CN113093157A - 基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定方法、系统 - Google Patents

基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定方法、系统 Download PDF

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CN113093157A CN202110361212.2A CN202110361212A CN113093157A CN 113093157 A CN113093157 A CN 113093157A CN 202110361212 A CN202110361212 A CN 202110361212A CN 113093157 A CN113093157 A CN 113093157A
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Abstract

本发明提供一种基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定方法，先经过直调激光器将校正信号调制到光域上，然后经过等长的光纤，将信号分为n个光载微波信号，接收端每个单元位置的光电探测器将光载微波信号转换成等相的电信号，并传输至接收天线阵列，可保证所有接收端位置的信号相位相对稳定性；最终n+1路等相位标校信号从所有接收通道以及参考通道进入接收机，并在信号处理终端进行数据分析以及时延和幅度相位估计。利用微波光子稳相传输链路远距离传输标校信号，保证馈入分布式接收阵列通道前端的标校信号的幅度和相位保持一致；对接收到的标校信号进行处理，估计各个通道之间的相对幅度、相位和时延误差。

Description

基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定 方法、系统
技术领域
本发明涉及雷达阵列误差校正技术，尤其涉及一种基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定方法及系统。
背景技术
对采用分布式接收阵列体制的雷达而言，阵列通道之间的相对幅度、相位和时延误差会对后续数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)等处理带来严重影响，因此阵列通道误差校正变得越来越重要。阵列通道误差校正的关键在于精确估计阵列通道之间的相对幅度、相位和时延误差，即阵列通道误差标定。
相对于集中式阵列体制，分布式阵列的孔径一般比较大，因此标校信号的传输距离很远。在远距离传输的条件下，保持标校信号的幅相一致性和稳定性是阵列通道误差校正的关键。如果采用射频电缆传输标校信号，传输距离损耗难以接受，且相位一致性难以保证。如果采用传统的光纤链路传输标校信号，则电-光、光-电转换造成的幅相误差不容忽视，且外部环境变化引起的相位抖动影响严重。
如申请号为CN201410554128.2公开的一种分布式阵列相参合成雷达发射相参参数校准方法，包括调整单元雷达阵面一致，单元雷达阵面参考点粗定位，计算满足方向增益要求的定位精度范围，根据粗定位精度选择合适的定位估计精度，通过优化算法估计各单元雷达定位误差，最后利用估计值校准加权形成发射波束，流程如图1所示。该方法适用于分布式阵列相参合成雷达在单元雷达密集分布而测量定位精度不够时，用软件方法进行阵列流形修正，校准发射相参参数，最终实现发射波束形成。该方法通过软件方法机型阵列流行修正，虽然能够一定程度上校准，不适合远距离传输条件下的校正。
微波光子技术是光子学与微波工程相结合的一门交叉学科，通过将微波信号转换到光学域上，采用光学方法完成微波信号接收处理过程。将微波光子技术引入接收系统中，能够利用其宽带、小巧以及电磁兼容性好的特点，实现多功能集成设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何现有的阵列校正技术难以适应分布式、大孔径、长距离传输的阵列通道误差精确标定需求。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定方法，包括以下步骤：
步骤1.以激光作为载波，将射频信号调制到激光上，通过光纤传播到远端，在远端通过光电转换器将本振信号还原，得到等相标校信号；
步骤2.误差标定
