信号产生模块包括光电振荡器模块、锁相环模块和相位调制模块；

所述光电振荡器模块是由光信号链路和微波信号链路构成的光电混合谐振腔闭环结构；

其中，光信号链路包括第一激光源、第一电光相位调制器、频率可调谐Add-Drop型微盘谐振腔光滤波器、光纤延迟线以及第一光电探测器；所述微波信号链路包括微波耦合器、微波功率放大器和偏置器；

第一激光源发出的连续光信号经第一电光相位调制器调制后由输入端口接入微盘谐振腔光滤波器；经其选频后，光信号由直通输出端口输出，再经光纤延迟线输入第一光电探测器；

所述第一光电探测器将光信号转换为电信号，经微波功率放大器放大与锁相环模块输出信号经偏置器合并后用于驱动电光相位调制器，构成一个正反馈闭环线路；

所述锁相环模块包括微波分频器、混频器和低通滤波器；所述分频器将光电振荡器模块的微波震荡信号进行分频，得到频率与参考信号相当的信号；所述混频器对输入的参考信号和分频后的微波振荡信号进行频率比较，输出一个代表两者差异的信号，并通过低通滤波器将差异信号的高频成分滤除，保留直流部分即相位修改信号，即为锁相环模块输出信号；

所述相位调制模块包括第二电光相位调制器、光耦合器、第二光电探测器；第二电光相位调制器对来自所述激光源的光信号进行任意相位调制，调制后的光信号与所述微盘谐振腔光滤波器的下载端口输出的光信号经过光耦合器合并，入射到第二光电探测器上进行拍频，从而可以获得宽带任意调制微波信号；

所述天线馈电网络模块用于将信号产生模块生成的宽带信号发射出去，并将接收的回波信号发送给信号接收模块；

所述信号接收模块对接收的回波信号进行处理，获得数字基带信号。

进一步的，所述天线馈电网络模块包括TR组件、收发开关、光真延时网络、功率放大器、功率合成网络、驱动级发射功率分配器以及低噪声放大器；由信号产生模块生成的宽带信号经过驱动级发射功率分配器将信号功分多路，经过功率放大器放大后再经过光真延时网络补偿孔径渡越效应，最后经过收发开关，将信号分发至每个TR组件，并发射出去；TR组件接收回波信号，经过收发开关合并为一路，经过光真延时网络补偿孔径渡越效应，再经过低噪声放大器和功率合成网络传输至信号接收模块；

其中，所述光真延时网络包括第二激光源、电光强度调制器、光开关阵列、光纤延时线和光电探测器；第二激光源产生的光载波信号和待延迟的微波信号输入电光强度调制器，电光强度调制器将待延迟的微波信号调制到光载波信号上；该光载波信号通过基于马赫-增德尔干涉仪结构的光开关阵列选择不同光纤延时线传输长度，从而实现不同的时间延迟，最后经光电探测器解调，获得经过时间延迟的微波信号。

进一步的，所述信号接收模块包括低噪声放大器、滤波器、光学脉压处理器、A/D转换器；信号经过低噪声放大器和滤波器后，经过光学脉压处理器在光域完成回波信号的脉冲压缩处理，再使用低速A/D转换器完成信号从模拟到数字的转换，从而获得数字基带信号；

其中，光学脉压处理器包括光脉冲源、双平行马赫-增德尔电光强度调制器、大色散光纤、平衡光电探测器、电光强度调制器和光电探测器；

所述光脉冲源产生光脉冲信号，该光脉冲信号传输进入双平行马赫-增德尔电光强度调制器，该调制器的上下两路光脉冲信号，其中一路被接收到的目标反射宽带雷达信号调制，另一路被参考宽带雷达信号调制，由此把目标反射宽带微波雷达信号和参考宽带雷达信号变换到光域内；在双平行马赫-增德尔电光强度调制器的输出端，调制后的两路光信号分别经过一段大色散的光纤，实现光学傅里叶变换得到信号频谱信息；再经过平衡电光探测器，得到两个微波信号频域相乘输出结果；将输出的微波信号通过电光调制器调制到光学信号上，再经过一段大色散的光纤，实现反傅里叶变换，最后经过光电转换器得到压缩之后的微波信号，即是需要的脉冲压缩后的结果。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达，能够产生线性调频信号、频率编码信号、频率相位复合编码信号，灵活多变的波形能够满足各类复杂场景下目标探测需求；相比于传统电子技术手段，利用光学技术产生微波宽带信号具有频率高，带宽大，波形易重构等显著优势。

