CN112180356A - 一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置，首先利用偏振调制器将抛物线波形电信号调制到光载波上；然后将该调制光信号与光本振信号耦合拍频，即可产生毫米波双啁啾线性调频信号；为增大输出信号时宽带宽积，将电调制信号转化为预编码抛物线波形串，拍频后产生的毫米波双啁啾线性调频信号在保持带宽不变前提下，时宽可扩展至任意长，从而有效提升信号的时宽带宽积。调节本振光波长对双啁啾线性调频信号进行载频调谐，调节抛物线波形持续时间对输出信号进行带宽调谐，调节抛物线波形串预编码码长对输出信号进行时宽调谐。本方案产生的双啁啾线性调频信号具有载频高、调谐性能好、时宽带宽积大、结构简单等优势，应用前景十分广泛。

Description

一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置
技术领域
本发明属于微波光子信号产生技术领域，涉及具有大时宽带宽积的毫米波双啁啾线性调频信号产生方法，具体涉及一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置。
背景技术
线性调频信号是一种常用的大时宽带宽积雷达波形，它可以通过脉冲压缩技术获得高的测量精度。然而，线性调频脉冲具有“刀刃”状模糊函数，对于非合作移动目标，使用线性调频波形不能确切测量其速度和距离，且无法分辨位于倾斜“刀刃”附近的多个目标。因此，需要对信号进行一定的波形设计，使其模糊函数接近于图钉状。双啁啾线性调频信号是一种复合线性调频波形，在信号持续时间内，同时包含有载频和带宽相同、啁啾相反的两个线性调频信号。利用双啁啾线性调频信号，可以有效抑制单个线性调频波形模糊函数中的倾斜“刀刃”，从而极大提高雷达探测的速度-距离联合分辨力。双啁啾线性调频信号的产生是新一代高性能雷达探测和电子战等系统的关键技术之一，具有广泛的军事应用和民用前景。
与现有电子技术相比，利用微波光子技术有望直接产生、传输和处理具有更高载频、更宽带宽、更好调谐性能和更优集成结构的宽带任意波形，为雷达系统提供超宽带、高性能的信号源，从而赋予雷达更加蓬勃的生命力，并有望改变雷达体制。
利用微波光子技术产生线性调频信号受到了国内外科研机构的广泛研究，但针对双啁啾线性调频信号产生的研究相对较少。1)D. Zhu and J.Yao,“Dual-Chirp MicrowaveWaveform Generation Using a Dual-Parallel Mach–Zehnder Modulator”,IEEEPhotonics Technology Letters,vol.27,no.13,pp.1410-1413. 2015中，加拿大渥太华大学利用双平行马赫增德尔调制器调制产生的光边带相互混频，将一路微波信号和一路基带线性调频信号在光域合成为双啁啾线性调频波形。2)X.Li,S.Zhao,Z.Zhu,et al,“Photonic Generation of Frequency and Bandwidth Multiplying Dual-ChirpMicrowave Waveform”,IEEE Photonics Journal,vol.9, no.3,pp.1-14.2017中，申请人所在课题组利用光域微波倍频方法，基于集成双偏振调制器产生载波和带宽同步倍频的双啁啾线性调频信号，通过设置集成调制器中各子调制器的偏置点，可以获得载波二倍频、带宽四倍频或载波四倍频、带宽八倍频的双啁啾线性调频信号。同理，3)Y.Xu,T.Jin,H.Chi,et al,“Photonic Generation of Dual-Chirp Waveforms With Improved Time-Bandwidth Product”, IEEE Photonics Technology Letters,vol.29,no.15.pp.1253-1256. 2017中，浙江大学采用基于级联马赫增德尔调制器的光域微波倍频方法，产生了载频带宽同步倍频的双啁啾线性调频信号。