CN113630182B - 一种基于片上模数信号的微波光子调控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于片上模数信号的微波光子调控系统及方法，供解决现有芯片级雷达通信一体化技术的性能均衡问题，克服不同体制雷达共链路设计的困难。针对雷达通信一体化微系统与大范围高精度环境感知需求，基于微波光子技术与光子集成电路技术，实现微波光子雷达与调频连续波体制激光雷达的共链路设计，融合数字光通信系统，构建了片上多功能一体化光子信息系统。该系统无需额外付出性能代价，系统复杂度低，功能综合度高，能够对模拟信号与数字信号进行微波光子调控，做到微波雷达成像、激光雷达测量同时进行，以及激光雷达与数字通信时分工作的集成多功能一体化。
Description
技术领域
本发明涉及微波雷达、激光雷达、自由空间光通信技术领域，尤其是一种基于片上模数信号的微波光子调控系统及方法。
背景技术
随着现代科学水平的提高，高速通信与雷达探测等领域的应用场景愈发复杂，对系统的整体设计参数与性能指标提出了更高的要求。系统整机向小型化、便携式发展，信号频率朝太赫兹与超宽带发展。传统电子技术逐渐难以满足信号产生、分配以及处理等具体应用需求。微波光子技术通过在光域对微波信号进行传输与处理，为微波信号的调控提供了一个新的维度。依靠光子技术宽带、捷变、可重构等固有优势，微波光子技术在数字通信、微波光子雷达、电子对抗与激光雷达等诸多领域有着广泛的应用。
微波光子雷达依靠光子技术超大带宽的优势，能够提供较高的成像分辨率与测量精度。结合合成孔径技术，可支持高精度、全天时、高成像分辨率的雷达探测，大范围感知环境。利用光域丰富的频谱资源，以及光束准直度高等特点，激光雷达能够对特定方向进行精细的测量成像，准确感知周围环境；空间光通信系统可搭建大容量信道，实现超高速通信。同时，发散度较小的光束被拦截和窃听的可能性低，系统更加安全。
现阶段雷达与通信系统的多功能一体化及小型化成为新的需求热点。由于体制不同，上述三种应用系统通常采用相互独立的设计结构。激光雷达基于光域信号调控，传统雷达处理射频模型信号，光通信系统则传递数字编码。常见的雷达通信一体化实现思路主要基于波形设计与波束赋形，这导致雷达性能与通信性能之间不可避免地出现权衡，限制二者本身性能的释放。而激光雷达与传统雷达由于信号源与外围收发链路的差异，无法强行结合。
光子集成电路(PIC)技术能够实现高密度、低成本、低功耗、复杂光学系统的规模性集成。可提供激光雷达与微波光子雷达的共链路设计基础，以及与数字空间光通信系统的复用设计条件。现阶段片上微系统设计主要面向单一功能，缺乏合理的系统设计来实现不同功能系统的结构融合。基于PIC技术，依托微波光子技术对模拟与数字信号进行统一调控，通过系统设计的创新，有望获得真正的集成多功能一体化光子信息系统。
发明内容
为解决现有芯片级雷达通信一体化技术的性能均衡问题，克服不同体制雷达共链路设计的困难，本发明公开了一种基于片上模数信号的微波光子调控系统及方法。针对雷达通信一体化微系统与大范围高精度环境感知需求，基于微波光子技术与光子集成电路技术，实现微波光子雷达与调频连续波体制激光雷达的共链路设计，融合数字光通信系统，构建了片上多功能一体化光子信息系统。该系统无需额外付出性能代价，系统复杂度低，功能综合度高，能够对模拟信号与数字信号进行微波光子调控，做到微波雷达成像、激光雷达测量同时进行，以及激光雷达与数字通信时分工作的集成多功能一体化。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，包括：
所述微波光子信号调控模块、射频模拟信号发射模块、光模数信号发射模块、射频模拟信号接收模块、光模数信号接收模块，
所述微波光子信号调控模块的输出连接到第一分束器，第一分束器的一个输出连接到第二分束器，另一个输出连接到第三分束器；第二分束器的输出分别连接到射频模拟信号发射模块、光模数信号发射模块；第三分束器的输出分别连接到射频模拟信号接收模块、光模数信号接收模块；
各模块间通过光第一、二、三分束器互联，实现信息传递；光分束器可将输入光功率等分至两路输出端，诸如多模干涉耦合器等片上分束结构能够在不干扰输入光信号的前提下实现光的功分；
