CN112671457B - 一种双基站雷达参考频率同步系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双基站雷达参考频率同步系统和方法，包括装在本地雷达基站的微波信号产生装置和装在远端雷达基站的微波频率复现装置，微波信号产生装置与微波频率复现装置之间通过光纤传递链路连接；微波信号产生装置包括本地微波频率源、超稳窄线宽激光器、光学频率梳和第一信号调节模块，超稳窄线宽激光器的输出端与光学频率梳的输入端连接，光学频率梳一输出端通过光纤传递链路延迟补偿模块与光纤传递链路连接，光学频率梳的另一输出端与本地微波频率源的输出端通过第一信号调节模块与本地微波频率源输入端相连。采用本发明所述的系统及方法可实现双基站雷达系统的高稳定度频率参考信号产生及远程频率同步，实现高精度频率的同步。
Description
技术领域
本发明属于飞秒激光时频同步技术领域，特别涉及一种双基站雷达参考频率同步系统和方法。
背景技术
随着雷达技术的发展，收发分离的双基站雷达系统因具有较强的抗干扰能力和探测能力而得到广泛应用。雷达基站目标的精确定位、实时数据的融合以及各个分系统之间的协同工作，需要统一的时频标准作为保证。雷达基站的时频同步系统方式可采用GPS时频同步方式和光纤有线时频同步方式，GPS时频同步方式可实现移动基站的时频同步，但其具有较大的传输时延，无法满足更高精度的时频同步需求；而光纤具有损耗低、稳定性高及成本低等优势，被广泛应用于固定双基站的高精度时频同步。
目前，双基站的光纤时频同步方式大多采用光电调制技术，改变激光光强、相位等参数，将本地基站的微波参考时频信息加载到光载波上传输至远端基站，远端基站对光载波进行解调，提取时频信息，从而实现两站时频同步。然而，基于激光调制技术的时频同步方式，主要受电子学信号处理的限制，难以实现高精度频率同步。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高稳定度，能实现精密远程频率同步的双基站雷达参考频率同步系统。
本发明所要解决的另一技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采用上述双基站雷达参考频率同步系统的方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种双基站雷达参考频率同步系统，其特点是，该系统包括装在本地雷达基站的微波信号产生装置和装在远端雷达基站的微波频率复现装置，微波信号产生装置与微波频率复现装置之间通过光纤传递链路连接；
所述的微波信号产生装置包括本地微波频率源、用于产生整个双基站雷达系统参考频率的超稳窄线宽激光器、光学频率梳和第一信号调节模块，超稳窄线宽激光器的输出端与光学频率梳的输入端连接，光学频率梳一输出端通过光纤传递链路延迟补偿模块与光纤传递链路连接，光学频率梳的另一输出端与本地微波频率源的输出端通过第一信号调节模块与本地微波频率源输入端相连，第一信号调节模块用于提取本地微波频率源输出信号与光学频率梳输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系。
在所述本地微波频率源的输出端与光纤传递光纤链路延迟补偿模块的输出端之间设有与光纤传递链路连接的第二信号调节模块，第二信号调节模块用于提取本地微波频率源输出信号与光纤传递光纤链路延迟补偿模块输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系。
所述微波频率复现装置包括远端微波频率源和与光纤传递链路相连的双向光纤放大器，双向光纤放大器的输出端与远端微波频率源的输出端之间连接有与远端微波频率源输入端相连的第三信号调节模块，第三信号调节模块用于提取远端微波频率源输出信号与双向光纤放大器输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系。