4)K.Zhang, S.Zhao,T.Lin et al,“Photonicgeneration of multi-frequency dual-chirp microwave waveform with multiplyingbandwidth”, Results in Physics,vol.13,pp.102226.2019中，申请人所在课题组采用基于光频梳和双偏振马赫增德尔调制器的光域微波倍频方法，结合电域滤波，同步产生多波段双啁啾线性调频信号。5)X.Li, S.Zhao,K.Zhang,G.Wang,“Dual-chirp waveformgeneration and its TBWP improvement based on polarization modulation andphase coding”,Optics Communications,vol.463,pp.125413, 2020中，申请人所在课题组则采用级联偏振调制结合平衡探测产生相位编码双啁啾线性调频信号，以扩展双啁啾线性调频信号的时宽带宽积。然而，上述方案存在一定的局限性。1)中方案所产生双啁啾线性调频信号的载频为输入微波频率，带宽为输入基带线性调频信号上变频结果，因此没有突破电子瓶颈对信号载频和带宽的限制。2)至4) 方案中的光域微波倍频方法在倍频处理过程中，信号信噪比会随倍频系数N产生6NdB衰减，同时，调制器有限消光比引起的杂散光边带会进一步恶化输出射频波形的信噪比，此外，马赫增德尔调制器固有的直流偏置漂移问题也会影响系统稳定性。5)中方案则需要三个电光调制器，系统成本高，且级联偏振调制和平衡探测控制复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置，光源输出的线偏振光作为光载波输入偏振调制器，在调制器中，光载波与抛物线波形电信号进行等幅反相相位调制，之后，调制光信号与本振光信号耦合、拍频，产生毫米波双啁啾线性调频信号；采用预编码方法，将输入偏振调制器的抛物线波形电信号替换为极性编码抛物线波形串，从而扩展所产生信号时宽带宽积；输出毫米波双啁啾线性调频信号的载频、带宽、时宽等参数可以进行独立调谐。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置，包括连续波激光器 (1)、偏振控制器(2)、偏振调制器(3)、任意波形发生器(4)、波长调谐激光器(5)、偏振控制器(6)、光耦合器(7)及光电探测器 (8)，其特征在于，连续波激光器(1)同偏振控制器(2)相连接，偏振控制器(2)与偏振调制器(3)光输入端口相连接，偏振调制器 (3)的射频输入端口与任意波形发生器(4)相连接，偏振调制器(3) 的光输出端口与光耦合器(7)的一个输入端口相连接，光耦合器(7) 的另一个输入端口通过偏振控制器(6)与波长调谐激光器(5)相连接，光耦合器(7)的输出端口与光电探测器(8)相连接。
所述的偏振调制器(3)为电光调制器，不需要直流偏置电压；双啁啾线性调频信号的产生不需要滤波处理，系统调谐性能好。
所述的可调光源为频率调谐连续波激光器，其输出频率与光载波频率差决定所产生双啁啾线性调频信号的载频，适用于高频毫米波信号产生。
一种毫米波双啁啾线性调频信号产生方法，包括以下步骤：
步骤1：激光器(1)输出为线偏振光信号，线偏振光作为光载波输入偏振调制器，偏振控制器(2)调整该光信号偏振态，得到偏振后光载波，以减少其输入偏振调制器(3)时的偏振损耗；
步骤2：任意波形发生器(4)产生的抛物线波形电信号直接输入偏振调制器(3)的射频输入端口，为一偏振主轴光分量，输入进偏振调制器(3)的光载波为另一偏振主轴光分量，通过偏振调制器(3) 对两个偏振主轴光分量进行等幅反相相位调制，当输入为单个抛物线波形信号时，偏振调制器3的输出光信号
Figure RE-GDA0002801472160000051
为公式(1)所示：
Figure RE-GDA0002801472160000052
其中，t为时间，x和y轴分别代表偏振调制器3的两个主轴方向，ω1为激光器1输出光信号角频率，β为调制器3调制系数，s(t)为归一化抛物线波形，由公式(2)表示