所述微波光子信号调控模块包括：
连续波激光器，用于激射偏振态为TE模式，频率为ωo的连续波激光，作为贯穿整个系统的能量与信息载体；
第一电光调制器，用于将外部待调控的模拟或数字信号调制到光载波上，将信息转移至光域，供后续调控与处理；
第一光放大器，补偿电光调制损耗并将模块输出光功率提升至足够水平，作为后续四个模块对信号调控与处理的能量基础。
所述各模块间通过光第一、二、三分束器互联，实现信息传递。光分束器可将输入光功率等分至两路输出端，诸如多模干涉耦合器等片上分束结构能够在不干扰输入光信号的前提下实现光的功分。
所述射频模拟信号发射模块包括：
第一光电探测器，实现微波光子雷达发射机二倍频信号产生功能。合理配置前述第一电光调制器参数，将射频模拟信号(线性调频信号)通过载波抑制的双边带调制(CS-DSB)调制到光域上。经过第一分束器与第二分束器到达第一光电探测进行倍频，双边带倍频后获得原始射频模拟信号的二倍频，实现了线性调频信号时间带宽积的倍增；
第一射频天线，上述二倍频信号经由该天线辐射至自由空间，实现微波光子雷达发射机功能。
所述光模数信号发射模块包括：
第二光放大器，补偿链路中传输与耦合损耗，提高发射光功率，保证信号传输、探测距离；
第一光学天线，将由第一电光调制器通过CS-DSB调制获得的调频连续已调光或通过开关键控调制(OOK)获得的数字调制光辐射至特定方向，实现激光雷达发射机或数字光通信发射机功能。
所述射频模拟信号接收模块包括：
第二射频天线，作为微波光子雷达接收机天线，从自由空间中捕获雷达回波信号；
第二电光调制器，自第一分束器与第三分束器引入原始射频模拟信号的CS-DSB已调光作为接收机参考光信号。第二射频天线引入的二倍频雷达回波在电光调制过程中分别以参考光负边带、正边带为载波进行调制，在对应正边带、负边带的光谱位置获得原始线性调频信号的回波延时状态；
光滤波器，选出光谱正边带位置的原始CS-DSB信号正边带与回波调制边带，或选出光谱负边带位置原始CS-DSB信号负边带与回波调制边带；
第二光电探测器，将光滤波器选出的原始CS-DSB信号边带及回波调制产生的延时备份进行混频，获得去斜体制微波光子雷达的中频输出结果，实现微波光子雷达去斜接收机功能。
所述光模数信号接收模块包括：
光开关，通过开路或闭合控制第一电光调制器的已调光能否进入本模块。当本模块作为数字光通信接收机时，光开关开路，第一电光调制器输出的OOK调制光无法进入本接收模块；当本模块作为调频连续波体制的激光雷达接收机时，光开关闭合，第一电光调制器输出的CS-DSB调制光经由第一分束器、第三分束器进入本模块，作为激光雷达接收机参考光；
第二光学天线，作为激光雷达与数字光通信接收机天线，从自由空间中捕获激光雷达回波或光通信信号；
第三光放大器，补偿自由空间传输过程中光功率损耗，提高接收机灵敏度；
合束器，与分束器为互易器件，可在不干扰输入信号的前提下将其耦合至同一光路。将光开关闭合时的光参考信号与雷达回波信号一并送入第三光电探测器，或在光开关开路时单独将数字光通信信号送入第三光电探测器；
第三光电探测器，本模块作为数字光通信接收机时，通过直接功率检波实现光解码，获得第一光电调制器的OOK调制解码，实现数字光通信接收机功能；本模块作为调频连续波体制激光雷达接收机时，对参考光信号与激光雷达回波信号进行混频，获得激光雷达去斜中频输出结果，实现激光雷达接收机功能。
优选的，所述连续波激光器为可调谐激光器，其激射的连续波激光频率ω0可调谐。可调谐光源作为整个系统信息载体能够提供载波捷变能力，有利于激光雷达与光通信系统在不同环境下的应用。同时可调谐光载波能够对后续模块光学天线波束指向进行控制，可简化光学天线结构，缩小系统体积。
优选的，所述第一电光调制器为马赫曾德尔调制器。马赫曾德尔调制器PIC工艺成熟，性能优秀，控制简便，可提供本发明系统所需的CS-DSB调制功能与OOK调制功能。
可选的，所述第一、二、三光放大器为半导体光放大器。半导体光放大器体积小，功耗低，增益效果优秀，能够与可调谐激光器使用相同工艺线制作，有助于系统的单片集成。
优选的，所述第一光学天线为光学相控阵天线。一维光学相控阵天线可通过调节光载波波长实现一维相控阵扫描与一维波长扫描，提供大角度全固态光波束成形能力。可有效降低体统复杂度，减轻系统控制压力。