优选地，所述的光纤传递链路延迟补偿模块包括依次连接的光学带通滤波器、单向光纤放大器、光纤环形器和光纤链路延迟补偿器，光学带通滤波器的输入端与光学频率梳的输出端连接，光学带通滤波器的输出端通过单向光纤放大器与光纤环形器的第一端口连接，光纤环形器的第二端口通过光纤链路延迟补偿器与光纤传递链路的输入端连接，光纤环形器的第三端口与第二信号调节模块连接。
优选地，所述第二信号调节模块由第二光学-微波鉴相器和第二比例积分微分控制模块组成，第二光学-微波鉴相器的两输入端分别与本地微波频率源和光纤环形器的第三端口相接，第二光学-微波鉴相器的输出端通过第二比例积分微分控制模块与光纤链路延迟补偿器的输入端连接。
优选地，所述第三信号调节模块由第三光学-微波鉴相器和第三比例积分微分控制模块组成，第三光学-微波鉴相器的一输入端与远端微波频率源的输出端连接，第三光学-微波鉴相器的另一输入端通过部分反射镜与双向光纤放大器的输出端连接，第三光学-微波鉴相器的输出端通过第三比例积分微分控制模块与远端微波频率源的输入端连接。
优选地，所述第一信号调节模块由第一光学-微波鉴相器和第一比例积分微分控制模块组成，第一光学-微波鉴相器的两输入端分别与本地微波频率源和光学频率梳相接，第一光学-微波鉴相器的输出端通过第一比例积分微分控制模块与本地微波频率源的输入端相连。
本发明所要解决的另一技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种采用上述双基站雷达参考频率同步系统实现激光频率远程同步的方法，其特点是，该方法包括如下步骤，
超稳窄线宽激光器产生频率稳定度极高的单频激光信号，输出至光学频率梳，并将光学频率梳锁定至超稳窄线宽激光器；
光学频率梳输出两束激光脉冲，一路激光脉冲作为参考信号，送入第一光学-微波鉴相器，同时，本地微波频率源向第一光学-微波鉴相器输送微波信号；光学频率梳输出的另一路激光脉冲从光纤传递光纤链路延迟补偿模块射出；
第一光学-微波鉴相器接收到光学频率梳输出的激光脉冲和本地微波频率源的微波信号，对上述的激光脉冲和微波信号进行鉴相，提取误差相位信息，输出对应的电压信号；
将第一光学-微波鉴相器输出的电压信号送入第一比例积分微分控制模块，经第一比例微分积分控制模块后输出控制信号，控制本地微波频率源输出超稳微波信号；
微波频率复现装置通过光纤传递链路接收本地微波频率源输出的超稳微波信号，第三光学-微波鉴相器提取到超稳微波信号和远端微波频率源输出的微波信号后进行相位比对，获得相位误差电压信号，将相位误差电压信号输送至第三比例积分微分控制模块，根据输入的相位误差电压信号，反馈控制远端微波频率源的输出频率，从而实现远端基站的超稳微波频率复现。
优选地，光学频率梳输出的另一路激光脉冲从光纤传递链路延迟补偿模块射出包括：光学频率梳输出的另一路激光脉冲先通过带通滤波器，减弱长距离光纤传输引入的啁啾效应，减小激光脉冲展宽，随后送入单向光纤放大器，对信号进行功率放大，再经光纤环形器、光纤链路延迟补偿器、光纤链路传递至远端基站。
优选地，传入远端基站的激光脉冲经双向光纤放大器放大后被部分反射镜反射，反射回的激光脉冲再次送达光纤环形器；
经光纤环形器转换出射方向后，获得激光信号，第二光学-微波鉴相器将激光信号与本地微波频率源的输出信号进行比对，提取出误差相位信息，并输出与其相关的电压信号，经第二比例微分积分控制模块后，输出反馈信号，控制光纤链路延迟补偿器通过增长或缩短光纤链路，调节光纤链路的光程，从而实现链路的延迟补偿。
与现有技术相比，采用本发明所述的系统及方法可实现双基站雷达系统的高稳定度频率参考信号产生及远程频率同步，即，实现本地微波频率源与远端微波频率源的精密远程频率同步，且使双基站的微波频率源的频率稳定度接近超稳窄线宽激光器指标，从而有效的解决了除电子元器件受电子学信号处理的限制，实现高精度频率的同步。
附图说明
图1是本发明所述双基站雷达参考频率同步系统的系统框图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以使本技术领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对本发明权利的限制。
参照图1，一种双基站雷达参考频率同步系统，该系统包括装在本地雷达基站的微波信号产生装置和装在远端雷达基站的微波频率复现装置，微波信号产生装置与微波频率复现装置之间通过光纤传递链路连接；
