CN112305504A - 一种雷达的波束形成系统及基于其的发射和接收方法 - Google Patents

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CN112305504A CN202011135560.XA CN202011135560A CN112305504A CN 112305504 A CN112305504 A CN 112305504A CN 202011135560 A CN202011135560 A CN 202011135560A CN 112305504 A CN112305504 A CN 112305504A
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Abstract

本发明公开了一种雷达的波束形成系统，包括若干个第一光合波/分波器件和若干组光时延组件，还包括一个第二光合波/分波器，每组光时延组件的一端连接一个第一光合波/分波器，另一端共同连接第二光合波/分波器；每组光时延组件包括光色散时延组件和光传输时延组件，所述光色散时延组件包括若干间隔排列的色散时延器件和光开关，所述光传输时延组件包括若干间隔排列的传输时延器件和光开关。本发明的方法使得雷达在功能性保持不变的前提下，器件数量、模块体积、功率消耗、成本预算等都得到大幅下降，并且，阵面规模越大，下降的幅度越多。

Description

一种雷达的波束形成系统及基于其的发射和接收方法
技术领域
本发明涉及雷达领域，具体涉及一种光波束形成系统及基于其的发射和接收方法。
背景技术
随着雷达向探、干、侦、通等一体化方向发展，其带宽不断增大，载频也不断提升。光子技术以其大带宽、低损耗、抗电磁干扰等方面的优势，避免传统电学限制因素，受到越来越多的关注。其中，可实现真时延的光学波束形成系统是核心技术之一。
目前，光控相控阵的波束形成主要有两种解决方案，一是传输时延法，二是色散时延法。
传输时延法(如图2所示)，是指通过光介质长度对雷达阵面发射/接收通道的传输光程进行改变，从而调控通道间的相位，对波束指向进行改变。然而，传输时延方法使用的光开关数量巨大，且需配套相同规模的光放大器等，导致光波束形成系统的成本、体积和功耗居高不下。
色散时延法(如图3所示)，是基于色散器件，通过不同波长在器件中的色散量不同，实现通道间的相位控制。由于每通道间的光程差均相等，并且只能等比例的改变，所以单纯的色散时延方法仅适用于一维线阵，而不能用于二维面阵的波束扫描。
随着对光控相控阵雷达中光波束形成网络的需求日益迫切，进一步缩小波束形成系统的体积、成本、功耗等，成为亟待解决的实际问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种雷达的波束形成系统，包括若干个第一光合波/分波器件和若干组光时延组件，还包括一个第二光合波/分波器，每组光时延组件的一端连接一个第一光合波/分波器，另一端共同连接第二光合波/分波器；每组光时延组件包括光色散时延组件和光传输时延组件，所述光色散时延组件包括若干间隔排列的色散时延器件和光开关，所述光传输时延组件包括若干间隔排列的传输时延器件和光开关；所述第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光合波器件时，波束形成系统实现光波束的接收，所述第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光分波器件时，波束形成系统实现光波束的发射。
还提出了一种雷达的波束接收方法，基于上述波束形成系统，其中波束形成系统的第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光合波器件，所述接收方法包括如下步骤：
根据雷达系统指标中的波束扫描最大角度和波束扫描步进，确定波束扫描水平位数和波束扫描垂直位数；
确定阵面中的每一路光通道的光波长或光频率；
全部光通道的光都进入第一光合波器件，其中各光通道的光按行或按列进入同一个第一光合波器件；
每个第一光合波器件将光输入到相应的光时延组件，采用色散时延法和传输时延法对各光通道进行扫描；
将基于水平维度扫描和垂直维度扫描的每行/列的光通过第二光合波器合成为一路。
还提出了一种雷达的波束发射方法，基于上述波束形成系统，其中波束形成系统的第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光分波器件，所述发射方法包括如下步骤：
