CN113451775A - 光控射频相控阵集成控制系统以及波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光控射频相控阵集成控制系统以及波束形成方法，能够将射频信号调制在目标光信号上，在光控延时移相模块的控制下，对目标光信号进行整体调节。光信号相对于射频信号具有超高的频率，故将射频信号在目标光信号进行延时和移相处理，有利于解决单纯射频信号领域中工作带宽受限、传输损耗大、复杂度较高等缺点。基于初始射频信号调制产生的目标光信号，经过功分为多路相同的第一光信号，并通过多输入多输出的环回式阵列波导光栅组件分别进行延时和移相处理后，形成多路一一对应的第二光信号，第二光信号再解调为目标射频信号，通过阵列天线辐射出去，不同的延时量和相移量可以为辐射出去的射频信号提供不同的方向角。

Description

光控射频相控阵集成控制系统以及波束形成方法

技术领域

本发明涉及通信领域以及雷达探测领域，更特别的，涉及一种光控射频相控阵集成控制系统以及波束形成方法。

背景技术

目前，在无线通信及雷达探测等领域中，无线电磁波的波束形成和波束控制是不可或缺的关键技术，而实现波束形成及控制的最主流方案就是相控阵天线阵列(PAA)。它是一个通过多个天线阵元排列组合而成的阵列天线，而馈送至这些天线阵元的信号之间具有确定相位关系，从而实现信号在各个方向上的辐射。所述天线阵元是指各个波段的辐射器，因此可以应用在微波及射频信号的系统当中。

目前的PAA系统具有诸多的优势，但大部分系统都是由大量的可调移相器/延时线组成，并对射频信号进行直接调控。一般来说，在相控阵雷达巨大的天线阵辐射面上，均会排布着数以千记计的天线阵元，而每个天线阵元后端都会有一个可调移相器/延时线以及放大器与之匹配，最终由一个电脑终端对每一个器件进行独立控制和管理，这就会造成极大的系统复杂度，严重影响系统的响应速率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光控射频相控阵集成控制系统以及波束形成方法，方案如下：

一种光控射频相控阵集成控制系统，包括：

光源模块，所述光源模块用于出射参考光信号；

电光调制器，所述电光调制器用于基于所述参考光信号，对输入的初始射频信号进行调制，将所述初始射频信号调制在为目标光信号；

光控延时移相模块，所述光控延时移相模块用于将所述目标光信号功分为多路相同的第一光信号，并通过多输入多输出的环回式阵列波导光栅组件对所述第一光信号进行延时和移相处理，形成多路与所述第一光信号一一对应的第二光信号；

光电探测器阵列，所述光电探测器阵列用于将所述第二光信号解调为目标射频信号，形成多路与所述第二光信号一一对应的所述目标射频信号；

收发模块，所述收发模块用于将所述目标射频信号通过阵列天线辐射出去。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述光控延时移相模块包括：

光耦合器，所述光耦合器具有一个第一输入端以及n个第一输出端，用于将所述第一输入端获取的所述目标光信号功分为n路所述第一光信号，每个所述第一输出端对应输出一路所述第一光信号；n为大于1的正整数；

环回式阵列波导光栅组件，所述环回式阵列波导光栅组件具有与所述第一输出端一一对应的n个第二输入端以及与与所述第二输入端一一对应的n个第二输出端；每个所述第二输入端单独输入一路所述第一光信号；所述第二输入端输入的所述第一光信号在所述阵列波导光栅组件内部进行延时和移相处理后，形成所述第二光信号，通过所对应的所述第二输出端输出。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述环回式阵列波导光栅组件具有n组输入输出端口，每组输入输出端口包括一个第二输入端及其对应的第二输出端；

所述第一光信号为具m个不同波长的波分复用信号，每组输入输出端口对应m条反馈路径以及m个不同的延时，m为正整数。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述环回式阵列波导光栅组件具有n组输入输出端口，每组输入输出端口包括一个第二输入端及其对应的第二输出端；所述第一光信号为具m个不同波长的波分复用信号；其中一组输入输出端口对应m条反馈路径以及m个不同的延时，其他各组输入输出端口均复用该m条反馈路径中的x条反馈路径，并具有y条独立的反馈路径，均对应有m个不同的延时，m、x和y为正整数，且x+y＝m。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述阵列天线包括多个天线阵元；

所述收发模块具有n个与所述目标射频信号一一对应的收发组件，每个所述收发组件连接一个所述天线阵元。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述收发模块还包括与所述收发组件一一对应的放大器，所述目标射频信号通过所述放大器输入所对应的所述收发组件。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，还包括：与所述光控延时移相模块连接的控制模块，所述控制控制模块通过调整电信号，以调节所述光控延时移相模块对所述第一光信号的延时量和移相量。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述控制模块用于通过波长控制所述回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述控制模块用于对原始信号矩阵进行矩阵压缩，获得压缩矩阵，基于所述压缩矩阵获得线性组合，基于所述线性组合的取值，确定控制参数，基于所述控制参数产生所述参考光信号，以便于驱动回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描，产生波束。