步骤21.通道时延误差标定，采用多频时延测量法，首先采用小频差标校信号，获得时延误差的不模糊范围T1，以及精度较低的相对时延dt,n；然后采用大频差标校信号，获得时延误差的精确值d′t,n，但其测量范围T2存在模糊可能；最后综合多个相对时延的测量结果，进行逐级解模糊，获得不模糊的、精确的时延测量误差Δtn；
步骤22.通道相位误差标定用于估计各个通道之间的相对相位关系，即假设接收通道n相对于参考通道的初始相位误差
Figure BDA0003005615270000021
在获得并补偿所述的精确通道时延误差dt,n之后，得到接收通道n的相对于参考通道的相位误差为
Figure BDA0003005615270000022
步骤23.通道幅度误差标定，将参考通道标校信号幅度记为A0，其它通道信号幅度记为An，则接收通道n相对于参考通道的幅度修正系数为：
Figure BDA0003005615270000023
其中，n＝1,2,3…N，N为通道数目。
利用微波光子稳相传输链路远距离传输标校信号，保证馈入分布式接收阵列通道前端的标校信号的幅度和相位保持一致；对接收到的标校信号进行处理，估计各个通道之间的相对幅度、相位和时延误差，即通道幅度误差标定、通道相位误差标定和通道时延误差标定。采用微波光子稳相传输链路，将微波信号转换到光学域上，采用光学方法完成微波信号接收处理，克服了校正信号在长距离尺度上传输过程中的幅相一致性问题
进一步的，所述步骤1具体为：
校正信号先经过直调激光器将校正信号调制到光域上，然后经过等长的光纤，将信号分为n个光载微波信号和参考信号，远端每个单元位置的光电探测器将光载微波信号转换成等相的电信号。
进一步的，所述步骤21中已预设Δtn处于T1范围内，小频差标校信号f1，f2应当根据先验信息合理选取，确保时延误差不会超出T1范围之外。
进一步的，所述步骤1中解模糊的具体过程为：
将d′t,n的值以m倍
Figure BDA0003005615270000024
长度翻转到
Figure BDA0003005615270000025
位置，其中，m为整数且满足条件
Figure BDA0003005615270000031
即得到更精确地相对时延
Figure BDA0003005615270000032
当m＝0时，Δtn＝d′t,n，时延真值在不模糊范围T2内。
与上述方法对应的，本发明还提供一种基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定系统，包括校正信号产生器、微波光子稳相传输链路、多通道接收天线阵列、参考天线、多通道接收机、信号处理终端；
所述校正信号产生器的输出端与微波光子稳相传输链路输入端连接，微波光子稳相传输链路输出端与多通道接收天线阵列和参考天线的输入端连接，多通道接收天线阵列和参考天线的输出端与多通道接收机的输入端连接，多通道接收机的输出端与信号处理终端连接；
所述校正信号产生器产生用于校正信号的连续波，校正信号进入微波光子稳相传输链路后，先经过直调激光器将校正信号调制到光域上，然后经过等长的光纤，将信号分为n个光载微波信号和参考信号，远端每个单元位置的光电探测器将光载微波信号转换成等相的电信号，并传输至多通道接收天线阵列和参考天线，可保证所有接收端位置的信号相位相对稳定性；最终n+1路等相位标校信号从所有接收通道以及参考通道进入接收机，并在信号处理终端进行数据分析以及时延和幅度相位估计。
进一步的，所述微波光子稳相传输链路包括本地端和远端；所述本地端包括激光器、1*N功分器、n个调制器、n个环形器、n个相位调节单元、本地端探测器、鉴相及信号处理单元；所述远端包括n个光耦合器、n个远端探测器；
所述激光器的输出端分别与n个调制器的输入端通讯连接，所述1*N功分器的输入端接收射频参考信号，输出端分别与n个调制器通讯和鉴相及信号处理单元的输入端通讯连接；所述n个调制器的输出端分别与n个环形器的1号端口通讯连接，n个环形器的2号端口分别与n个相位调节单元输入端通讯连接；所述鉴相及信号处理单元的输出端分别与n个相位调节单元输入端通讯连接；所述n个相位调节单元的输出端分别通过长光纤与n个光耦合器输入端通信连接，所述n个光耦合器的一个输出端分别与n个探测器的输入端通讯连接，另一个输出端通过法拉第旋镜将部分光信号返回到本地端，光信号从环形器的3号端口输出，n个环形器的3号端口通过第一探测器与鉴相及信号处理单元的输入端通讯连接；第二光电探测器的输出端输出信号；
所述功分器接收射频参考本振信号，射频参考本振信号通过功分器，一部分进入鉴相及信号处理单元，一部分进入调制器的射频端；
激光器用以发射光，发射的光通过调制器调制之后进入环形器的1号端口，然后从环形器2号端口出来的光经过相位调节单元之后进入长光纤，通过长光纤将调制后的射频本振信号送到远端；