Figure RE-GDA0002801472160000053
k＝4/T2为归一化抛物线波形系数，T为抛物线波形持续时间；
步骤3：偏振正交后得到的两路调制后光信号经光耦合器(7) 后与本振光信号耦合；光本振信号由波长调谐光源(5)产生，其偏振态由偏振控制器(6)调整，当其线偏振方向与x、y轴成45°时，光耦合器输出光信号
Figure RE-GDA0002801472160000054
由公式(3)表示
Figure RE-GDA0002801472160000055
其中ω2为可调光源5输出光信号角频率；
步骤4：步骤3)得到的耦合光信号输入光电探测器(8)，两个相互垂直的偏振分量分别进行拍频，而垂直分量之间不会相互干扰，探测器输出电流信号is(t)由公式(4)表示
Figure RE-GDA0002801472160000056
探测器输出电信号中有直流分量iDC，该分量可以通过DC-block 滤除，最终所产生双啁啾线性调频信号的带宽B由公式(5)表示
Figure RE-GDA0002801472160000061
步骤5：在调制系数一定条件下，信号带宽可以通过减小抛物线波形持续时间进行扩展，但信号时宽带宽积保持不变，为增大信号时宽带宽积，将任意波形发生器(4)输出电信号调整为经预编码处理的抛物线波形串，即利用一个二进制M序列对重复的抛物线波形串进行正负极性编码，预编码信号m(t)由公式(6)表示
Figure RE-GDA0002801472160000062
其中L为M序列长度，Mi为M序列中第i个元素，定义为“-1”或“1”；
此时，光电探测器(8)输出的电流信号im(t)由公式(7)表示
Figure RE-GDA0002801472160000063
与公式(4)相比，合成双啁啾线性调频信号的带宽保持不变，但其时宽扩展了L倍，从而使其时宽带宽积增大L倍，这样将步骤2) 中的抛物线波形电信号替换为极性编码抛物线波形串，实现扩展所产生信号时宽带宽积。
进一步向，为扩展所产生双啁啾线性调频信号的时宽带宽积，可对输入电信号进行预编码处理，即输入极性编码抛物线波形串。
进一步，输出双啁啾线性调频信号的载频可通过改变可调光源频率进行调谐，输出信号时宽可通过改变预编码序列长度进行调谐。
本发明的有益效果是：
方案简单，只有一个电光调制器件，不受直流偏置漂移影响；避免了倍频处理时的信噪比恶化问题，不受电光调制杂散光边带影响；无需光域滤波，电域只需附加隔直器，处理方便；采用外差探测，信号载频不受限；信号具有任意大时宽带宽积；系统具有好的调谐性能。
附图说明
图1为本发明的毫米波双啁啾线性调频信号产生装置结构示意图。
图2为偏振调制器输入电信号为单个抛物线波形，且波形持续时间为3.2ns时，其中(a)图所产生双啁啾线性调频信号波形，其中 (b)图双啁啾线性调频信号瞬时频率，其中(c)图双啁啾线性调频信号自相关函数，其中(d)图双啁啾线性调频信号模糊函数，插图为模糊函数-3dB截面。
图3为偏振调制器输入电信号为单个抛物线波形，且波形持续时间为6.4ns时，其中(a)图所产生双啁啾线性调频信号波形，其中 (b)图双啁啾线性调频信号瞬时频率以及其中(c)图双啁啾线性调频信号自相关函数。
图4中的(a)图为极性编码抛物线波形串信号，(b)图为100-150 ns时间窗口放大视图。
图5为偏振调制器输入电信号为图4所示抛物线波形串时，所产生双啁啾线性调频信号，其中(a)图为0-16ns时间窗口放大视图，(b)图为1.5-1.7ns和4.7-4.9ns时间窗口内的波形重叠视图， (c)图为自相关函数。
图6为图2的(a)图、图3的(a)图和图5的(a)图毫米波双啁啾线性调频信号模糊函数的-3dB截面。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明进一步叙述。