优选的，在上述光控射频相控阵集成控制系统中，所述光源模块包括：

第1激光器至第m激光器，第i激光器出射波长为λ_i的第i激光信号，m为大于1的正整数，i为不大于m的正整数；

其中，波长λ₁至波长λ_m互不同；第1激光信号至第m激光信号合束为所述参考光信号；所述第一光信号为包括波长λ₁至波长λ_m互的波分复用光信号。

本申请还提供了一种基于上述任一项所述光控射频相控阵集成控制系统的波速形成方法，所述波束形成方法包括：

构建原始信号矩阵；

对所述原始信号矩阵进行矩阵压缩，获得压缩矩阵；

基于所述压缩矩阵获得线性组合，基于所述线性组合确定控制参数；

基于所述控制参数驱动回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描，产生波束。

优选的，在上述波速形成方法中，进行矩阵压缩的方法包括：

将所述原始信号矩阵进行奇异值分解；

基于奇异值分解的结果，获得所述压缩矩阵。

优选的，在上述波速形成方法中，获得线性组合的方法包括：

基于所述压缩矩阵中m个线性不相关的行向量，确定线性独立矢量组；

根据所述线性独立矢量组确定线性组合的取值。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的光控射频相控阵集成控制系统以及波束形成方法中，所述光控射频相控阵集成控制系统包括：光源模块，所述光源模块用于出射参考光信号；电光调制器，所述电光调制器用于基于所述参考光信号，对输入的初始射频信号进行调制，将所述初始射频信号调制在为目标光信号；光控延时移相模块，所述光控延时移相模块用于将所述目标光信号功分为多路相同的第一光信号，并通过多输入多输出的环回式阵列波导光栅组件对所述第一光信号进行延时和移相处理，形成多路与所述第一光信号一一对应的第二光信号；光电探测器阵列，所述光电探测器阵列用于将所述第二光信号解调为目标射频信号，形成多路与所述第二光信号一一对应的所述目标射频信号；收发模块，所述收发模块用于将所述目标射频信号通过天线阵元辐射出去。

可见，所述光控射频相控阵集成控制系统构建了一个光控无线相控阵，能够将射频信号调制在为目标光信号，在光控延时移相模块的控制下，对目标光信号进行整体调节。光信号相对于射频信号具有超高的频率，故将射频信号在目标为光信号进行延时和移相处理，有利于解决单纯射频信号领域中工作带宽受限、传输损耗大、复杂度较高等缺点。基于初始射频信号调制产生的目标光信号，经过功分为多路相同的第一光信号，并通过多输入多输出的环回式阵列波导光栅组件分别进行延时和移相处理后，形成多路一一对应的第二光信号，第二光信号再解调为目标射频信号，通过阵列天线辐射出去，不同的延时量和相移量可以为辐射出去的射频信号提供不同的方向角。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种光控射频相控阵集成控制系统的结构示意图；

图2为延时和移相波束形成原理示意图；

图3为延时和移相控制波束的结果仿真图；

图4为本发明实施例提供的一种光控延时移相模块的结构示意图；

图5为一种通用单输入单输出的环回式阵列波导光栅(AWG-Loop)的结构示意图；

图6为图5所示通用环回式阵列波导光栅的信号强度以及延时响应曲线图；

图7为以两组不同波束指向及强度的信号合成信号的波束指向示意图；

图8为一种基于图1所示方式的光控射频相控阵集成控制系统的结构示意图；

图9为基于图8所示方式的光控射频相控阵集成控制系统的结构示意图；

图10为本发明实施例中各天线阵元输入信号强度与相位分布仿真图；

图11为本发明实施例技术方案与传统PAA波束指向仿真对比图；

图12为本发明实施例提供的一种波速形成方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

如背景技术中所述，现有相控阵天线系统中，每个天线阵元后端都会有一个可调移相器/延时线以及放大器与之匹配，大量的可调移相器/延时线以及放大器严重地限制了相控阵天线系统升级及应用拓展，因为以下问题：1)复杂度和成本都随着所需移相器/延时线数量的增加而增加；2)单个移相器/延时线需要单独仔细校准；3)通常移相器/延时线的尺寸受限。由于更高的工作频率意味着更小的器件尺寸，因此，该问题在射频乃至光信号系统应用中尤为显著。因此，有效降低可调移相器/延时线数量的系统方案可以大大降低系统复杂度并增加其适用性。由于PAA方案是实现多种波束形成和波束控制功能的主要方法，减少可调移相器/延时线的数量将有利于其在诸多场景中的应用。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种与传统直接电学信号控制方式不同的新方案，本发明技术方案为能够借助光学信号处理手段对射频信号进行调控的波束形成技术。这种光控波束形成技术是在光通信领域中提出，主要应用于信号的定向传输或接收，主要包括相移和时延两种技术手段。在光通信系统中光控波束形成技术可以实现多波束、多角度、多波长信号间的快速切换，服务于现在的室外微波通信。随着科学技术的不断发展，光控波束形成技术已经取得了长足的发展，不仅能够在光通信系统中使用，同样可以在对射频信号的调节，如用于阵雷达探测系统中。而在雷达探测系统中也会有以下的优势：包括可大幅提升收发信号带宽，进而提升雷达的距离分辨率。本发明技术方案创造性性的将光控波束形成技术应用于对射频信号的调节中，高精度的相移或时延技术也可以大幅提升雷达的角度分辨率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种光控射频相控阵集成控制系统的结构示意图，所述光控射频相控阵集成控制系统包括：