所述的微波信号产生装置包括本地微波频率源、用于产生整个双基站雷达系统参考频率的超稳窄线宽激光器、光学频率梳和第一信号调节模块，超稳窄线宽激光器的输出端与光学频率梳的输入端连接，光学频率梳一输出端通过光纤传递链路延迟补偿模块与光纤传递链路连接，光学频率梳的另一输出端与本地微波频率源的输出端通过第一信号调节模块与本地微波频率源输入端相连，第一信号调节模块用于提取本地微波频率源输出信号与光学频率梳输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系。
本发明通过超稳窄线宽激光器，产生频率稳定度极高的单频激光信号，作为整个双基站雷达系统的频率参考，再将光学频率梳的频率溯源至超稳窄线宽激光器；采用光学频率梳产生超短脉冲激光，其在频域上具有稳定的频率间隔，在时域上呈现出周期性的超短脉冲序列；采用光学-微波鉴相器提取微波频率源的输出信号与该光路上的输出信号进行相位比对，可实现激光信号与微波信号的精密鉴相，避免了直接光电转换过程引入的相位噪声，提高相位误差探测精度；通过比例积分微分控制模块，调节输入信号与输出信号的比例关系，增大系统响应速度，消除系统的稳态误差，改善系统动态特性；比例积分微分运算输出控制电压信号，调节本地微波频率源的输出频率，实现本地雷达基站的超稳微波信号产生；并利用光纤链路延迟补偿技术，实现激光频率远程同步，最终实现高稳定度双基站雷达参考频率同步。
在所述本地微波频率源的输出端与光纤传递光纤链路延迟补偿模块的输出端之间设有与光纤传递链路连接的第二信号调节模块，第二信号调节模块用于提取本地微波频率源输出信号与光纤传递光纤链路延迟补偿模块输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系，进一步增大系统响应速度，消除系统的稳态误差，改善系统动态特性，调节本地微波频率源的输出频率，实现本地基站超稳微波信号产生。
所述的光纤传递链路延迟补偿模块包括依次连接的光学带通滤波器、单向光纤放大器、光纤环形器和光纤链路延迟补偿器，光学带通滤波器的输入端与光学频率梳的输出端连接，光学带通滤波器的输出端通过单向光纤放大器与光纤环形器的第一端口连接，光纤环形器的第二端口通过光纤链路延迟补偿器与光纤传递链路的输入端连接，光纤环形器的第三端口与第二信号调节模块连接。
所述第二信号调节模块由第二光学-微波鉴相器和第二比例积分微分控制模块组成，第二光学-微波鉴相器的两输入端分别与本地微波频率源和光纤环形器的第三端口相接，第二光学-微波鉴相器的输出端通过第二比例积分微分控制模块与光纤链路延迟补偿器的输入端连接。
所述微波频率复现装置包括远端微波频率源和与光纤传递链路相连的双向光纤放大器，双向光纤放大器的输出端与远端微波频率源的输出端之间连接有与远端微波频率源输入端相连的第三信号调节模块，第三信号调节模块用于提取远端微波频率源输出信号与双向光纤放大器输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系，进一步增大系统响应速度，消除系统的稳态误差，改善系统动态特性，调节本地微波频率源的输出频率，实现本地基站超稳微波信号产生。
所述第三信号调节模块由第三光学-微波鉴相器和第三比例积分微分控制模块组成，第三光学-微波鉴相器的一输入端与远端微波频率源的输出端连接，第三光学-微波鉴相器的另一输入端通过部分反射镜与双向光纤放大器的输出端连接，第三光学-微波鉴相器的输出端通过第三比例积分微分控制模块与远端微波频率源的输入端连接。
所述第一信号调节模块由第一光学-微波鉴相器和第一比例积分微分控制模块组成，第一光学-微波鉴相器的两输入端分别与本地微波频率源和光学频率梳相接，第一光学-微波鉴相器的输出端通过第一比例积分微分控制模块与本地微波频率源的输入端相连。
一种采用上述双基站雷达参考频率同步系统实现激光频率远程同步的方法，该方法包括如下步骤，
(1)超稳窄线宽激光器产生频率稳定度极高的单频激光信号，输出至光学频率梳，并将光学频率梳锁定至超稳窄线宽激光器；