使用光真延时网络有效补偿孔径渡越效应，实现大口径相控阵雷达宽带宽角扫描。光真延时网络具有体积小，损耗小等优点，能够简化系统复杂性；

使用光学脉压处理器在光域实现宽带信号的脉冲压缩处理，具有实时快速的优点，可以有效降低信号采样率，减缓信号传输及实时处理的压力。

在光域完成信号产生和处理，有效解决了宽带任意波形产生、海量数据传输和实时处理的难题，宽带工作波形可根据探测场景灵活切换，将显著提升雷达在复杂场景下的探测性能。

附图说明

图1为柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达阵面示意图。

图2为光学微波宽带信号产生器示意图。

图3为光真延时网络示意图。

图4为光学脉压处理器示意图。

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。

一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达系统，所述天线系统包括信号产生模块、天线馈电网络模块、信号接收模块。

所述信号产生模块包括光学微波宽带信号产生器、带通滤波器、功率放大器。光学微波宽带信号产生器可以产生线性调频信号、频率编码信号和频率相位复合编码信号，产生的信号经过带通滤波和功率放大后传输至天线馈电网络模块。

所述天线馈电网络模块包括TR组件、收发开关、光真延时网络、功率放大器、功率合成网络、驱动级发射功率分配器以及低噪声放大器。由信号产生模块生成的宽带信号经过驱动级发射功率分配器将信号功分多路，经过功率放大传递给阵列各个子阵单元，子阵内经过光真延时网络补偿孔径渡越效应，再经过收发开关，将信号分发至每个TR组件，并发射出去。TR组件接收回波信号，经过收发开关合并为一路，经过光真延时网络补偿孔径渡越效应，再经过低噪声放大器和功率合成网络传输至信号接收模块。

所述信号接收模块包括低噪声放大器、滤波器、光学脉压处理器、A/D转换器。信号经过低噪声放大器和滤波器后，经过光学脉压处理器在光域完成回波信号的脉冲压缩处理，从而有效降低信号采样率，使用低速A/D转换器完成信号从模拟到数字的转换，从而获得数字基带信号。

本发明利用基于锁相环的光电振荡器来产生任意宽带雷达信号，其结构如图2所示。包括光电振荡器模块，锁相环模块和相位调制模块。

所述光电振荡器模块是由光信号链路和微波信号链路构成的光电混合谐振腔闭环结构。其中，光信号链路包括激光源、电光相位调制器、频率可调谐Add-Drop型微盘谐振腔光滤波器、光纤延迟线、光电探测器等光学器件；微波信号链路包括微波耦合器、微波功率放大器和偏置器等微波器件。激光器发出的连续光信号经电光相位调制器调制后输入端口接入微盘谐振腔光滤波器。经过滤波器选频，光信号由直通输出端口输出，选择频率由微盘谐振腔谐振频率决定，经光纤输进入光电探测器。光电探测器将光信号转换为电信号，经微波功率放大器放大与锁相环模块输出信号经偏置器合并驱动电光相位调制器，构成一个正反馈闭环线路。在环内，有源器件会产生不同频率的随机噪声信号。这些噪声信号在光域内经微盘谐振腔光滤波器选频，通过微波功率放大器的增益放大，经过多次循环后在环内建立起稳定的振荡。其振荡信号频率主要由微盘谐振腔光滤波器的通带特性决定，并且随着微盘谐振频率调谐而连续可调。

在锁相环振荡器中，参考信号(例如，来自光电振荡器的主信号)的相位被相位比较器用于与振荡信号的相位进行比较。每一个参考信号和振荡器信号的相位差值被用来产生一个相位误差输出，提供给可变信号用来修正从属振荡器的相位和/或频率的偏差。