如图1所示，一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置，包括连续波激光器(1)、偏振控制器(2)、偏振调制器(3)、任意波形发生器(4)、波长调谐激光器(5)、偏振控制器(6)、光耦合器(7) 及光电探测器(8)，其特征在于，连续波激光器(1)同偏振控制器 (2)相连接，偏振控制器(2)与偏振调制器(3)光输入端口相连接，偏振调制器(3)的射频输入端口与任意波形发生器(4)相连接，偏振调制器(3)的光输出端口与光耦合器(7)的一个输入端口相连接，光耦合器(7)的另一个输入端口通过偏振控制器(6)与波长调谐激光器(5)相连接，光耦合器(7)的输出端口与光电探测器(8) 相连接。
所述的偏振调制器(3)为电光调制器，不需要直流偏置电压；双啁啾线性调频信号的产生不需要滤波处理，系统调谐性能好。
所述的可调光源为频率调谐连续波激光器，其输出频率与光载波频率差决定所产生双啁啾线性调频信号的载频，适用于高频毫米波信号产生。
一种毫米波双啁啾线性调频信号产生方法，包括以下步骤：
步骤1、激光器(1)输出为线偏振光信号，线偏振光作为光载波输入偏振调制器，偏振控制器(2)调整该光信号偏振态，得到偏振后光载波，以减少其输入偏振调制器(3)时的偏振损耗，；
步骤2、任意波形发生器(4)产生的抛物线波形电信号直接输入偏振调制器(3)的射频输入端口，为一偏振主轴光分量，输入进偏振调制器(3)的光载波为另一偏振主轴光分量，通过偏振调制器(3) 对两个偏振主轴光分量进行等幅反相相位调制，当输入为单个抛物线波形信号时，偏振调制器3的输出光信号
Figure RE-GDA0002801472160000091
为公式(1)所示：
Figure RE-GDA0002801472160000092
其中，t为时间，x和y轴分别代表偏振调制器3的两个主轴方向，ω1为激光器1输出光信号角频率，β为调制器3调制系数，s(t)为归一化抛物线波形，由公式(2)表示
Figure RE-GDA0002801472160000093
k＝4/T2为归一化抛物线波形系数，T为抛物线波形持续时间；
步骤3：偏振正交后得到的两路调制后光信号经光耦合器(7) 后与本振光信号耦合；光本振信号由波长调谐光源(5)产生，其偏振态由偏振控制器(6)调整，当其线偏振方向与x、y轴成45°时，光耦合器输出光信号
Figure RE-GDA0002801472160000094
由公式(3)表示
Figure RE-GDA0002801472160000095
其中ω2为可调光源5输出光信号角频率；
步骤4：步骤3)得到的耦合光信号输入光电探测器(8)，两个相互垂直的偏振分量分别进行拍频，而垂直分量之间不会相互干扰，探测器输出电流信号is(t)由公式(4)表示
Figure RE-GDA0002801472160000101
探测器输出电信号中有直流分量iDC，该分量可以通过DC-block 滤除，最终所产生双啁啾线性调频信号的带宽B由公式(5)表示
Figure RE-GDA0002801472160000102
步骤5：在调制系数一定条件下，信号带宽可以通过减小抛物线波形持续时间进行扩展，但信号时宽带宽积保持不变，为增大信号时宽带宽积，将任意波形发生器(4)输出电信号调整为经预编码处理的抛物线波形串，即利用一个二进制M序列对重复的抛物线波形串进行正负极性编码，预编码信号m(t)由公式(6)表示
Figure RE-GDA0002801472160000103
其中L为M序列长度，Mi为M序列中第i个元素，定义为“-1”或“1”；
此时，光电探测器(8)输出的电流信号im(t)由公式(7)表示
Figure RE-GDA0002801472160000104
与公式(4)相比，合成双啁啾线性调频信号的带宽保持不变，但其时宽扩展了L倍，从而使其时宽带宽积增大L倍，这样将步骤2) 中的抛物线波形电信号替换为极性编码抛物线波形串，实现扩展所产生信号时宽带宽积。
进一步向，为扩展所产生双啁啾线性调频信号的时宽带宽积，可对输入电信号进行预编码处理，即输入极性编码抛物线波形串。
进一步，输出双啁啾线性调频信号的载频可通过改变可调光源频率进行调谐，输出信号时宽可通过改变预编码序列长度进行调谐。