光源模块11，所述光源模块11用于出射参考光信号；

电光调制器12，所述电光调制器12用于基于所述参考光信号，对输入的初始射频信号进行调制，将所述初始射频信号调制在为目标光信号；

光控延时移相模块13，所述光控延时移相模块13用于将所述目标光信号功分为多路相同的第一光信号，并通过多输入多输出的环回式阵列波导光栅组件对所述第一光信号进行延时和移相处理，形成多路与所述第一光信号一一对应的第二光信号；

光电探测器阵列14，所述光电探测器阵列14用于将所述第二光信号解调为目标射频信号，形成多路与所述第二光信号一一对应的所述目标射频信号；

收发模块15，所述收发模块15用于将所述目标射频信号通过阵列天线16辐射出去。

本发明实施例所述光控射频相控阵集成控制系统构建了一个光控无线相控阵，能够将射频信号调制在为目标光信号，在光控延时移相模块的控制下，对目标光信号进行整体调节。基于初始射频信号调制产生的目标光信号，经过功分为多路相同的第一光信号，并通过多输入多输出的环回式阵列波导光栅组件分别进行延时和移相处理后，形成多路一一对应的第二光信号，第二光信号再解调为目标射频信号，通过阵列天线辐射出去，不同的延时量和相移量可以为辐射出去的射频信号提供不同的方向角。

如图1所示，所述光控射频相控阵集成控制系统还包括：与所述光控延时移相模块13连接的控制模块17，所述控制控制模块17通过调整电信号，以调节所述光控延时移相模块13对所述第一光信号的延时量和移相量。

所述控制模块13用于通过波长(光波分复用)控制所述回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描。所述控制模块13用于对原始信号矩阵进行矩阵压缩，获得压缩矩阵，基于所述压缩矩阵获得线性组合，基于所述线性组合的取值，确定控制参数，基于所述控制参数产生所述参考光信号，以便于驱动回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描，产生波束。

如图2所示，图2为移相和延时波束形成原理示意图，其中，图2中左图为移相原理示意图，相邻两天线阵元21波程差引起的相位差Δφ可以表示为：

其中，d为相邻两天线阵元21之间的距离，λ为波长。

因此，波束指向角θ可以转化为：

基于上式(2)可知，波束指向角θ只与信号波长λ以及天线阵元21之间的距离d这两个物理量相关，改变天线阵元21之间相位差Δφ可以改变波束指向角θ。

图2中右图为延时原理示意图，如果采用长度为△L的延时线22代替相位差，则有如下关系式：

ΔL＝cΔτ＝d sinθ (3)

其中，Δτ为延时差，c为光在真空中的传播速度。

因此，波束指向角θ可以转化为：

基于上式(4)可知，在延时方案中，波束指向角θ与信号波长λ无关。

对比上式(2)和(4)可知，延时和移相两种方式都能够波束指向角θ进行调控。当分别变更相位差Δφ和延时差Δτ时，信号的辐射方向会发生改变。但是如果信号带宽较宽时，移相方式受信号波长影响，就会不可避免的使得波束指向角θ模糊，使得宽带信号具有较大的波束宽度。

如图3所示，图3为延时和移相控制波束的结果仿真图，基于图3可知，相移方式波束指向模糊，延时方式波束指向精准，故光控延时技术可以有效解决单纯相移系统所带来的波束偏斜问题，能够提高波束指向精度，进而减少通信中的信号失真，如果应用于雷达系统，能够解决雷达系统中的角向分辨率。而移相技术也能为雷达系统提供更大的瞬时带宽，根据雷达测距原理，直接提升雷达的距离分辨率。所以移相和延时两种调节方式对应波束形成系统来说都具有举足轻重的价值。虽然在通信系统中，延时技术可能会带来更高效、低误码率的信息交换，但在雷达探测领域，乃至特殊波束形成系统中，移相技术仍旧具有不可代替的地位。需要说明的是，针对于窄带信号，延时和移相可以看做是同一种手段，其数学表达式在中心波长处可以进行互换。