可选的，所述第二电光调制器为相位调制器。相位调制器在提供本系统微波光子雷达接收机电光调制设计性能的前提下，结构简单，控制成本低。在接收机中，实现相同功能的体积与控制端口仅为马赫曾德尔调制器一半。
优选的，所述光滤波器为片上微环滤波器。级联微环谐振腔形成的片上滤波器能够以较小的体积提供光域窄带高消光比的平坦滤波功能。
优选的，所述光开关为马赫曾德尔调制器。通过调节马赫曾德尔调制器双臂相位差，控制输入光全通或消光，提供光开关功能。以马赫曾德尔调制器为光开光，在本片上系统工艺中兼容性强，性能稳定，易于实现。
优选的，所述合束器为定向耦合器，所述第三光电探测器为第三光电探测器与第四光电探测器共同组成的平衡探测结构。通过定向耦合器与平衡探测器可在用作激光雷达接收机时，直接输出参考光与回波光混频的中频电信号，消除二者光电转换的直流输出功率，提高能量效率，并保护后级处理链路。
优选的，所述系统使用异质集成技术，各有源器件与无源器件以及各模块间采用片上波导耦合技术，能够有效减小系统体积，降低系统内耦合损耗，简化系统外围控制链路设计，实现全固态片上多功能光子信息系统。
优选的，所述系统搭载的射频模拟信号为线性调频信号。线性调频信号可同时实现测距测速，并依托大时间带宽积优势提供清晰的成像分辨率，配合去斜体制的雷达接收机能够显著降低接收机射频工作带宽需求，提高处理效率，节约系统成本，在微波光子雷达中有着广泛应用。同时调频连续波体制的激光雷达能够抗太阳光与其它激光的干扰，保证系统可靠性；多普勒效应支持单像素实时测速，可提供四个维度信息，有助于目标分类；相较于脉冲体制激光雷达，拥有更高的灵敏度与动态范围。
根据本发明的另一个方面，提出一种基于片上模数信号的微波光子调控方法，步骤如下：
在微波光子信号调控模块，通过连续波激光器提供频率为ω0的稳定光载波，从前端解理面经由光纤耦合传输至电光调制器，作为整个系统运行的基础信息载体。待调控的模拟或数字信号由外部提供，通过电光调制器搭载至光载波上，使信息迁移至光域，再经光纤耦合传输至半导体光放大器。半导体光放大器提供片上高光增益，补偿电光调制器调制损耗，将光功率放大到足够高的水平后，通过片上波导，经两级分束器将光载信息发放至后续四个模块。
在射频模拟信号发射模块，载波频率为ωo的光载模拟信号由分束器通过片上波导入射。通过合理设置前述电光调制器参数，可通过光电探测器实现光电信息转换，直接获取纯净的外部射频模拟信号二倍频，经由射频天线以倍增的时间带宽积发射射频模拟信号，作为微波光子雷达发射机，提供更高的发射性能。
在光模数信号发射模块，载波频率为ωo的光载模数信号由分束器通过光纤耦合入射。半导体光放大器补偿前述传输与耦合功率损耗，保证发射后的作用距离。通过光学天线，将模拟或数字已调光直接辐射至自由空间中，对空间中特定位置发射模拟调制光作为激光雷达探测信号，发射数字调制光作为点对点数字光通信信源信号。
在射频模拟信号接收模块，载波频率为ωo的原始光载模拟信号由分束器通过片上波导耦合进入电光调制器，作为微波光子雷达接收机的参考光信号。微波光子雷达回波信号通过射频天线进入该模块，电光调制将回波信号信息转移到光载波上的同时，与原始光载模拟信号暨光参考信号发生混频，使发射的二倍频信号在光域恢复为原始的时间带宽积。回波信号与参考光信号经由片上光滤波器滤除高次谐波与冗余边带，在光电探测器进行混频，获得微波光子雷达接收机中频输出信号，通过适当处理算法得到测量成像结果。
在光模数信号接收模块，激光雷达回波信号或数字光通信信号经由光学天线进入该模块，通过光放大器补偿空间中传输的功率损耗。载波频率为ωo的原始光载模拟信号，经由片上波导耦合进入光开关，依据接收模块功能选择是否参与光回波接收：当该接收模块接收数字光通信信号时，光开关开路，原始已调光不进入接收模块，接收光经合束器直接进入光电探测器，通过检功率获得数字通信光解码输出，通过适当处理得到通信解码结果；当该接收模块接收激光雷达回波信号时，光开关闭合，原始已调光作为光参考信号进入接收模块，与回波光经合束器一并进入光电探测器进行混频，获得激光雷达接收机中频输出信号，通过适当处理算法得到测量成像结果。
有益效果