(2)光学频率梳输出两束激光脉冲，一路激光脉冲作为参考信号，送入第一光学-微波鉴相器，同时，本地微波频率源向第一光学-微波鉴相器输送微波信号；光学频率梳输出的另一路激光脉冲从光纤传递光纤链路延迟补偿模块射出；
(3)第一光学-微波鉴相器接收到光学频率梳输出的激光脉冲和本地微波频率源的微波信号，对上述的激光脉冲和微波信号进行鉴相，提取误差相位信息，输出对应的电压信号；
(4)将第一光学-微波鉴相器输出的电压信号送入第一比例积分微分控制模块，经第一比例微分积分控制模块后输出控制信号，控制本地微波频率源输出超稳微波信号；
(5)光学频率梳输出的另一路激光脉冲先通过带通滤波器，减弱长距离光纤传输引入的啁啾效应，减小激光脉冲展宽，随后送入光纤放大器放大后，入射至光纤环形器的第一端口，并从环形器的第二端口射出，经光纤链路延迟补偿器、光纤链路传递至远端基站；到达远端的激光脉冲经过双向光纤放大器放大后，一小部分激光被远端的部分反射镜反射，被反射的激光将再次回到本地的光纤环形器的第二端口；
(6)传入远端基站的激光经双向光纤放大器放大后被部分反射镜反射，反射回的激光再次送达光纤环形器；
经光纤环形器转换出射方向后，获得激光信号，第二光学-微波鉴相器将回传的激光信号与本地微波频率源的输出信号进行比对，提取出误差相位信息，并输出与其相关的电压信号，经第二比例微分积分控制模块后，输出反馈信号，控制光纤链路延迟补偿器；光纤链路延迟补偿器通过增长或缩短光纤链路，调节光纤链路的光程，从而实现链路的延迟补偿；
(7)经部分反射镜透射的激光信号输入至第三光学-微波鉴相器，与远端微波频率源输出的微波信号进行相位比对，获得相位误差电压信号；第三比例积分微分控制模块根据输入的相位误差电压信号，反馈控制远端微波频率源的输出频率，从而实现远端基站超稳微波频率复现。通过以上步骤可实现双基站雷达系统的高稳定度频率参考信号产生及远程频率同步，即实现本地微波频率源与远端微波频率源的精密远程频率同步，且微波频率源的频率稳定度接近超稳窄线宽激光器指标。
以上实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，本发明的保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的权利要求书的且任何所示技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种双基站雷达参考频率同步系统，其特征在于：该系统包括装在本地雷达基站的微波信号产生装置和装在远端雷达基站的微波频率复现装置，微波信号产生装置与微波频率复现装置之间通过光纤传递链路连接；
所述的微波信号产生装置包括本地微波频率源、用于产生整个双基站雷达系统参考频率的超稳窄线宽激光器、光学频率梳和第一信号调节模块，超稳窄线宽激光器的输出端与光学频率梳的输入端连接，光学频率梳一输出端通过光纤传递链路延迟补偿模块与光纤传递链路连接，光学频率梳的另一输出端与本地微波频率源的输出端通过第一信号调节模块与本地微波频率源输入端相连，第一信号调节模块用于提取本地微波频率源输出信号与光学频率梳输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系；
在所述本地微波频率源的输出端与光纤传递链路延迟补偿模块的输出端之间设有与光纤传递链路连接的第二信号调节模块，第二信号调节模块用于提取本地微波频率源输出信号与光纤传递链路延迟补偿模块输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系；
所述微波频率复现装置包括远端微波频率源和与光纤传递链路相连的双向光纤放大器，双向光纤放大器的输出端与远端微波频率源的输出端之间连接有与远端微波频率源输入端相连的第三信号调节模块，第三信号调节模块用于提取远端微波频率源输出信号与双向光纤放大器输出信号的相位误差并调节该模块上输入信号与输出信号的比例关系。
2.根据权利要求1所述的双基站雷达参考频率同步系统，其特征在于：所述的光纤传递链路延迟补偿模块包括依次连接的光学带通滤波器、单向光纤放大器、光纤环形器和光纤链路延迟补偿器，光学带通滤波器的输入端与光学频率梳的输出端连接，光学带通滤波器的输出端通过单向光纤放大器与光纤环形器的第一端口连接，光纤环形器的第二端口通过光纤链路延迟补偿器与光纤传递链路的输入端连接，光纤环形器的第三端口与第二信号调节模块连接。