本发明实施例所述光控射频相控阵集成控制系统，所述光控延时移相模块的结构如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种光控延时移相模块的结构示意图，所示光控延时移相模块包括：

光耦合器31，所述光耦合器31具有一个第一输入端以及n个第一输出端，用于将所述第一输入端获取的所述目标光信号功分为n路所述第一光信号，每个所述第一输出端对应输出一路所述第一光信号；n为大于1的正整数；

环回式阵列波导光栅组件32，用于对入射光信号进行延时，所述环回式阵列波导光栅组件32具有与所述第一输出端一一对应的n个第二输入端以及与所述第二输入端一一对应的n个第二输出端；每个所述第二输入端单独输入一路所述第一光信号；所述第一输入端输入的所述第一光信号在所述环回式阵列波导光栅组件32内部进行延时和移相处理后，形成所述第二光信号，通过所对应的所述第二输出端输出。

阵列波导光栅(AWG)具有一个输入端和多个输出端，光线如果只有一个波长，仅从一个对应输出端输出，当输入信号是包括多个不同波长的波分复用信号时，各个波长分别从对应不同的输出端。基于阵列波导光栅(AWG)可以形成如图5所示的通用单输入单输出的环回式阵列波导光栅(AWG-Loop)。

如图5所示，图5为一种通用单输入单输出的环回式阵列波导光栅(AWG-Loop)的结构示意图，所示环回式阵列波导光栅具有一个输入端In和一个输出端Out，所述环回式阵列波导光栅相当于拼接在一起的两个相同的阵列波导光栅，该两个阵列波导光栅的输出端一一对应连接，从而形成一个具有一个输入端In和一个输出端Out的环回式阵列波导光栅。

如图5所示的通用环回式阵列波导光栅，在内部具有n条不同的反馈路径，并分别对应具有不同波长的入射光信号，即满足条件的波长信号选取其中一条反馈路径进行传输，具体的说，一组波分复用光信号通过输入端In入射到一个图5所示的通用环回式阵列波导光栅中后，该光信号能够以波长划分的方式散开，每个波长对应一个反馈路径，不同路径的光信号最终在输出端Out合并，不同波长的光信号就具有了不同的延时。其映射关系可以概括为任意一光信号波长λ_n对应一固定的延时τ_n，波长的选取需要满足通用环回式阵列波导光栅的信道需求。通用环回式阵列波导光栅本身集合了复用以及解复用的功能，同时具有宽带特性，消除了波束偏斜。

如图6所示，图6为图5所示通用环回式阵列波导光栅的信号强度以及延时响应曲线图，图6中上图纵轴为强度，横轴为输出延迟，下图纵轴为延时量，横轴为波长，基于图6可知，其延时量能够达到ps量级，且各个信道都具有一定的有效带宽，故完全可以用于在射频波束形成系统中。

基于图5所示通用环回式阵列波导光栅的设计原理，在图4所示光控延时移相模块中，设计了一种新型的阵列波导光栅组件32，用于对入射光信号进行延时，能够实现波束形成中所需要的必要延时。

对于一个1*n的线性天线阵列，需要n个不同的时延或相移来实现波束形成。图5所示通用环回式阵列波导光栅，虽然能够产生n个不同的延时，但是延时只能产生在一组输入输出端，不能满足本发明技术方案所需的n组输入输出端具有延时的需求，因此需要对其进行改进，使其能够应用于阵列天线，并能够控制波束指向。

故本发明实施例基于图5所示单输入单输出的通用环回式阵列波导光栅基础上，设计了如图4中所示的新型的环回式阵列波导光栅组件32，具有n进n处的对称结构，且对于相同波长的信号，每一组输入输出端对应支路对应光信号具有不同的延时。所述环回式阵列波导光栅组件32保留了波分复用的特性，在同一输入输出支路内不同波长的光信号会产生不同的延时量。当输入m个波长信号时，就会产生m*n个不同的延时回路。全部延时量可以按照需求进行设计。m为大于1的正整数。

环回式阵列波导光栅组件32中，第一光信号为波分复用的光信号，具有m个不同波长(λ₁至λ_m)。一路第一光信号通过一个第二输入端入射，在环回式阵列波导光栅组件32内部具有m条路径进行选择，经过延时和移相后，通过所对应的第二输出端输出。故每一组对应的第二输入端和第二输出端入射光信号都有m条路径可以选择，即n组对应的第二输入端和第二输出端都能够获得m个不同的延时响应。故所述环回式阵列波导光栅组件32中，其映射关系可以概括为任意一组对应的第二输入端和第二输出端中光信号波长λ_n,m对应固定的延时τ_n,m，不同波长对应不同的延时。在实际应用中，n对应阵列天线中的阵元数量，而m可以根据波束指向的需求来设定。