根据雷达系统指标中的波束扫描最大角度和波束扫描步进，确定波束扫描水平位数和波束扫描垂直位数；
确定阵面中的每一路光通道的光波长或者光频率；
波束进入第二光分波器件，进行光波长或者光频率分解后分别进入不同的光时延组件；
采用色散时延法或传输时延法对各光通道进行扫描；
将扫描后的各光通道的光通过相应的第一光分波器分波到不同光路中，进行发射。
进一步地，采用色散时延法和传输时延法对各光通道进行扫描，具体为：
采用色散时延法对同一行的光通道进行水平方向扫描；
采用传输时延法对同一列的光通道进行垂直方向扫描。
进一步地，采用色散时延法和传输时延法对各光通道完成扫描，具体为：
采用传输时延法对同一行的光通道进行水平方向扫描；
采用色散时延法对同一列的光通道进行垂直方向扫描。
进一步地，波束水平扫描位数和波束垂直扫描位数的计算公式具体为：
Figure BDA0002735778040000021
Figure BDA0002735778040000022
其中，W水平为波束水平扫描位数，W垂直为波束垂直扫描位数，ceil表示向上取整函数，θ水平为波束扫描最大水平角度，θ垂直为波束扫描最大垂直角度，Δθ水平为波束扫描水平步进，Δθ垂直为波束扫描垂直步进。
进一步地，所述阵面中的每一路光通道的光波长的确定公式具体为：
Figure BDA0002735778040000023
其中，λij表示第i行第j列的光通道的光波长，1≤i≤M，1≤j≤N，M表示光通道的行数，N表示光通道的列数；
所述阵面中的每一路光通道的光频率的确定公式具体为：
Figure BDA0002735778040000031
其中，fij表示第i行第j列的光通道的光频率，1≤i≤M，1≤j≤N，M表示光通道的行数，N表示光通道的列数。
进一步地，采用色散时延法对同一行的光通道进行水平方向扫描，具体为在每一行合成光通道后进入对应的色散时延光开关阵列，所述每个色散时延光开关阵列由W水平个色散器件和W水平+1个光开关间隔排列，每个色散器件的相对时延量为：
Figure BDA0002735778040000032
其中，
Figure BDA0002735778040000034
表示第Wm个色散器件的相对时延量，|τfix水平|为每一行光通道的初始色散相对时延差的绝对值，|τfix水平|＝d水平×sin(θ水平)/c，d水平为阵面水平方向相邻通道间距，c为光速，θ水平为水平方向扫描的单向最大角度，Wm为1到W水平之间的整数。
进一步地，采用传输时延法对同一列的光通道进行垂直方向扫描，具体为经过色散时延光开关阵列的每一行合成光通道进入对应的传输时延光开关阵列，所述每个传输时延光开关阵列由W垂直个色散器件和W垂直+1个光开关间隔排列，每个色散器件的相对时延量为：
Figure BDA0002735778040000033
其中，
Figure BDA0002735778040000035
表示第Wn个传输器件的相对时延量，|τfix垂直|为每一列光通道的初始传输相对时延差的绝对值，|τfix垂直|＝d垂直×sin(θ垂直)/c，d水平为阵面垂直方向相邻通道间距，c为光速，θ垂直为垂直方向扫描的单向最大角度，Wn为1到W垂直之间的整数。
进一步地，基于水平维度扫描和垂直维度扫描的每一行的光进入光功分器后被合成为一路光，形成波束。
进一步地，所述传输器件由光介质或光波导组成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的方法支持二维波束扫描功能；
2、本发明的方法使得雷达在功能性保持不变的前提下，器件数量、模块体积、功率消耗、成本预算等都得到大幅下降，并且，阵面规模越大，下降的幅度越多。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是传输时延波束形成方法架构图。
图3是色散时延波束形成方法架构图。
图4是本方法提出的波束形成系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种光控相控阵雷达的光波束形成方法，所述形成方法基于一种光控相控阵雷达的波束形成系统，所述系统包括若干个第一光合波/分波器件和若干组光时延组件，还包括一个第二光合波/分波器，每组光时延组件的一端连接一个第一光合波/分波器，另一端共同连接第二光合波/分波器；每组光时延组件包括光色散时延组件和光传输时延组件，所述光色散时延组件包括若干间隔排列的色散时延器件和光开关，所述光传输时延组件包括若干间隔排列的传输时延器件和光开关；所述光开关控制光是否经过色散时延器和传输时延器；所述第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光合波器件时，波束形成系统实现光波束的接收，实现光波束的接收具体包括如下步骤：