3.根据权利要求2所述的双基站雷达参考频率同步系统，其特征在于：所述第二信号调节模块由第二光学-微波鉴相器和第二比例积分微分控制模块组成，第二光学-微波鉴相器的两输入端分别与本地微波频率源和光纤环形器的第三端口相接，第二光学-微波鉴相器的输出端通过第二比例积分微分控制模块与光纤链路延迟补偿器的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的双基站雷达参考频率同步系统，其特征在于：所述第三信号调节模块由第三光学-微波鉴相器和第三比例积分微分控制模块组成，第三光学-微波鉴相器的一输入端与远端微波频率源的输出端连接，第三光学-微波鉴相器的另一输入端通过部分反射镜与双向光纤放大器的输出端连接，第三光学-微波鉴相器的输出端通过第三比例积分微分控制模块与远端微波频率源的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的双基站雷达参考频率同步系统，其特征在于：所述第一信号调节模块由第一光学-微波鉴相器和第一比例积分微分控制模块组成，第一光学-微波鉴相器的两输入端分别与本地微波频率源和光学频率梳相接，第一光学-微波鉴相器的输出端通过第一比例积分微分控制模块与本地微波频率源的输入端相连。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述双基站雷达参考频率同步系统实现激光频率远程同步的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，
超稳窄线宽激光器产生频率稳定度极高的单频激光信号，输出至光学频率梳，并将光学频率梳锁定至超稳窄线宽激光器；
光学频率梳输出两束激光脉冲，一路激光脉冲作为参考信号，送入第一光学-微波鉴相器，同时，本地微波频率源向第一光学-微波鉴相器输送微波信号；光学频率梳输出的另一路激光脉冲从光纤传递链路延迟补偿模块射出；
第一光学-微波鉴相器接收到光学频率梳输出的激光脉冲和本地微波频率源的微波信号，对上述的激光脉冲和微波信号进行鉴相，提取误差相位信息，输出对应的电压信号；
将第一光学-微波鉴相器输出的电压信号送入第一比例积分微分控制模块，经第一比例微分积分控制模块后输出控制信号，控制本地微波频率源输出超稳微波信号；
微波频率复现装置通过光纤传递链路接收本地微波频率源输出的超稳微波信号，第三光学-微波鉴相器提取到超稳微波信号和远端微波频率源输出的微波信号后进行相位比对，获得相位误差电压信号，将相位误差电压信号输送至第三比例积分微分控制模块，根据输入的相位误差电压信号，反馈控制远端微波频率源的输出频率，从而实现远端基站的超稳微波频率复现。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：光学频率梳输出的另一路激光脉冲从光纤传递链路延迟补偿模块射出包括：
所述光学频率梳输出的另一路激光脉冲先通过带通滤波器，随后送入单向光纤放大器，对信号进行功率放大，再经光纤环形器、光纤链路延迟补偿器、光纤链路传递至远端基站。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：传入远端基站的激光脉冲经双向光纤放大器放大后被部分反射镜反射，反射回的激光脉冲再次送达光纤环形器；
经光纤环形器转换出射方向后，获得激光信号，第二光学-微波鉴相器将激光信号与本地微波频率源的输出信号进行比对，提取出误差相位信息，并输出与其相关的电压信号，经第二比例微分积分控制模块后，输出反馈信号，控制光纤链路延迟补偿器通过增长或缩短光纤链路，调节光纤链路的光程，从而实现链路的延迟补偿。
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2020
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