所述锁相环模块包括微波分频器、混频器和低通滤波器组成。将光电振荡器模块的稳定微波信号输出首先经过分频器，将光电振荡器的输出降低到与参考微波信号相同级别的频率，然后利用混频器对输入的参考信号和反馈回路的振荡信号进行相位的比较，输出一个代表两者差异的信号，并通过低通滤波器将差异信号的高频成分滤除，保留直流部分即相位修改信号。该相位修改信号与放大后的光电振荡器模块输出的微波信号经过偏置器合并后反馈驱动电光相位调制器。通过锁相环模块，将光电振荡器的稳定输出微波信号和参考输入微波信号进行相位锁定，提高产生微波信号频率稳定性和实现相位锁定。

所述相位调制模块由电光相位调制器、光耦合器、光电探测器组成。为了产生任意宽带射频信号，相位调制模块通过利用电光相位调制器实现对来自同一激光源的光信号进行任意相位调制包括相位二次调制和相位复合编码调制。调制后的光信号与光电振荡器模块在微盘谐振腔光滤波器下载端口输出的光信号经过光耦合合并，入射到光电探测器上进行拍频，从而可以获得宽带任意调制微波信号。

本发明利用基于马赫-增德尔干涉仪结构光开关阵列和光纤延时线产生光学真延时从而实现雷达波束无偏斜扫描，减轻传统相控阵雷达因渡越时间和孔径效应对雷达信号瞬时带宽的限制,实现了宽带宽角扫描，其结构如图3所示。整个系统包括激光源、电光强度调制器、光开关阵列、光纤延时线和光电探测器。激光源产生的光载波信号和待延迟的微波信号输入电光强度调制器，输出将微波信号调制到光载波上的光信号。该光信号通过基于马赫-增德尔干涉仪结构的光开关阵列选择不同光纤延时线传输长度，从而实现不同的时间延迟，经光电探测器解调，获得经过时间延迟的微波信号。微波信号在空气中的路径差dsin(θ)所对应的相位差

为:

其中，d是相邻天线单元间距，f是发射的微波信号频率，θ是波束扫描角度，c是自由空间光速。通常相邻天线单元信号间的相位差

可以通过光学真延时Δτ来实现，即：

利用光开关阵列选择不同光纤延迟线组合实现所需要的信号延迟时间，从而实现宽带雷达信号的无偏斜快速扫描。

本发明利用光学脉压处理器实现宽带雷达信号脉冲压缩处理，突破传统微波领域难以实现宽带信号处理的技术瓶颈，提高雷达对目标的距离分辨精度和距离分辨率，其结构如图4所示，整个系统包括光脉冲源、双平行马赫-增德尔电光强度调制器(DPMZM)，大色散光纤、平衡光电探测器、电光强度调制器和光电探测器。光学脉压处理器基于在光域内实现宽带雷达信号的卷积运算。根据卷积运算性质，我们知道两个信号的时域卷积运算等同于两个信号的频域相乘。利用此性质，光脉冲源产生光脉冲信号，该信号传输进入双平行马赫-增德尔电光强度调制器，在该调制器的上下两路光脉冲信号，其中一路被接收到的目标反射宽带雷达信号调制，另一路被参考宽带雷达信号调制，这样就把目标反射宽带微波雷达信号和参考宽带雷达信号变换到光域内。在调制器的输出端，调制后的两路光信号分别经过一段大色散的光纤，实现光学傅里叶变换得到信号频谱信息。再经过平衡电光探测器，得到两个微波信号频域相乘输出结果。将输出的微波信号通过一个电光调制器调制到光学信号上，再经过一段大色散的光纤，实现反傅里叶变换，经过光电转换器得到压缩之后的微波信号，即是需要的脉冲压缩后的结果。利用此基于光域卷积的脉压处理器，可以实现对宽带微波信号的脉冲压缩处理，解决了传统处理模式下海量数据传输和实时处理的难题，减小了系统负担，加快了运行速度，为宽带雷达信号处理提供了一个新途径。

本发明的方法在光域完成信号产生和处理，有效解决了宽带任意波形产生、海量数据传输和实时处理的难题，宽带工作波形可根据探测场景灵活切换，将显著提升雷达在复杂场景下的探测性能。

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 (3)

1.一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达系统，其特征在于，包括信号产生模块、天线馈电网络模块和信号接收模块；