(1)将光子集成电路技术应用在微波光子雷达、激光雷达与数字光通信系统中，能够减小系统体积、减轻系统重量、降低系统功耗、压缩系统成本以及提高系统稳定度。较高的集成封装度能够应用于无人机等微小型结构，以及手持便携设备等同时要求性能、外观与体积的复杂应用场景。
(2)相比于传统雷达通信一体化设计，借助微波光子雷达与数字光通信分别调控射频模拟信号与数字光信号的特点，基于片上光路时分复用设计，规避了波形设计带来的性能制约。利用光域的大相对带宽，可实现高分辨率雷达成像与高速光通信的雷达通信一体化。
(3)借助微波光子技术能够在光域对射频进行传输处理的优点，为射频模拟信号的调控提供了全新的维度。结合光子集成电路技术，将激光雷达与微波雷达在硬件上实现了共链路统一结构，拓宽了雷达探测的适用范围。
(4)基于光子集成电路技术，依托微波光子技术对模拟与数字信号进行统一调控，通过系统设计的创新，实现了一种基于片上模数信号微波光子调控的光子信息系统架构，获得了真正的集成多功能一体化光子信息系统。
附图说明
图1为本发明一种基于片上模数信号的微波光子调控系统示意图；
图2为本发明一种基于片上模数信号的微波光子调控系统的一个优选实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所述，根据本发明的一个实施例，一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，包括：
所述微波光子信号调控模块、射频模拟信号发射模块、光模数信号发射模块、射频模拟信号接收模块、光模数信号接收模块，
所述微波光子信号调控模块的输出连接到第一分束器，第一分束器的一个输出连接到第二分束器，另一个输出连接到第三分束器；第二分束器的输出分别连接到射频模拟信号发射模块、光模数信号发射模块；第三分束器的输出分别连接到射频模拟信号接收模块、光模数信号接收模块；
各模块间通过光第一、二、三分束器互联，实现信息传递；光分束器可将输入光功率等分至两路输出端，诸如多模干涉耦合器等片上分束结构能够在不干扰输入光信号的前提下实现光的功分；
所述微波光子信号调控模块包括：
连续波激光器，用于激射偏振态为TE模式，频率为ωo的连续波激光，作为贯穿整个系统的能量与信息载体；
第一电光调制器，用于将外部待调控的模拟或数字信号调制到光载波上，将信息转移至光域，供后续调控与处理；
第一光放大器，补偿电光调制损耗并将模块输出光功率提升至足够水平，作为后续四个模块对信号调控与处理的能量基础。
所述各模块间通过光第一、二、三分束器互联，实现信息传递。光分束器可将输入光功率等分至两路输出端，诸如多模干涉耦合器等片上分束结构能够在不干扰输入光信号的前提下实现光的功分。
所述射频模拟信号发射模块包括：
第一光电探测器，实现微波光子雷达发射机二倍频信号产生功能。合理配置前述第一电光调制器参数，将射频模拟信号(线性调频信号)通过载波抑制的双边带调制(CS-DSB)调制到光域上。经过第一分束器与第二分束器到达第一光电探测进行倍频，双边带混频后获得原始射频模拟信号的二倍频，实现了线性调频信号时间带宽积的倍增；
第一射频天线，上述二倍频信号经由该天线辐射至自由空间，实现微波光子雷达发射机功能。
所述光模数信号发射模块包括：
第二光放大器，补偿链路中传输与耦合损耗，提高发射光功率，保证信号传输、探测距离；
第一光学天线，将由第一电光调制器通过CS-DSB调制获得的调频连续已调光或通过开关键控调制(OOK)获得的数字已调光辐射至特定方向，实现激光雷达发射机或数字光通信发射机功能。
所述射频模拟信号接收模块包括：
第二射频天线，作为微波光子雷达接收机天线，从自由空间中捕获雷达回波信号；
第二电光调制器，自第一分束器与第三分束器引入原始射频模拟信号的CS-DSB已调光作为接收机参考光信号。第二射频天线引入的二倍频雷达回波在电光调制过程中分别以参考光负边带、正边带为载波，等效实现第一次去斜过程，在对应正边带、负边带的光谱位置获得原始线性调频信号的回波延时状态；
光滤波器，选出光谱正边带位置的原始CS-DSB信号正边带与第一次去斜结果，或选出光谱负边带位置原始CS-DSB信号负边带与第一次去斜结果；
第二光电探测器，将光滤波器选出的原始CS-DSB信号边带及其通过第一次去斜获得的延时备份进行混频，实现第二次去斜，获得去斜体制微波光子雷达的中频输出结果，实现微波光子雷达去斜接收机功能。