在远端，长光纤与1:1光耦合器相连，光耦合器的一端与探测器相连，将调制到光上的射频参考本振信号还原出来，光耦合器另一端与法拉第旋镜相连，将部分光信号反射回本地端，反射回本地端的光信号从环形器的3号端口输出，进入本地端的探测器，转换为射频信号，该信号与本地端的射频参考本振信号一起进入鉴相及信号处理单元。
本发明的优点在于：
利用微波光子稳相传输链路远距离传输标校信号，保证馈入分布式接收阵列通道前端的标校信号的幅度和相位保持一致；对接收到的标校信号进行处理，估计各个通道之间的相对幅度、相位和时延误差，即通道幅度误差标定、通道相位误差标定和通道时延误差标定。
所述微波光子稳相链路是将微波本振信号通过光子学方式进行远距离传输的技术，它以激光作为载波，将射频信号调制到激光上，通过光纤进行传播，然后在远端通过光电转换器将本振信号还原出来。它的传输信道为光纤，光纤本身不受外界电磁干扰，传输信号损耗极低，且带有闭环反馈的稳相装置，能够将本振信号相位起伏控制在4°以内，将本振信号幅度起伏控制在0.45dB以内，尤其适合信号远距离稳相传输。
附图说明
图1是本发明实施例中基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定系统的连接示意图；
图2是本发明实施中微波光子稳相传输链路示意图；
图3是本发明实施中多频时延测量及解模糊原理图；
图4是本发明实施例中基于时延补偿后的相位校正原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定方法，包括以下步骤：
步骤1.校正信号先经过直调激光器将校正信号调制到光域上，然后经过等长的光纤，将信号分为n个光载微波信号和参考信号，远端每个单元位置的光电探测器将光载微波信号转换成等相的电信号；
步骤2.误差标定，包括通道时延、幅度、相位误差标定，具体为：
1)通道时延误差标定用于估计各个通道之间的相对时延。本发明首先采用双频测量法估计通道相对时延，不同频率的标校信号经由微波光子稳相传输链路到达通道前端。假设标校信号频率分别为f1和f2(f2>f1)，则频率差为Δf＝f2-f1。对参考通道而言，忽略幅度项，不同频率的标校信号可以表示为
Figure BDA0003005615270000051
Figure BDA0003005615270000052
其中，
Figure BDA0003005615270000053
为参考通道的初始相位。则对参考通道，不同频率的标校信号之间的相位差为
Figure BDA0003005615270000054
其中，angle(.)代表复数取角操作，conj(.)代表复数取共轭操作。
类似地，接收通道n的标校信号可以表示为
Figure BDA0003005615270000055
Figure BDA0003005615270000056
其中，Δtn为接收通道n相对于参考通道的时延误差，
Figure BDA0003005615270000057
为通道n的初始相位。则对于通道n，不同频率的标校信号之间的相位差为
Figure BDA0003005615270000058
因此，通道n相对于参考通道的时延误差为
Figure BDA0003005615270000059
由上式可知，利用双频测量法，时延估计误差的不模糊范围为
Figure BDA00030056152700000510
而时延估计精度反比于频率差Δf。因此，一方面，频率差Δf越小，时延测量的不模糊范围越大；但另一方面，时延测量的精度越差。针对这个问题，本发明进一步采用多频时延测量法。首先采用小频差标校信号，获得时延误差的不模糊范围T1，以及精度较低的相对时延dt,n；然后采用大频差标校信号，获得时延误差的精确值d′t,n，但其测量范围T2存在模糊可能；最后综合多个相对时延的测量结果，进行逐级解模糊，获得不模糊的、精确的时延测量误差Δtn。注意此处已预设Δtn处于T1范围内，小频差标校信号f1，f2应当根据先验信息合理选取，确保时延误差不会超出T1范围之外。
2)通道相位误差标定用于估计各个通道之间的相对相位关系，及估计接收通道n相对于参考通道的初始相位误差
Figure BDA0003005615270000061
在获得并补偿的精确通道时延误差dtn之后，可以得到接收通道n的相对于参考通道的相位误差为
Figure BDA0003005615270000062
3)通道幅度误差标定用于估计各个通道之间相对幅度。标校信号经由微波光子稳相传输链路到达通道前端。参考通道标校信号幅度记为A0，其它通道信号幅度记为An，则接收通道n相对于参考通道的幅度修正系数为：
Figure BDA0003005615270000063