不失一般性，以光波束的接收为例进行阐述，即在图4所示架构中，光从左向右传输；雷达阵面的光通道组成M行*N列，M*N＝K，K为光通道的总数；
根据雷达系统指标中的波束扫描最大垂直角度±θ垂直、波束扫描最大水平角度±θ水平和波束扫描垂直步进Δθ垂直、波束扫描水平步进Δθ水平，确定波束扫描水平位数W水平和波束扫描垂直位数W垂直，波束扫面位数的单位为比特；
波束扫描水平位数W水平和波束扫描垂直位数W垂直的计算方法为：
Figure BDA0002735778040000041
Figure BDA0002735778040000051
其中ceil表示向上取整的函数；
确定阵面中的每一路光通道的光波长或光频率。
同一行的光通道波长成等差数列，即同一行相邻两个通道的波长差相同，或波长对应的频率间隔相同；即λi(j+1)-λij＝λi(j+2)-λi(j+1)或fi(j+1)-fij＝fi(j+2)-fi(j+1)，扩展表示为：
Figure BDA0002735778040000052
或
Figure BDA0002735778040000053
其中λij表示第i行第j列光通道所使用的光波长，fij表示第i行第j列光通道所使用的光频率。
不同行之间光通道的波长间隔或频率间隔相同。即λi(j+1)-λij＝λ(i+1)(j+1)-λ(i+1)j或fi(j+1)-fij＝f(i+1)(j+1)-f(i+1)j，可扩展表示为：
Figure BDA0002735778040000054
或
Figure BDA0002735778040000055
注：由于光载波的频率与波长间隔对应的频率差相比，一般而言大三个数量级，因此，对波长等间隔或者频率等间隔带来的误差可忽略不计，在本发明的方法中可进行互相替换。
全部光通道的光都进入第一光合波器件，其中各光通道的光按行进入同一个第一光合波器件；
每个第一光合波器件将光输入到相应的光时延组件，采用色散时延法和传输时延法对各光通道进行扫描；光时延组件包括光色散时延组件和光传输时延组件。
首先，根据水平扫描角度±θ水平，对每行N个通道使用色散时延方法，实现水平维度的波束扫描。
每一行光通道的初始色散相对时延差的绝对值为|τfix水平|，如图4所示
|τfix水平|＝d水平×sin(θ水平)/c
其中d水平为阵面水平方向(即每一行)相邻通道间距，c为光速，θ水平为水平方向扫描的单向最大角度。
每行N个通道的光同时进入第一光合波器件，进行光合成，形成合成光。
当色散器件的色散系数为正时，光波长中长波的时延比短波小，当色散器件的色散系数为负时，光波长中的长波长的传输时延比短波大；因此不论色散系数的正负，初始色散相对时延差均为|τfix水平|。
水平方向上总的色散时延分为W水平比特，共有W水平个色散器件，其中，最低比特位相邻通道的相对时延为：
Figure BDA0002735778040000061
低比特色散器件引入的相对时延量为其高一位比特器件的1/2，则不同比特位上由色散器件引入的相对时延量为
Figure BDA0002735778040000062
其中Wm为1到W水平之间的整数；
相同级次(不同行的相同位)的光开关之间的传输时延相等，即实现相同色散时延的色散器件引入的传输时延相同。
其次，对M行之间的时延整体采用传输时延方法，根据垂直扫描角度要求，设置传输时延量，实现垂直方向扫描。每一行光通道的初始传输相对时延差的绝对值为|τfix垂直|，如图4所示
|τfix垂直|＝d垂直×sin(θ垂直)/c
其中d垂直为阵面垂直方向(即每一列)相邻通道间距，c为光速，θ垂直为垂直方向扫描的单向最大角度。
在每一行的合成光通道后进入传输时延光开关阵列，传输时延可以采用光介质进行控制，其中光介质既可以是空气、光纤等，也可以是基于硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂等不同材料的光波导。
每行相同列上的光通道之间的传输时延相同，如图4所示。
垂直方向上总的相对时延分为W垂直比特，共有W垂直个传输时延器件，其中，最低比特位相邻通道的传输时延差为：
Figure BDA0002735778040000071
低比特的相邻通道间传输时延量为高一位比特的1/2，则不同比特位上由引入的传输时延量差为
Figure BDA0002735778040000072
其中，Wn为1到W垂直之间的整数；
不同光通道行之间，相同比特位的光开关之间的传输时延相等。