所述光模数信号接收模块包括：
光开关，通过开路或闭合控制第一电光调制器的已调光能否进入本模块。当本模块作为数字光通信接收机时，光开关开路，第一电光调制器输出的OOK调制光无法进入本接收模块；当本模块作为调频连续波体制的激光雷达接收机时，光开关闭合，第一电光调制器输出的CS-DSB调制光经由第一分束器、第三分束器进入本模块，作为激光雷达接收机参考光；
第二光学天线，作为激光雷达与数字光通信接收机天线，从自由空间中捕获激光雷达回波或光通信信号；
第三光放大器，补偿自由空间传输过程中光功率损耗，提高接收机灵敏度；
合束器，与分束器为互易器件，可在不干扰输入信号的前提下将其耦合至同一光路。将光开关闭合时的光参考信号与雷达回波信号一并送入第三光电探测器，或在光开关开路时单独将数字光通信信号送入第三光电探测器；
第三光电探测器，本模块作为数字光通信接收机时，通过直接功率检波实现光解码，获得第一光电调制器的OOK调制解码，实现数字光通信接收机功能；本模块作为调频连续波体制激光雷达接收机时，对参考光信号与激光雷达回波信号进行混频，获得激光雷达去斜中频输出结果，实现激光雷达接收机功能。
上述基于片上模数信号的微波光子调控系统，其调控步骤如下：
在微波光子信号调控模块，通过连续波激光器提供频率为ω0的稳定光载波，从前端解理面经由光纤耦合传输至电光调制器，作为整个系统运行的基础信息载体。待调控的模拟或数字信号由外部提供，通过电光调制器搭载至光载波上，使信息迁移至光域，再经光纤耦合传输至半导体光放大器。半导体光放大器提供片上高光增益，补偿电光调制器调制损耗，将光功率放大到足够高的水平后，通过片上波导，经两级分束器将光载信息发放至后续四个模块。
在射频模拟信号发射模块，载波频率为ωo的光载模拟信号由分束器通过片上波导入射。通过合理设置前述电光调制器参数，可通过光电探测器实现光电信息转换，直接获取纯净的外部射频模拟信号二倍频，经由射频天线以倍增的时间带宽积发射射频模拟信号，作为微波光子雷达发射机，提供更高的发射性能。
在光模数信号发射模块，载波频率为ωo的光载模数信号由分束器通过光纤耦合入射。半导体光放大器补偿前述传输与耦合功率损耗，保证发射后的作用距离。通过光学天线，将模拟或数字已调光直接辐射至自由空间中，对空间中特定位置发射模拟调制光作为激光雷达探测信号，发射数字调制光作为点对点数字光通信信源信号。
在射频模拟信号接收模块，载波频率为ωo的原始光载模拟信号由分束器通过片上波导耦合进入电光调制器，作为微波光子雷达接收机的参考光信号。微波光子雷达回波信号通过射频天线进入该模块，电光调制将回波信号信息转移到光载波上的同时，与原始光载模拟信号暨光参考信号发生混频。恢复信号与参考光信号经由片上光滤波器滤除高次谐波与冗余边带，在光电探测器再次进行混频，获得微波光子雷达接收机中频输出信号，通过适当处理算法得到测量成像结果。
在光模数信号接收模块，激光雷达回波信号或数字光通信信号经由光学天线进入该模块，通过光放大器补偿空间中传输的功率损耗。载波频率为ωo的原始光载模拟信号，经由片上波导耦合进入光开关，依据接收模块功能选择是否参与光回波接收：当该接收模块接收数字光通信信号时，光开关开路，原始已调光不进入接收模块，接收光经合束器直接进入光电探测器，通过检功率获得数字通信光解码输出，通过适当处理得到通信解码结果；当该接收模块接收激光雷达回波信号时，光开关闭合，原始已调光作为光参考信号进入接收模块，与回波光经合束器一并进入光电探测器进行混频，获得激光雷达接收机中频输出信号，通过适当处理算法得到测量成像结果。
如图2所示，根据本发明的一个优选实施例，一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，包括1个可调谐连续波激光器、2个马赫曾德尔调制器、3个半导体光放大器、3个分束器、4个光电探测器、2组射频天线、1个相位调制器、1组级联微环谐振腔滤波器、1组光学相控阵天线、1组光学天线以及1个定向耦合器。
在微波光子信号调控模块，可调谐连续波激光源受大于阈值电流Ith的外部电流源泵浦，激射出中心频率为ωo＝2πfo，波长为λ0激光作为贯穿整个系统的能量与信息载体，ωo、fo分别为激光的角频率、频率，电场表达式Eo(t)为：