采用图4所示环回式阵列波导光栅组件32，能够将其应用在一个1*n的线性天线阵列中，代替原本的n个连续可调延时。由于每个波束指向都对应一个天线阵列的延时组合，而各个天线阵元所对应的端口都能够产生m个不同的延时，所以存在mⁿ个不同方向上的波束指向，通过优化m*n个延时的取值，已实现目标方向的波束指向。故采用该结构的环回式阵列波导光栅组件32可以直接代替n个延时/移相模块来实现波束控制，极大的简化了系统结构，且大大提高了系统的集成度。

而且不同的延时量是通过环回式阵列波导光栅组件32实现的，是一种无源控制方案，相比现有对各个延时/移相模块独立控制的集成电路系统，本发明实施例技术方案响应速度更快、准确度更高。所述环回式阵列波导光栅组件32保留了图5所示通用环回式阵列波导光栅的全部优点，还具备了多输入多输出的特性，每组延时无需额外的校准。

所述环回式阵列波导光栅组件32内部具有m*n条独立的反馈路径，m为小于n的正整数。设定具有n组输入输出端口，每组输入输出端口包括一个第二输入端及其对应的第二输出端。所述第一光信号为具m个不同波长的波分复用信号，每组输入输出端口对应m条反馈路径以及m个不同的延时。此时，所述环回式阵列波导光栅组件32可以等效为n个图5所示单输入单输出的通用环回式阵列波导光栅，每个通用环回式阵列波导光栅具有m个不同的延时。

上述m*n条独立的反馈路径的设计方案，采用的是m*n条独立的反馈路径设计不同的延时响应，但是由于结构本身尺寸的限制，无法无限制的增大m的值，为了进一步优化环回式阵列波导光栅组件32，增加更多延时方向的选择，可以采用链路复用的方式减少链路冗余度。

所述环回式阵列波导光栅组件32具有n组输入输出端口，每组输入输出端口包括一个第二输入端及其对应的第二输出端；所述第一光信号为具m个不同波长的波分复用信号。其中一组(定义为第一组)输入输出端口对应m条反馈路径以及m个不同的延时，其他各组输入输出端口均复用该m条反馈路径中的x条反馈路径，并其他各组(定义为第二组)输入输出端口均具有y条独立的反馈路径，均对应有m个不同的延时，m、x和y为正整数，且x+y＝m。不同第二组输入输出端口之间的x与y的取值是相互独立的，不同的所述第二组输入输出端口的x的取值可以相同或是不同，y的取值可以相同或是不同。

设定具有n组输入输出端口，每组输入输出端口包括一个第二输入端及其对应的第二输出端。所述第一光信号为具m个不同波长的波分复用信号；其中一组输入输出端口对应m条反馈路径以及m个不同的延时，其他各组输入输出端口均复用该m条反馈路径中的m-1条，而且其他各组输入输出端口均具有一条独立的反馈路径，均对应有m个不同的延时。

设定该n组输入输出端口依次为第1组输入输出端口至第n组输入输出端口。如可以设置第1组输入输出端口具有m条独立的反馈路径，对应m个不同的延时τ₁至τ_m。设置第2组输入输出端口复用第1组输入输出端口的m-1条路径，对应获得m-1个不同的延时τ₂至τ_m，外加单独一条反馈路径对应的一个延时τ_m+1。依次类推，对于第a组输入输出端口，a为不大于n的正整数，均复用第1组输入输出端口的m-1条反馈路径，自身具有一条独立的反馈路径。

通过该链路复用的方式，可以达到减少环回式阵列波导光栅组件32内部反馈路径的数量，使得其从m*n降低至m+n量级，进而在相同器件尺寸下，可以获得更大的m，获得更多的波束指向。需要说明的是，各个反馈路径的延时两是根据波束指向角的需求设定，不能保证反馈路径百分百复用来匹配延时，只能在一定程度上减少路径数量，而不能减少到极限值m+n-1。

由于存在链路总数的限制，使得该技术方案不能完成全部角度的扫描，可以通过基组与矩阵的方案来解决这一问题。

如图7所示，图7以两组不同波束指向及强度的信号合成信号的波束指向示意图，两组光信号具有不同的强度、相位分布和波束指向，强度分别为D和E，波长分别为λ₁和λ₂，D、E所指示的方向分别为λ₁和λ₂两个波长在n个阵元条件下形成的波束指向。合成信号波束指向角为θ。图7为一个两基组组成一维波束形成的原理示意图。同样，对于一个1*n的天线阵列而言，以两组信号作为基组为例，将两组不同指向的信号输入同一组天线阵列中，通过调节两组信号强度的大小D和E就能够改变最终合成波束的指向，而不需要对每一个输入天线的信号进行独立的相位/延时控制。