将基于水平维度扫描和垂直维度扫描的每一行的光通过第二光合波器合成为一路。
根据功率预算，在适当位置加入光放大器，以确保系统的动态范围等指标参数。
合成每行光时，不引入额外的传输时延，即最后一个光合波器中每一路的时延量相同。
实施例2
本实施例提供了一种光控相控阵雷达的波束形成方法，所述方法基于实施例1中的波束形成系统，当所述第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光分波器件时，波束形成系统实现光波束的发射，实现光波束的发射具体包括如下步骤：
根据雷达系统指标中的波束扫描最大角度和波束扫描步进，确定波束扫描水平位数和波束扫描垂直位数；
确定阵面中的每一路光通道的光波长或者光频率；
波束进入第二光分波器件，进行光波长或者光频率分解后分别进入不同的光时延组件；
采用色散时延法或传输时延法对各光通道进行扫描；
将扫描后的各光通道的光通过相应的第一光分波器分波到不同光路中，进行发射。
所述发射方法的具体细节的原理同实施例1，相关内容不再赘述。
以上所述的光控相控阵雷达的波束形成方法，将上述的水平和垂直的相关方法互换，即同一列采用色散时延法，对不同列之间采用传输时延方法，且不局限于先对列进行时延还是先对行进行时延。
以上所述一种光控相控阵雷达的光波束形成方法，不仅包括以上详述的接收方法，根据光路可逆性，在图4所述系统架构中，光从右向左传输，则属于实施例2所述的光波束的发射方法，相关内容在本发明中不再赘述。
总而言之，本发明其显著优点为：器件使用数量大幅减少，系统方案简化、缩小体积、降低功耗等。具体说来，有如下分析：
目前，光控相控阵雷达的光波束形成方法主要分为传输时延法和色散时延法。
与传输时延法相比，本发明使用的光开关数量仅为单纯传输时延方案的1/N(N为雷达阵面的光通道列数)，同时，由于光通道数的减少，光放大器等高功耗、大体积器件的使用数量也相应降低。雷达阵面光通道数越多，本发明带来的收益越明显。例如，若雷达阵面的光通道数为4行*8列，若每通道在水平和垂直方向扫描均有5位光时延，采用传输时延方法至少需要384个光开关。而采用本方法，光开关数量仅为48个，数量为原先的1/8。总体而言，此种方法给光控相控阵雷达的波束形成系统带来了简化。由于器件使用数量的降低，也带来了体积缩小、功耗降低、成本压缩等方面优势。
与色散时延法相比，本发明可以支持二维波束扫描功能，这是色散时延法所不具备的。
另外，本发明打破了传统的思维禁锢，将惯性思维中无法融合的色散和传输时延方案进行有效级联，通过发挥两种方案中各自的优势，即充分发挥色散时延的简单和传输时延的灵活的优势，在M行*N列的矩形阵面中进行理论分析，证明其可行性，与原有方案相比，功能性保持不变的前提下，器件数量、模块体积、功率消耗、成本预算等都得到大幅下降，并且，阵面规模越大，下降的幅度越多，越能够体现技术的先进性和本发明的创新价值。

Claims (11)

1.一种雷达的波束形成系统，其特征在于，包括若干个第一光合波/分波器件和若干组光时延组件，还包括一个第二光合波/分波器，每组光时延组件的一端连接一个第一光合波/分波器，另一端共同连接第二光合波/分波器；每组光时延组件包括光色散时延组件和光传输时延组件，所述光色散时延组件包括若干间隔排列的色散时延器件和光开关，所述光传输时延组件包括若干间隔排列的传输时延器件和光开关；所述第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光合波器件时，波束形成系统实现光波束的接收，所述第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光分波器件时，波束形成系统实现光波束的发射。
2.一种雷达的波束接收方法，其特征在于，基于权利要求1所述波束形成系统，其中波束形成系统的第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光合波器件，所述接收方法包括如下步骤：
根据雷达系统指标中的波束扫描最大角度和波束扫描步进，确定波束扫描水平位数和波束扫描垂直位数；
确定阵面中的每一路光通道的光波长或光频率；
全部光通道的光都进入第一光合波器件，其中各光通道的光按行或按列进入同一个第一光合波器件；
每个第一光合波器件将光输入到相应的光时延组件，采用色散时延法和传输时延法对各光通道进行扫描；
将基于水平维度扫描和垂直维度扫描的每行/列的光通过第二光合波器合成为一路。
3.一种雷达的波束发射方法，其特征在于，基于权利要求1所述波束形成系统，其中波束形成系统的第一光合波/分波器件以及第二光合波/分波器均为光分波器件，所述发射方法包括如下步骤：