Eo(t)＝Eoexp(j2πfot) (1)
其中Eo为光波电场振幅，j为虚数单位，t为时间变量。对于微波光子雷达系统与激光雷达系统，本发明调控信号对象暨模拟射频信号为线性调频信号，表达式为：
Es(t)＝Vcos(2πfct+kπt2) (2)
其中V为射频模拟信号振幅，fc为线性调频信号中心频率，k为调频率。设片上马赫曾德尔调制器两臂相位差为Φ，则推挽调制下第一马赫曾德尔调制器输出电场暨参考光信号Eref可表示为：
其中
为调制系数，Vπ为马赫增德尔调制器半波电压，J0(β)、J1(β)、J2(β)…为0、1、2…阶第一类贝塞尔函数。当Φ＝π、2π...(2m-1)π时，m为正整数，MZM工作于最小偏置点，在光域对线性调频信号实现了载波抑制的双边带调制(CS-DSB)，忽略低功率高阶边带，调制器输出电场可进一步简化为：
其中n为整数。
对于数字光通信系统，通过合理设置数字01码信号振幅V，即：
根据(3)可知：
即全通光或消光，在光域对数字信号实现了开关监控调制(OOK)。通过芯片级的半导体光放大器(SOA)将已调光的光功率放大，补偿电光调制损耗并将模块输出光功率提升至足够水平，作为后续四个模块对信号调控与处理的能量基础。
在射频模拟信号发射模块，通过第一光电探测器对式(4)的正负一阶边带进行倍频，获得原始射频模拟信号的二倍频，实现线性调频信号时间带宽积的倍增：
其中Isig为倍频后第一光电探测器输出的光电流，
为光电探测器响应度，忽略光电转换直流分量。该二倍频信号做为微波光子雷达发射信号，经由第一射频天线辐射至自由空间，实现微波光子雷达发射机功能。
在光模数信号发射模块，经过半导体第二光放大器，补偿链路中传输与耦合损耗。使用光学相控阵天线，作为激光雷达发射机时，将式(4)所述线性调频光直接辐射至自由空间；作为数字光通信发射机时，将式(6)所述OOK调制光直接辐射至自由空间。所述光学相控阵天线为一维相位扫描与一维波长扫描联合的二维相控阵天线，通过改变可调谐连续波激光源输出波长λo，可直接控制天线波束的一维扫描。对于波长为λo的激光，光栅光学天线有效折射率neff如下式所示：
其中ncl为包层介质折射率，θ为光栅辐射角，N为光栅阶数，在所述光学天线中N＝1，Λ为光栅周期。由此可以得到光栅辐射角与波长的关系，如下式所示：
对于光栅光学天线，当波导中来自可调谐激光源的激光波长λo发生变化时，其辐射角度θ也发生相应的改变。该相控阵将第一马赫曾德尔调制器通过CS-DSB调制获得的调频连续已调光或通过OOK调制获得的数字已调光辐射至特定方向，实现激光雷达发射机或数字光通信发射机功能。
在射频模拟信号接收模块，第二射频天线作为微波光子雷达接收机天线，从自由空间中捕获雷达回波信号：
Eecho(t')＝cos(2(2πfct'+kπt'2)) (10)
上式忽略雷达回波振幅系数，其中t'＝t+△t'，Δt’为发射信号延时。Eref(t)作为光载波进入相位调制器，为光参考信号。由式(2)与(3)可知，射频模拟信号Eecho(t')以光参考信号Eref(t)为载波进行相位调制后，忽略高阶边带，得到第一次去斜结果Edec(t)：
在对应正边带、负边带的光谱位置获得了原始线性调频信号的回波延时状态。经由片上级联微环谐振腔滤波器，选取上式正边带或负边带的一组信号，送入第二光电探测器进行混频，实现第二次去斜：
Ir-IF(t)＝cos(2π(k△t')t) (12)
获得去斜体制微波光子雷达的中频输出结果Ir-IF(t)，实现微波光子雷达去斜接收机功能。
在光模数信号接收模块，由式(6)可知第二马赫曾德尔调制器能够用作光开关，决定Eref(t)能否进入本模块。当本模块作为数字光通信接收机时，光开关开路，马赫曾德尔调制器1输出的OOK调制光无法进入本接收模块；当本模块作为调频连续波体制的激光雷达接收机时，光开关闭合，马赫曾德尔调制器1输出的CS-DSB调制光进入本模块，作为激光雷达接收机参考光。光学天线作为激光雷达与数字光通信接收机天线，从自由空间中捕获激光雷达回波或光通信信号。第三光放大器补偿自由空间传输过程中光功率损耗。当光开关开路，Eref(t)不进入模块，第三光电探测器不工作，式(6)所述数字已调光在第四光电探测器进行功率检波，得到光通信解码Idemod(t)：