如图8所示，图8为一种基于图1所示方式的光控射频相控阵集成控制系统的结构示意图，所述阵列天线16包括多个天线阵元161，所述收发模块15具有n个与所述目标射频信号一一对应的收发组件151，每个所述收发组件151连接一个所述天线阵元161。如对于1*n的线性天线阵列，具有在同一直线上排布的n个天线阵元161。各个天线阵元161单独对应一个收发组件151。该方式中，仅是以两个激光器，将二者出射激光合束形成具有波长λ₁和波长λ₂的参考光信号为例进行说明，显然基于本申请技术方案构思，可以采用m个激光器，形成包括波长λ₁至波长λ_m的参考光信号，使得所述第一光信号为包括波长λ₁至波长λ_m互的波分复用光信号，m为大于1的任意正整数。

本发明实施例所述光控射频相控阵集成控制系统中，所述收发模块15还包括与所述收发组件151一一对应的放大器(图8中未示出)，所述目标射频信号通过所述放大器输入所对应的所述收发组件151。

本申请技术方案中，所述光源模块11可以包括：第1激光器至第m激光器，第i激光器出射波长为λ_i的第i激光信号，m为大于1的正整数，i为不大于m的正整数；其中，波长λ₁至波长λ_m互不同；第1激光信号至第m激光信号合束为所述参考光信号；所述第一光信号为包括波长λ₁至波长λ_m互的波分复用光信号。如上述，可以基于需求选择布局激光器的数量m。

如图8所示，以m＝2为例进行说明，此时所述光源模块11包括：第1激光器，出射波长为λ₁的第1激光信号；第2激光器，出射波长为λ₂的第2激光信号。λ₁与λ₂不同；

其中，所述第一激光信号和所述第二激光信号合束为所述参考光信号，可以通过合束器实现两不同激光信号的合束耦合。参考光信号为波分复用信号，包括λ₁与λ₂两个波长。电光调制器12基于参考光信号将初始射频信号调制在目标光信号上。目标光信号同样为包括λ₁与λ₂的波分复用光信号。目标光信号经过一个1分n的光耦合器平均分为n路，等功率输出n路第一光信号，所述第一光信号为包括λ₁与λ₂的波分复用光信号。

如图9所示，图9为基于图8所示方式的光控射频相控阵集成控制系统的结构示意图，在图8所示方式基础上，将基组拓展至m组，m≥2，能够准确无误的表示出全部需求的波束指向。而本发明技术方案提供的回环式阵列波导光栅组件具有实现m基组的特性，能够使得每个天线阵元161对应输入具有m个不同延时的射频信号，提供m组不同的n元阵列的延时组合，实现任意波束指向的波束形成。

基组数量的选取及初始延时相位分布的设置是所需要考虑的核心问题。为方便计算，采用相位表达的方式来构建矩阵。在窄带信号应用中，延时和移相表达式是等效的，因此这里的数学表达与所采用的延时结构在原理上并不冲突。另外，根据延时技术的波束形成原理，在使用延时结构的同时并不破坏其移相的原理，还能带来适用于宽带信号的优势。通过引入矩阵及矩阵压缩的概念来解决这一问题。

通过矩阵上的元素来表示天线阵列的强度及相位，并按照图1的方式构造原始信号矩阵A，其具有p行n列，每一行向量能够代表一个波束指向，每一列上的元素分别对应一个天线在不同波束指向时所具有的强度相位分布。为满足一般的波束形成条件，行中相邻单元具有相同的相位差，且各天线强度相等，即其中A_i,j＝1，

为固定值。同时，随着矩阵行数的增加，该固定相位差增大，例如，从初始π/(100n)逐渐增加到π/n。

本发明实施例中，能够通过矩阵压缩原理使用回环式阵列波导光栅组件实现波束扫描。

由于矩阵A不满秩，所以必然存在m＝Rank(A)<p个行向量能够表示A的全部行向量，即使用m组基的线性组合就能使得任意波束指向都被表示出来。为了进一步缩小m的值，就要对矩阵进行压缩。将原始矩阵A按下述公式(6)进行奇异值分解，对角矩阵S由系数矩阵奇异值构成。

A＝USV^* (6)

U为p×p的酉矩阵，V^*是V的共轭转置，是n×n阶酉矩阵。将奇异值从大到小依次排列，并把权重小于5％的值进行舍弃(可根据应用需求对权重标准进行选择)，此时新对角矩阵Λ的秩为保留奇异值的数量m。如下述公式(7)所示，用Λ替换S可以得到压缩矩阵B。

B＝U∧V^* 7)

此时原矩阵A与压缩后矩阵B的行向量所形成的波束指向几乎无差别，而矩阵B的秩就是最终确认的基组数量m。初始延时分布的设置则对应压缩矩阵B中m个行向量。而这选出的m个行向量即为线性独立矢量组LIVG。

基于上述描述，本发明实施例中，控制模块通过回环式阵列波导光栅组件实现波束指向角控制的方法包括：

1，确定线性独立矢量组LIVG。选取压缩后矩阵B(秩为m)中的m个线性不相关的行向量作为初始LIVG。每行的n个天线阵元按照LIVG中对应元素赋予强度B_i,j与相位