本发明方案简单，只有一个电光调制器件，不受直流偏置漂移影响；避免了倍频处理时的信噪比恶化问题，不受电光调制杂散光边带影响；无需光域滤波，电域只需附加隔直器，处理方便；采用外差探测，信号载频不受限；系统具有好的调谐性能。
为了验证本发明方法及装置性能，利用Optisystem仿真平台进行了毫米波双啁啾线性调频信号产生研究。仿真中，连续波激光器输出光信号频率193.1THz，可调激光器输出光信号频率为193.065THz，偏振调制器调制系数为10，光电探测器带宽为60GHz。
当偏振调制器输入电信号为单个抛物线波形，且波形持续时间为 3.2ns时，所产生毫米波双啁啾信号如图2所示。
图2中的(a)图为所产生双啁啾线性调频信号波形；
图2中的(b)图为双啁啾线性调频信号瞬时频率；
图2中的(c)图为双啁啾线性调频信号自相关函数；
图2中的(d)图为双啁啾线性调频信号模糊函数，插图为模糊函数-3dB截面。
可以看出，输出双啁啾信号持续时间为3.2ns，中心频率为35 GHz，瞬时频率约为37-33GHz的下啁啾和33-37GHz的上啁啾，时宽带宽积为12.8，压缩脉冲半峰全宽值为0.32ns，脉冲压缩比为10，主瓣旁瓣比为6.2dB。模糊函数的-3dB截面显示，信号的距离分辨力较高(信号带宽宽)但多普勒分辨力较差(信号时宽小)。
将输入抛物线波形信号的持续时间调整为6.4ns，此时所产生毫米波双啁啾信号如图3所示。
图3中的(a)图为所产生双啁啾线性调频信号波形；
图3中的(b)图为双啁啾线性调频信号瞬时频率；
图3中的(c)图为双啁啾线性调频信号自相关函数。
可以看出，输出双啁啾信号持续时间为6.4ns，中心频率为35 GHz，瞬时频率包括36-34GHz左右的下啁啾和34-36GHz左右的上啁啾，时宽带宽积为12.8，压缩脉冲半峰全宽值为0.64ns，脉冲压缩比为10，主瓣旁瓣比为6.2dB。
为提升双啁啾线性调频信号的时宽带宽积，将调制电信号由单个抛物线波形调整为由127个抛物线波形组成的极性编码抛物线波形串，抛物线波形串中单个波形持续时间和波形重复时间均为3.2ns，抛物线波形的极性由长度为127的M序列决定。
图4中的(a)图为输入的极性编码抛物线波形串。
图4中的(b)图为极性编码抛物线波形串的时间窗口放大视图 (100-150ns)。
该极性编码抛物线波形串经偏振调制后，产生的双啁啾线性调频信号如图5所示。
图5中的(a)图为所产生双啁啾线性调频信号的时间窗口放大视图(0-16ns)。
图5中的(b)图为所产生双啁啾线性调频信号在1.5-1.7ns和4.7-4.9ns时间窗口内的波形重叠视图。
图5中的(c)图为所产生双啁啾线性调频信号自相关函数。
可以看出，输出为极性编码双啁啾线性调频信号，由127个图2 中的(a)图为所示双啁啾线性调频信号基本波形组成，其中每个波形的极性由M序列决定；极性编码双啁啾线性调频信号的压缩脉冲半峰全宽值为0.32ns，对应脉冲压缩比为1270(406.4/0.32)，信号时宽带宽积为1625.6。
图6为图2中的(a)图、图3中的(a)图和图5中的(a)图的中毫米波双啁啾线性调频信号模糊函数的-3dB截面对比。可以看到，调制电信号为单个抛物线波形时，输出双啁啾线性调频信号时宽增大，带宽将会减小，因此难以同时提高信号的速度-距离联合分辨力；调制电信号采用极性预编码抛物线波形串后，输出双啁啾线性调频信号在保持带宽不变前提下，时宽可以扩展至任意值，从而有效提高输出信号的时宽带宽积和速度-距离联合分辨力。

Claims (6)

1.一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置，包括连续波激光器(1)、偏振控制器(2)、偏振调制器(3)、任意波形发生器(4)、波长调谐激光器(5)、偏振控制器(6)、光耦合器(7)及光电探测器(8)，其特征在于，连续波激光器(1)同偏振控制器(2)相连接，偏振控制器(2)与偏振调制器(3)光输入端口相连接，偏振调制器(3)的射频输入端口与任意波形发生器(4)相连接，偏振调制器(3)的光输出端口与光耦合器(7)的一个输入端口相连接，光耦合器(7)的另一个输入端口通过偏振控制器(6)与波长调谐激光器(5)相连接，光耦合器(7)的输出端口与光电探测器(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置，其特征在于，所述的偏振调制器(3)为电光调制器，不需要直流偏置电压；双啁啾线性调频信号的产生不需要滤波处理，系统调谐性能好。