其中A表示光电探测器受到输入光照射，存在输出功率。当光开关闭合，参考光Eref(t)与回波光Eecho(t")进入定向耦合器，其传输矩阵为：
其中Eecho(t")为光回波，t"＝t+△t"，Δt”为发射光延时。第三光电探测器与第四光电探测器组成平衡探测结构，以(14)为输入时第三、第四光电探测器的光电流I3(t)，I4(t)为：
即输入光参考信号与输入光回波信号的混频结果，忽略上式中恒定系数，获得激光雷达去斜中频输出结果ILi-IF(t)：
ILi-IF(t)＝cos(2π(k△t")t) (16)
实现激光雷达接收机功能。
至此，结合图2及具体实施，本发明一种基于片上模数信号微波光子调控的光子信息系统架构，实现了微波光子雷达与激光雷达的共链路，实现了雷达与数字光通信系统的时分复用，构建了片上多功能一体化光子信息系统。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，其特征在于，微波光子雷达与激光雷达的共链路，实现了雷达与数字光通信系统的时分复用，构建了片上多功能一体化光子信息系统，包括：
微波光子信号调控模块、射频模拟信号发射模块、光模数信号发射模块、射频模拟信号接收模块、光模数信号接收模块，其中：
所述微波光子信号调控模块的输出连接到第一分束器，第一分束器的一个输出连接到第二分束器，另一个输出连接到第三分束器；第二分束器的输出分别连接到射频模拟信号发射模块、光模数信号发射模块；第三分束器的输出分别连接到射频模拟信号接收模块、光模数信号接收模块；各模块间通过光第一、二、三分束器互联，实现信息传递；
所述光模数信号接收模块包括：光开关，通过开路或闭合控制第一电光调制器的已调光能否进入本模块，当本模块作为数字光通信接收机时，光开关开路，第一电光调制器输出的OOK调制光无法进入本接收模块；当本模块作为调频连续波体制的激光雷达接收机时，光开关闭合，第一电光调制器输出的CS-DSB调制光经由第一分束器、第三分束器进入本模块，作为激光雷达接收机参考光；
第二光学天线，作为激光雷达与数字光通信接收机天线，从自由空间中捕获激光雷达回波或光通信信号；
第三光放大器，补偿自由空间传输过程中光功率损耗，提高接收机灵敏度；
合束器，与分束器为互易器件，可在不干扰输入信号的前提下将其耦合至同一光路；将光开关闭合时的光参考信号与雷达回波信号一并送入第三光电探测器，或在光开关开路时单独将数字光通信信号送入第三光电探测器；
第三光电探测器，本模块作为数字光通信接收机时，通过直接功率检波实现光解码，获得第一光电调制器的OOK调制解码，实现数字光通信接收机功能；本模块作为调频连续波体制激光雷达接收机时，对参考光信号与激光雷达回波信号进行混频，获得激光雷达去斜中频输出结果，实现激光雷达接收机功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，其特征在于，所述微波光子信号调控模块包括：连续波激光器，用于激射偏振态为TE模式、频率为ωo的连续波激光，作为贯穿整个系统的能量与信息载体；
第一电光调制器，用于将外部待调控的模拟或数字信号调制到光载波上，将信息转移至光域，供后续调控与处理；
第一光放大器，补偿电光调制损耗并将模块输出光功率提升至足够水平，作为后续四个模块对信号调控与处理的能量基础。
3.根据权利要求1所述的一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，其特征在于，所述射频模拟信号发射模块包括：
第一光电探测器，实现微波光子雷达发射机二倍频信号产生功能；合理配置前述第一电光调制器参数，将射频模拟信号通过载波抑制的双边带调制(CS-DSB)调制到光域上；经过第一分束器与第二分束器到达第一光电探测进行倍频，双边带倍频后获得原始射频模拟信号的二倍频，实现了线性调频信号时间带宽积的倍增；
第一射频天线，上述二倍频信号经由该天线辐射至自由空间，实现微波光子雷达发射机功能。
4.根据权利要求1所述的一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，其特征在于，所述光模数信号发射模块包括：第二光放大器，补偿链路中传输与耦合损耗，提高发射光功率，保证信号传输、探测距离；第一光学天线，将由第一电光调制器通过CS-DSB调制获得的调频连续已调光或通过开关键控调制(OOK)获得的数字调制光辐射至特定方向，实现激光雷达发射机或数字光通信发射机功能。