其下述矩阵表达式如(8)所示。此时，通过不同的线性组合K就能够得到压缩矩阵B的全部方向的向量。该线性组合K包含强度和移相两部分，本质为LIVG每一行向量所乘系数，是一个n元列向量。确定n个天线输入的固定移相/延时及强度。

2，确定线性组合。在选定LIVG后，就可以利用最小二乘的方式结合任意方向向量w计算出线性组合K的取值，基于线性组合K的取值确定控制参数，所述控制参数包括移相、延时和强度。

3，产生波束。任意方向向量w都能使用这种方式求得相应的K，所以在确定LIVG后就可以实现任意方向角的选择。实现最终的波束方向扫描。

基于所述控制参数产生所述参考光信号，以便于驱动回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描，产生波束。最终，n个天线阵元只需要远小于n的m个移相器即可形成所需波束。

基于上述分析就能对回环式阵列波导光栅组件的链路参数进行设计，在n个输入端均输入具有m个信号波长的光信号，获得m组的n元强度与相位关系。为验证该矩阵压缩理论，下面将对1*16的线性天线阵列为例，进行仿真设计。图10为本发明实施例中各天线阵元输入信号强度与相位分布仿真图。在该仿真条件下，传统PAA方案需要16个可调移相器/延时线才能对信号波束方向进行控制。如果将基组数量m压缩至6的情况下，可以得到一秩为6的压缩矩阵。通过对压缩矩阵行向量的选取，可以获得如图所示的6组不同信号分布。图10中横坐标分别对应16个固定移相/延时组，纵坐标对应其移相/延时及强度的改变量。本发明实施例所述方案只需6个波长的光信号就可对信号波束方向进行控制，并在回环式阵列波导光栅组件结构上实现6*16个固定延时设计。

基于上述矩阵基组的选取，实现最终的波束角度控制。而图11为本发明实施例技术方案与传统PAA波束指向仿真对比图。以图10的输入信号为例，对波束指向在各个方向上的结果进行对比。波束指向由0°扫描至45°，为使仿真结果清晰明了，这里只取了4个典型方向进行展示。其中在42°波束指向时的方向误差仅为为0.2％，强度误差为0.27dB，而随着指向角的增大，误差逐渐增大。考虑到天线性能等因素，对于多数PAA系统来说，该高精度波束指向范围满足应用需求。而在其他应用场景中，可以适当对特征值的选取标准进行调整，已获得不同基组数目及指向性精准度的组合。

通过上述描述可知，本发明实施例提供的光控射频相控阵集成控制系统中，采用了一种新型的多输入多输出的回环式阵列波导光栅组件，并提供了一种矩阵压缩的控制方案，能够对相控阵阵列进行简化，提高其集成度。

所述光控射频相控阵集成控制系统至少具有如下有益效果：

首先，具有高灵活性，通过调整光波长的方式选择射频波束角度，不用去调节传统结构上各个移相器的控制电信号。

其次，和常规相控阵思路完全不同，通过新型的回环式阵列波导光栅组件以及矩阵压缩的控制方案，大大优化了以往相控阵系统所需要使用的大规模移相阵列阵元的数量。

而且，具有高适用性，与波分复用技术相结合，同时能够使用电信号相位控制与光信号控制结合的调控手段，具备更广阔的应用空间。

基于上述实施例，本申请另一实施例还提供了一种基于上述实施例所述光控射频相控阵集成控制系统的波速形成方法，如图12所示，图12为本发明实施例提供的一种波速形成方法的流程示意图，所述波束形成方法包括：

步骤S11：构建原始信号矩阵；

步骤S12：对所述原始信号矩阵进行矩阵压缩，获得压缩矩阵；

该步骤中，进行矩阵压缩的方法包括：首先，将所述原始信号矩阵进行奇异值分解；然后，基于奇异值分解的结果，获得所述压缩矩阵。

步骤S13：基于所述压缩矩阵获得线性组合，基于所述线性组合确定控制参数；

该步骤中，获得线性组合的方法包括：首先，基于所述压缩矩阵中m个线性不相关的行向量，确定线性独立矢量组；然后，根据所述线性独立矢量组确定线性组合的取值。

步骤S14：基于所述控制参数驱动回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描，产生波束。

本申请实施例所述波速形成方法其相关控制以及算法可以参考上述光控射频相控阵集成控制系统对应内容，本实施例不再赘述。

所述波速形成方法可以通过上述光控射频相控阵集成控制系统形成所需波束，大大降低光控射频相控阵集成控制系统有源移相器的数量，能够对相控阵阵列进行简化，提高其集成度，具有高灵活性，通过调整光波长的方式选择射频波束角度，不用去调节传统结构上各个移相器的控制电信号，通过新型的回环式阵列波导光栅组件以及矩阵压缩的控制方案，大大优化了以往相控阵系统所需要使用的大规模移相阵列阵元的数量，具有高适用性，与波分复用技术相结合，同时能够使用电信号相位控制与光信号控制结合的调控手段，具备更广阔的应用空间。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的波束形成方法而言，由于其与实施例公开的光控射频相控阵集成控制系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见光控射频相控阵集成控制系统对应部分说明即可。