其中，n＝1,2,3…N，N为通道数目。
如图3所示为多频时延测量及解模糊实现原理图。以3个频点为例，利用频率差Δf＝f2-f1(假定f2>f1)可得到不模糊范围为T1的相对时延dt,n，利用频率差Δf′＝f3-f1(假定f3>f1，且f3>f2)可得到不模糊范围为T2的相对时延d′t,n，具体实现过程如前。由于
Figure BDA0003005615270000064
故不模糊范围T1大于T2。根据先验信息合理选取小频差标校信号f1，f2确保时延误差真值不会超出T1范围。但对于大频差标校信号f1，f2，虽然时延dtt,n精度更高，但时延误差真值可能在T2范围之外，因此需要对d′t,n进行解模糊处理。具体过程如图所示，将dtt,n的值以m倍
Figure BDA0003005615270000065
长度翻转到
Figure BDA0003005615270000066
位置，其中，m为整数且满足条件
Figure BDA0003005615270000067
便可得到更精确地相对时延
Figure BDA0003005615270000068
从而确保时延相对较高的精度。当m＝0时，Δtn＝d′t,n，时延真值在不模糊范围T2内。注意本说明仅以3频点为例，对多频时延测量及解模糊过程进行阐述，并非对频点数选择进行限制，对更多频点情况，重复上述处理过程即可。
将时延校正完毕后，通道时延精度基本可以在1个采样周期内对齐，但每个通道的固有相位仍然存在，因此还需要对相位误差进行进一步标定。基于时延补偿后的相位校正原理图见图4。将任一标校信号(以f1为例)的接收通道数据进行时延校正后，同参考通道数据进行相位比较，具体比较过程为：将各个接收通道与参考通道的回波数据进行点除，得到相位校正系数，公式如下，
Figure BDA0003005615270000071
其中Cdata代表复回波数据，0、n代表参考通道和其它接收通道，
Figure BDA0003005615270000072
分别为参考通道和其它接收通道的固有相位差。
本发明的误差校正方法可以将分布式接收通道端口至接收机之间的链路时延、幅度以及相位进行标定，便于后续的目标成像处理。
与上述方法对应，本发明所采用的设备连接请参阅图1，包括：校正信号产生器、微波光子稳相传输链路、接收阵列、多通道接收机以及信号处理终端。其中，校正信号产生器，主要产生用于校正信号的连续波，频率一般设置在载频附近；信号进入微波光子稳相传输链路后，先经过直调激光器将校正信号调制到光域上，然后经过等长的光纤，将信号分为n个光载微波信号(参考信号记为第0路)，接收端每个单元位置的光电探测器将光载微波信号转换成等相的电信号，并传输至接收天线阵列，可保证所有接收端位置的信号相位相对稳定性在4°以内；最终n+1路等相位标校信号从所有接收通道以及参考通道进入接收机，并在信号处理终端进行数据分析以及时延和幅度相位估计。
如图2所示为微波光子稳相传输链路示意图，在本地端，射频参考本振信号通过功分器，一部分进入鉴相及信号处理单元，一部分进入调制器的射频端，激光器发射的光通过调制器调制之后进入环形器的1端口，然后从环形器2端口出来的光经过相位调节单元之后进入长光纤，通过长光纤将调制后的射频本振信号送到远端。在远端，长光纤与1:1光耦合器相连，光耦合器的一端与探测器相连，将调制到光上的射频参考本振信号还原出来，光耦合器另一端与法拉第旋镜相连，将部分光信号反射回本地端，反射回本地端的光信号会从环形器的3端口输出，进入本地端的探测器，转换为射频信号，该信号与本地端的射频参考本振信号一起进入鉴相及信号处理单元，通过鉴相环节将射频参考信号经过长光纤链路的相位变化解算出来，进而控制相位调节单元进行相应的延时调节，对链路的相位波动进行补偿，从而实现参考信号远距离稳相传输的目的。
以上仅为本发明的较佳实施方案。应注意，其作用并不是限制本发明，因此凡在本内校正技术方案原则之内进行的任何修改、替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.以激光作为载波，将射频信号调制到激光上，通过光纤传播到远端，在远端通过光电转换器将本振信号还原，得到等相标校信号；
步骤2.误差标定
步骤21.通道时延误差标定，采用多频时延测量法，首先采用小频差标校信号，获得时延误差的不模糊范围T1，以及精度较低的相对时延dt，n；然后采用大频差标校信号，获得时延误差的精确值d′t，n，但其测量范围T2存在模糊可能；最后综合多个相对时延的测量结果，进行逐级解模糊，获得不模糊的、精确的时延测量误差Δtn；
步骤22.通道相位误差标定用于估计各个通道之间的相对相位关系，即假设接收通道n相对于参考通道的初始相位误差