5.根据权利要求1所述的一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，其特征在于，所述射频模拟信号接收模块包括：第二射频天线，作为微波光子雷达接收机天线，从自由空间中捕获雷达回波信号；第二电光调制器，自第一分束器与第三分束器引入原始射频模拟信号的CS-DSB已调光作为接收机参考光信号；第二射频天线引入的二倍频雷达回波在电光调制过程中分别以参考光负边带、正边带为载波，等效实现第一次去斜过程，在对应正边带、负边带的光谱位置获得原始线性调频信号的回波延时状态；
光滤波器，选出光谱正边带位置的原始CS-DSB信号正边带与第一次去斜结果，或选出光谱负边带位置原始CS-DSB信号负边带与第一次去斜结果；
第二光电探测器，将光滤波器选出的原始CS-DSB信号边带及其通过第一次去斜获得的延时备份进行混频，实现第二次去斜，获得去斜体制微波光子雷达的中频输出结果，实现微波光子雷达去斜接收机功能。
6.根据权利要求1所述的一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，其特征在于，
所述系统使用异质集成技术，各有源器件与无源器件以及各模块间采用片上波导耦合技术。
7.根据权利要求1所述的一种基于片上模数信号的微波光子调控系统，其特征在于，所述系统搭载的射频模拟信号为线性调频信号。
8.一种利用权利要求1-7之一的系统的基于片上模数信号的微波光子调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
微波光子信号调控模块通过连续波激光器提供频率为ω0的稳定光载波，从前端解理面经由光纤耦合传输至第一电光调制器，作为整个系统运行的基础信息载体；待调控的模拟或数字信号由外部提供，通过第一电光调制器搭载至光载波上，使信息迁移至光域，再经光纤耦合传输至半导体光放大器；半导体光放大器提供片上高光增益，补偿第一电光调制器调制损耗，将光功率放大后，通过片上波导，经两级分束器将光载信息发放至后续模块；
载波频率为ωo的光载模拟信号由第二分束器通过片上波导入射到射频模拟信号发射模块，通过设置第一电光调制器参数，通过光电探测器实现光电信息转换，直接获取纯净的二倍频射频模拟信号，经由射频天线以倍增的时间带宽积发射射频模拟信号，作为微波光子雷达发射机，提供更高的发射性能；
载波频率为ωo的光载模数信号由第二分束器通过光纤耦合入射在光模数信号发射模块，半导体光放大器补偿前述传输与耦合功率损耗，保证发射后的作用距离；通过光学天线，将模拟或数字调制光直接辐射至自由空间中，对空间中特定位置发射模拟调制光作为激光雷达探测信号，发射数字调制光作为点对点数字光通信信源信号；
载波频率为ωo的原始光载模拟信号由第三分束器通过片上波导耦合到射频模拟信号接收模块，进入第二电光调制器，作为微波光子雷达接收机的参考光信号；微波光子雷达回波信号通过射频天线进入该模块，第二电光调制器将回波信号信息转移到光载波上，用于与原始光载模拟信号暨光参考信号混频；回波信号与参考光信号经由片上光滤波器滤除高次谐波与冗余边带，在光电探测器进行混频，获得微波光子雷达接收机中频输出信号，通过处理得到测量成像结果；
激光雷达回波信号或数字光通信信号经由光学天线进入光模数信号接收模块，通过光放大器补偿空间中传输的功率损耗；载波频率为ωo的原始光载模拟信号，经由片上波导耦合进入光开关，依据接收模块功能选择是否参与光回波接收：当该接收模块接收数字光通信信号时，光开关开路，原始已调光不进入接收模块，接收光经合束器直接进入光电探测器，通过检功率获得数字通信光解码输出，通过处理得到通信解码结果；当该接收模块接收激光雷达回波信号时，光开关闭合，原始已调光作为光参考信号进入接收模块，与回波光经合束器一并进入光电探测器进行混频，获得激光雷达接收机中频输出信号，通过适当处理算法得到测量成像结果。
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