需要说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，包括：

光源模块，所述光源模块用于出射参考光信号；

电光调制器，所述电光调制器用于基于所述参考光信号，对输入的初始射频信号进行调制，将所述初始射频信号调制在目标光信号上；

光控延时移相模块，所述光控延时移相模块用于将所述目标光信号功分为多路相同的第一光信号，并通过多输入多输出的环回式阵列波导光栅组件对所述第一光信号进行延时和移相处理，形成多路与所述第一光信号一一对应的第二光信号；

光电探测器阵列，所述光电探测器阵列用于将所述第二光信号解调为目标射频信号，形成多路与所述第二光信号一一对应的所述目标射频信号；

收发模块，所述收发模块用于将所述目标射频信号通过阵列天线辐射出去。

2.根据权利要求1所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述光控延时移相模块包括：

光耦合器，所述光耦合器具有一个第一输入端以及n个第一输出端，用于将所述第一输入端获取的所述目标光信号功分为n路所述第一光信号，每个所述第一输出端对应输出一路所述第一光信号；n为大于1的正整数；

环回式阵列波导光栅组件，所述环回式阵列波导光栅组件具有与所述第一输出端一一对应的n个第二输入端以及与所述第二输入端一一对应的n个第二输出端；每个所述第二输入端单独输入一路所述第一光信号；所述第二输入端输入的所述第一光信号在所述阵列波导光栅组件内部进行延时和移相处理后，形成所述第二光信号，通过所对应的所述第二输出端输出。

3.根据权利要求2所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述环回式阵列波导光栅组件具有n组输入输出端口，每组输入输出端口包括一个第二输入端及其对应的第二输出端；

所述第一光信号为具m个不同波长的波分复用信号，每组输入输出端口对应m条反馈路径以及m个不同的延时，m为正整数。

4.根据权利要求2所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述环回式阵列波导光栅组件具有n组输入输出端口，每组输入输出端口包括一个第二输入端及其对应的第二输出端；所述第一光信号为具m个不同波长的波分复用信号；其中一组输入输出端口对应m条反馈路径以及m个不同的延时，其他各组输入输出端口均复用该m条反馈路径中的x条反馈路径，并具有y条独立的反馈路径，均对应有m个不同的延时，m、x和y为正整数，且x+y＝m。

5.根据权利要求2所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述阵列天线包括多个天线阵元；

所述收发模块具有n个与所述目标射频信号一一对应的收发组件，每个所述收发组件连接一个所述天线阵元。

6.根据权利要求5所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述收发模块还包括与所述收发组件一一对应的放大器，所述目标射频信号通过所述放大器输入所对应的所述收发组件。

7.根据权利要求1所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，还包括：与所述光控延时移相模块连接的控制模块，所述控制控制模块通过调整电信号，以调节所述光控延时移相模块对所述第一光信号的延时量和移相量。

8.根据权利要求7所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述控制模块用于通过波长控制所述回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描。

9.根据权利要求8所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述控制模块用于对原始信号矩阵进行矩阵压缩，获得压缩矩阵，基于所述压缩矩阵获得线性组合，基于所述线性组合的取值，确定控制参数，基于所述控制参数产生所述参考光信号，以便于驱动回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描，产生波束。

10.根据权利要求1-9任一项所述的光控射频相控阵集成控制系统，其特征在于，所述光源模块包括：

第1激光器至第m激光器，第i激光器出射波长为λ_i的第i激光信号，m为大于1的正整数，i为不大于m的正整数；

其中，波长λ₁至波长λ_m互不同；第1激光信号至第m激光信号合束为所述参考光信号；所述第一光信号为包括波长λ₁至波长λ_m互的波分复用光信号。

11.一种基于如权利要求1-10任一项所述光控射频相控阵集成控制系统的波速形成方法，其特征在于，所述波束形成方法包括：

构建原始信号矩阵；

对所述原始信号矩阵进行矩阵压缩，获得压缩矩阵；

基于所述压缩矩阵获得线性组合，基于所述线性组合确定控制参数；

基于所述控制参数驱动回环式阵列波导光栅组件进行波束扫描，产生波束。

12.根据权利要求11所述的波速形成方法，其特征在于，进行矩阵压缩的方法包括：

将所述原始信号矩阵进行奇异值分解；

基于奇异值分解的结果，获得所述压缩矩阵。

13.根据权利要求11所述的波速形成方法，其特征在于，获得线性组合的方法包括：

基于所述压缩矩阵中m个线性不相关的行向量，确定线性独立矢量组；

根据所述线性独立矢量组确定线性组合的取值。

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