Figure FDA0003005615260000011
在获得并补偿所述的精确通道时延误差dt，n之后，得到接收通道n的相对于参考通道的相位误差为
Figure FDA0003005615260000012
步骤23.通道幅度误差标定，将参考通道标校信号幅度记为A0，其它通道信号幅度记为An，则接收通道n相对于参考通道的幅度修正系数为：
Figure FDA0003005615260000013
其中，n＝1，2，3…N，N为通道数目。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
校正信号先经过直调激光器将校正信号调制到光域上，然后经过等长的光纤，将信号分为n个光载微波信号和参考信号，远端每个单元位置的光电探测器将光载微波信号转换成等相的电信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤21中已预设Δtn处于T1范围内，小频差标校信号f1，f2应当根据先验信息合理选取，确保时延误差不会超出T1范围之外。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中解模糊的具体过程为：
将d′t，n的值以m倍
Figure FDA0003005615260000014
长度翻转到
Figure FDA0003005615260000015
位置，其中，m为整数且满足条件
Figure FDA0003005615260000021
即得到更精确地相对时延
Figure FDA0003005615260000022
当m＝0时，Δtn＝d′t，n，时延真值在不模糊范围T2内。
5.基于微波光子稳相传输链路的分布式接收阵列通道误差标定系统，其特征在于，包括校正信号产生器、微波光子稳相传输链路、多通道接收天线阵列、参考天线、多通道接收机、信号处理终端；
所述校正信号产生器的输出端与微波光子稳相传输链路输入端连接，微波光子稳相传输链路输出端与多通道接收天线阵列和参考天线的输入端连接，多通道接收天线阵列和参考天线的输出端与多通道接收机的输入端连接，多通道接收机的输出端与信号处理终端连接；
所述校正信号产生器产生用于校正信号的连续波，校正信号进入微波光子稳相传输链路后，先经过直调激光器将校正信号调制到光域上，然后经过等长的光纤，将信号分为n个光载微波信号和参考信号，远端每个单元位置的光电探测器将光载微波信号转换成等相的电信号，并传输至多通道接收天线阵列和参考天线，可保证所有接收端位置的信号相位相对稳定性；最终n+1路等相位标校信号从所有接收通道以及参考通道进入接收机，并在信号处理终端进行数据分析以及时延和幅度相位估计。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述微波光子稳相传输链路包括本地端和远端；所述本地端包括激光器、1*N功分器、n个调制器、n个环形器、n个相位调节单元、本地端探测器、鉴相及信号处理单元；所述远端包括n个光耦合器、n个远端探测器；
所述激光器的输出端分别与n个调制器的输入端通讯连接，所述1*N功分器的输入端接收射频参考信号，输出端分别与n个调制器通讯和鉴相及信号处理单元的输入端通讯连接；所述n个调制器的输出端分别与n个环形器的1号端口通讯连接，n个环形器的2号端口分别与n个相位调节单元输入端通讯连接；所述鉴相及信号处理单元的输出端分别与n个相位调节单元输入端通讯连接；所述n个相位调节单元的输出端分别通过长光纤与n个光耦合器输入端通信连接，所述n个光耦合器的一个输出端分别与n个探测器的输入端通讯连接，另一个输出端通过法拉第旋镜将部分光信号返回到本地端，光信号从环形器的3号端口输出，n个环形器的3号端口通过第一探测器与鉴相及信号处理单元的输入端通讯连接；第二光电探测器的输出端输出信号；
所述功分器接收射频参考本振信号，射频参考本振信号通过功分器，一部分进入鉴相及信号处理单元，一部分进入调制器的射频端；
激光器用以发射光，发射的光通过调制器调制之后进入环形器的1号端口，然后从环形器2号端口出来的光经过相位调节单元之后进入长光纤，通过长光纤将调制后的射频本振信号送到远端；
在远端，长光纤与1∶1光耦合器相连，光耦合器的一端与探测器相连，将调制到光上的射频参考本振信号还原出来，光耦合器另一端与法拉第旋镜相连，将部分光信号反射回本地端，反射回本地端的光信号从环形器的3号端口输出，进入本地端的探测器，转换为射频信号，该信号与本地端的射频参考本振信号一起进入鉴相及信号处理单元。
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