所述信号产生模块包括光电振荡器模块、锁相环模块和相位调制模块；

所述光电振荡器模块是由光信号链路和微波信号链路构成的光电混合谐振腔闭环结构；

其中，光信号链路包括第一激光源、第一电光相位调制器、频率可调谐Add-Drop型微盘谐振腔光滤波器、光纤延迟线以及第一光电探测器；所述微波信号链路包括微波耦合器、微波功率放大器和偏置器；

第一激光源发出的连续光信号经第一电光相位调制器调制后由输入端口接入微盘谐振腔光滤波器；经其选频后，光信号由直通输出端口输出，再经光纤延迟线输入第一光电探测器；

所述第一光电探测器将光信号转换为电信号，经微波功率放大器放大与锁相环模块输出信号经偏置器合并后用于驱动电光相位调制器，构成一个正反馈闭环线路；

所述锁相环模块包括微波分频器、混频器和低通滤波器；所述分频器将光电振荡器模块的微波震荡信号进行分频，得到频率与参考信号相当的信号；所述混频器对输入的参考信号和分频后的微波振荡信号进行频率比较，输出一个代表两者差异的信号，并通过低通滤波器将差异信号的高频成分滤除，保留直流部分即相位修改信号，即为锁相环模块输出信号；

所述相位调制模块包括第二电光相位调制器、光耦合器、第二光电探测器；第二电光相位调制器对来自所述激光源的光信号进行任意相位调制，调制后的光信号与所述微盘谐振腔光滤波器的下载端口输出的光信号经过光耦合器合并，入射到第二光电探测器上进行拍频，从而可以获得宽带任意调制微波信号；

所述天线馈电网络模块用于将信号产生模块生成的宽带信号发射出去，并将接收的回波信号发送给信号接收模块；

所述信号接收模块对接收的回波信号进行处理，获得数字基带信号。

2.如权利要求1所述的一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达系统，其特征在于，所述天线馈电网络模块包括TR组件、收发开关、光真延时网络、功率放大器、功率合成网络、驱动级发射功率分配器以及低噪声放大器；由信号产生模块生成的宽带信号经过驱动级发射功率分配器将信号功分多路，经过功率放大器放大后再经过光真延时网络补偿孔径渡越效应，最后经过收发开关，将信号分发至每个TR组件，并发射出去；TR组件接收回波信号，经过收发开关合并为一路，经过光真延时网络补偿孔径渡越效应，再经过低噪声放大器和功率合成网络传输至信号接收模块；

其中，所述光真延时网络包括第二激光源、电光强度调制器、光开关阵列、光纤延时线和光电探测器；第二激光源产生的光载波信号和待延迟的微波信号输入电光强度调制器，电光强度调制器将待延迟的微波信号调制到光载波信号上；该光载波信号通过基于马赫-增德尔干涉仪结构的光开关阵列选择不同光纤延时线传输长度，从而实现不同的时间延迟，最后经光电探测器解调，获得经过时间延迟的微波信号。

3.如权利要求1所述的一种柔性超宽带数字化微波光子相控阵雷达系统，其特征在于，所述信号接收模块包括低噪声放大器、滤波器、光学脉压处理器、A/D转换器；信号经过低噪声放大器和滤波器后，经过光学脉压处理器在光域完成回波信号的脉冲压缩处理，再使用低速A/D转换器完成信号从模拟到数字的转换，从而获得数字基带信号；

其中，光学脉压处理器包括光脉冲源、双平行马赫-增德尔电光强度调制器、大色散光纤、平衡光电探测器、电光强度调制器和光电探测器；

所述光脉冲源产生光脉冲信号，该光脉冲信号传输进入双平行马赫-增德尔电光强度调制器，该调制器的上下两路光脉冲信号，其中一路被接收到的目标反射宽带雷达信号调制，另一路被参考宽带雷达信号调制，由此把目标反射宽带微波雷达信号和参考宽带雷达信号变换到光域内；在双平行马赫-增德尔电光强度调制器的输出端，调制后的两路光信号分别经过一段大色散的光纤，实现光学傅里叶变换得到信号频谱信息；再经过平衡电光探测器，得到两个微波信号频域相乘输出结果；将输出的微波信号通过电光调制器调制到光学信号上，再经过一段大色散的光纤，实现反傅里叶变换，最后经过光电转换器得到压缩之后的微波信号，即是需要的脉冲压缩后的结果。

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