3.根据权利要求1所述的一种双啁啾线性调频信号产生方法及其装置，其特征在于，所述的可调光源为频率调谐连续波激光器，其输出频率与光载波频率差决定所产生双啁啾线性调频信号的载频，适用于高频毫米波信号产生。
4.一种毫米波双啁啾线性调频信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：激光器(1)输出为线偏振光信号，线偏振光作为光载波输入偏振调制器，偏振控制器(2)调整该光信号偏振态，得到偏振后光载波，以减少其输入偏振调制器(3)时的偏振损耗；
步骤2：任意波形发生器(4)产生的抛物线波形电信号直接输入偏振调制器(3)的射频输入端口，为一偏振主轴光分量，输入进偏振调制器(3)的光载波为另一偏振主轴光分量，通过偏振调制器(3)对两个偏振主轴光分量进行等幅反相相位调制，当输入为单个抛物线波形信号时，偏振调制器3的输出光信号
Figure FDA0002652346880000024
为公式(1)所示：
Figure FDA0002652346880000021
其中，t为时间，x和y轴分别代表偏振调制器3的两个主轴方向，ω1为激光器1输出光信号角频率，β为调制器3调制系数，s(t)为归一化抛物线波形，由公式(2)表示
Figure FDA0002652346880000022
k＝4/T2为归一化抛物线波形系数，T为抛物线波形持续时间；
步骤3：偏振正交后得到的两路调制后光信号经光耦合器(7)后与本振光信号耦合；光本振信号由波长调谐光源(5)产生，其偏振态由偏振控制器(6)调整，当其线偏振方向与x、y轴成45°时，光耦合器输出光信号
Figure FDA0002652346880000025
由公式(3)表示
Figure FDA0002652346880000023
其中ω2为可调光源5输出光信号角频率；
步骤4：步骤3)得到的耦合光信号输入光电探测器(8)，两个相互垂直的偏振分量分别进行拍频，而垂直分量之间不会相互干扰，探测器输出电流信号is(t)由公式(4)表示
Figure FDA0002652346880000031
探测器输出电信号中有直流分量iDC，该分量可以通过DC-block滤除，最终所产生双啁啾线性调频信号的带宽B由公式(5)表示
Figure FDA0002652346880000032
步骤5：在调制系数一定条件下，信号带宽可以通过减小抛物线波形持续时间进行扩展，但信号时宽带宽积保持不变，为增大信号时宽带宽积，将任意波形发生器(4)输出电信号调整为经预编码处理的抛物线波形串，即利用一个二进制M序列对重复的抛物线波形串进行正负极性编码，预编码信号m(t)由公式(6)表示
Figure FDA0002652346880000033
其中L为M序列长度，Mi为M序列中第i个元素，定义为“-1”或“1”；
此时，光电探测器(8)输出的电流信号im(t)由公式(7)表示
Figure FDA0002652346880000034
与公式(4)相比，合成双啁啾线性调频信号的带宽保持不变，但其时宽扩展了L倍，从而使其时宽带宽积增大L倍，这样将步骤2)中的抛物线波形电信号替换为极性编码抛物线波形串，实现扩展所产生信号时宽带宽积。
5.根据权利要求4所述的一种毫米波双啁啾线性调频信号产生方法，其特征在于，为扩展所产生双啁啾线性调频信号的时宽带宽积，可对输入电信号进行预编码处理，即输入极性编码抛物线波形串。
6.根据权利要求4所述的一种毫米波双啁啾线性调频信号产生方法，其特征在于，输出双啁啾线性调频信号的载频可通过改变可调光源频率进行调谐，输出信号时宽可通过改变预编码序列长度进行调谐。
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