根据雷达系统指标中的波束扫描最大角度和波束扫描步进，确定波束扫描水平位数和波束扫描垂直位数；
确定阵面中的每一路光通道的光波长或者光频率；
波束进入第二光分波器件，进行光波长或者光频率分解后分别进入不同的光时延组件；
采用色散时延法或传输时延法对各光通道进行扫描；
将扫描后的各光通道的光通过相应的第一光分波器分波到不同光路中，进行发射。
4.根据权利要求2所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，采用色散时延法和传输时延法对各光通道进行扫描，具体为：
采用色散时延法对同一行的光通道进行水平方向扫描；
采用传输时延法对同一列的光通道进行垂直方向扫描。
5.根据权利要求2所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，采用色散时延法和传输时延法对各光通道完成扫描，具体为：
采用传输时延法对同一行的光通道进行水平方向扫描；
采用色散时延法对同一列的光通道进行垂直方向扫描。
6.根据权利要求4所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，波束水平扫描位数和波束垂直扫描位数的计算公式具体为：
Figure FDA0002735778030000021
Figure FDA0002735778030000022
其中，W水平为波束水平扫描位数，W垂直为波束垂直扫描位数，ceil表示向上取整函数，θ水平为波束扫描最大水平角度，θ垂直为波束扫描最大垂直角度，Δθ水平为波束扫描水平步进，Δθ垂直为波束扫描垂直步进。
7.根据权利要求6所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，所述阵面中的每一路光通道的光波长的确定公式具体为：
Figure FDA0002735778030000023
其中，λij表示第i行第j列的光通道的光波长，1≤i≤M，1≤j≤N，M表示光通道的行数，N表示光通道的列数；
所述阵面中的每一路光通道的光频率的确定公式具体为：
Figure FDA0002735778030000024
其中，fij表示第i行第j列的光通道的光频率，1≤i≤M，1≤j≤N，M表示光通道的行数，N表示光通道的列数。
8.根据权利要求7所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，采用色散时延法对同一行的光通道进行水平方向扫描，具体为在每一行合成光通道后进入对应的色散时延光开关阵列，所述每个色散时延光开关阵列由W水平个色散器件和W水平+1个光开关间隔排列，每个色散器件的相对时延量为：
Figure FDA0002735778030000031
其中，
Figure FDA0002735778030000032
表示第Wm个色散器件的相对时延量，|τfix水平|为每一行光通道的初始色散相对时延差的绝对值，|τfix水平|＝d水平×sin(θ水平)/c，d水平为阵面水平方向相邻通道间距，c为光速，0水平为水平方向扫描的单向最大角度，Wm为1到W水平之间的整数。
9.根据权利要求8所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，采用传输时延法对同一列的光通道进行垂直方向扫描，具体为经过色散时延光开关阵列的每一行合成光通道进入对应的传输时延光开关阵列，所述每个传输时延光开关阵列由W垂直个色散器件和W垂直+1个光开关间隔排列，每个色散器件的相对时延量为：
Figure FDA0002735778030000033
其中，
Figure FDA0002735778030000034
表示第Wn个传输器件的相对时延量，|τfix垂直|为每一列光通道的初始传输相对时延差的绝对值，|τfix垂直|＝d垂直×sin(θ垂直)/c，d水平为阵面垂直方向相邻通道间距，c为光速，θ垂直为垂直方向扫描的单向最大角度，Wn为1到W垂直之间的整数。
10.根据权利要求9所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，基于水平维度扫描和垂直维度扫描的每一行的光进入光功分器后被合成为一路光，形成波束。
11.根据权利要求10所述的雷达的波束接收方法，其特征在于，所述传输器件由光介质或光波导组成。
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