CN114296033B - 一种光控接收波束形成方法及装置 - Google Patents

Abstract

在延时控制网络的各种实现方案中，基于微波光子学的光控射频波束形成以其突出的潜在优势而获得了各国研究人员的关注。通过电/光和光/电转换，光控射频波束形成网络可将宽带电信号的延时控制转移到光域完成，在充分发挥光子技术瞬时带宽大、重量轻、抗电磁干扰等优势的同时还可引入光域的额外时频资源用于延时控制。但是，现有的光控射频波束形成网络方案在应用于接收波束形成时需要为各个延时通道分配波长不同的光载波以避免信号叠加时光域干涉引起的信号波动。显然，对光波长资源的过度需求严重限制了光控射频波束形成网络在接收模式下的推广应用。本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种串联式光控接收射频波束形成方法和装置，可利用单路光载波实现线阵接收波束的叠加形成与扫描控制。

Description

一种光控接收波束形成方法及装置

技术领域

本发明涉及微波光子雷达技术，尤其涉及一种基于微波光子学的波束形成方法及装置。

背景技术

在阵列天线系统中，对阵列主瓣指向等辐射特性的重构可通过调节各阵元收发信号的幅度、相位和延时实现，这一技术即称为波束形成。经过数十年的发展，波束形成技术已广泛应用于雷达、无线通信等系统中。随着阵列天线系统所承载信号的相对带宽不断增加，传统基于移相的波束形成网络会出现孔径渡越和波束偏斜等问题，难以满足新一代先进微波射频系统的宽带宽角波束扫描需求。解决这一问题的根本方法是用延时网络替代移相网络。在延时控制网络的各种实现方案中，基于微波光子学的光控射频波束形成以其突出的潜在优势而获得了各国研究人员的关注。通过电/光和光/电转换，光控射频波束形成网络可将宽带电信号的延时控制转移到光域完成，在充分发挥光子技术瞬时带宽大、重量轻、抗电磁干扰等优势的同时还可引入光域的额外时频资源用于延时控制。但是，现有的光控射频波束形成网络方案在应用于接收波束形成时需要为各个延时通道分配波长不同的光载波以避免信号叠加时光域干涉引起的信号波动。显然，对光波长资源的过度需求严重限制了光控射频波束形成网络在接收模式下的推广应用。因此，有必要设计新型网络及相关装置，以满足天线阵在接收模式下的宽带宽角波瓣扫描需要。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种串联式光控接收射频波束形成方法和装置，可利用单路光载波实现线阵接收波束的叠加形成与扫描控制。方法的具体步骤为：

步骤1、以强度恒定的光信号作为第1个输入光信号，将天线阵列中第n个阵元接收到的信号s_n(t)延时τ_n后作用于强度为I_IN,n(t)的第n个输入光信号上，使第n个输出光信号的强度为I_OUT,n(t)＝[I_IN,n(t)+a_ns_n(t-τ_n)]；其中a_n为幅度系数，n＝1,2,…,N；

步骤2、将第n个输出光信号延时T_n后作为第(n+1)个输入光信号；

步骤3、将第N个输出光信号送入光电探测器中，得到各阵元接收到信号的延时叠加结果；

步骤4、通过改变T_n，实现接收波束主瓣的扫描控制。

进一步地，若N个阵元的位置坐标分别为x₁,x₂,…,x_N，而期望的目标主瓣方向与阵列法向间的夹角为θ，则τ_n、T_n与x_n之间的关系为其中c为电磁波的传播速度。

进一步地，所述第n个输入光信号经s_n(t)作用成为第n个输出光信号的过程具体如下：

步骤101、将第n个输入光信号分为两路，其中一路送入光电探测器，得到电信号1；另一路经饱和光放大成为强度恒定的光信号A，将其分成两路A1和A2。

步骤102、把s_n(t)调制于光信号A1上，将该已调光信号延时τn并经可控光衰减后送入另一光电探测器，得到电信号2。

步骤103、将电信号1和电信号2叠加，并利用叠加后的电信号调制光信号A2，得到的已调光信号作为第n个输出光信号。

进一步地，所述强度恒定的光信号具体通过如下方式获得：单频连续波激光器的输出，或经过光域带通滤波的光放大器自发辐射。

进一步地，所述改变T_n的方法具体如下：

步骤501、将第n个输出光信号送入第n个具有色散响应的光器件中，并以该光器件的输出作为第(n+1)个输入光信号；

步骤502、改变所述强度恒定的光信号的波长或波长范围，实现T_n的调节。

用于实现上述方法的光控接收波束形成装置，包括：

N个电光调制与叠加模块：用于将天线阵列中第n个阵元接收到的信号s_n(t)延时τ_n后作用于强度为I_IN,n(t)的第n个输入光信号上，使第n个输出光信号的强度为 I_OUT,n(t)＝[I_IN,n(t)+a_ns_n(t-τ_n)]；所述an为幅度系数，n＝1,2,…,N。

N－1个光域连接与延时模块：用于将第n个输出光信号延时T_n后作为第(n+1)个输入光信号。

光源模块：用于产生强度恒定的光信号作为第1个输入光信号。

光电探测与信号合成模块：用于将第N个输出光信号送入光电探测器中，以得到各阵元接收到信号的延时叠加结果。

波束控制模块：用于改变T_n，实现接收波束主瓣的扫描控制。

进一步地，若N个阵元的位置坐标分别为x₁,x₂,…,x_N，而期望的目标主瓣方向与阵列法相间的夹角为θ，则τ_n、T_n与x_n之间的关系为其中c为电磁波的传播速度。

进一步地，所述电光调制与叠加模块具体包括：

信号提取与载波再生模块：用于将第n个输入光信号分为两路，其中一路送入光电探测器，得到电信号1；另一路经饱和光放大成为强度恒定的光信号A，再经光功分器将其分成两路A1和A2。

光域信号延时模块：用于把s_n(t)调制于光信号A1上，将该已调光信号延时τ_n并经可控光衰减器后送入另一光电探测器，得到电信号2。

信号叠加与调制模块：用于将电信号1和电信号2叠加，在另一电光调制器中利用叠加后的电信号调制光信号A2，得到的已调光信号作为第n个输出光信号。

进一步地，所述光源模块具体为：单频连续波激光器，或经过光域带通滤波的自发辐射光放大器。

进一步地，利用具有色散响应的光器件构成光域连接与延时模块，通过改变光源模块的输出光信号的波长或波长范围，实现T_n的调节。

本发明的有益效果在于：

1、仅需要单路光载波即可实现线阵接收波束的叠加形成与扫描控制，大幅降低了大规模阵列对光控波束形成系统所用光载波数量的需求。

2、串联式结构，有利于阵列规模的拓展。

3、相对于电域的延时控制网络，本发明利用微波光子技术，可显著增加瞬时带宽并降低延时损耗。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明实施例的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

针对现有技术的不足，本发明通过设计串联式的光控接收射频波束形成网络结构，通过对单路光载波的多次利用，实现阵列接收信号的光域延时控制与叠加，完成宽带宽角扫描。

具体而言，当应用于N阵元线阵时，本发明所提出的光控射频接收波束形成装置包括：N个电光调制与叠加模块：用于将天线阵列中第n个阵元接收到的信号s_n(t)延时τ_n后作用于强度为I_IN,n(t)的第n个输入光信号上，使第n个输出光信号的强度为 I_OUT,n(t)＝[I_IN,n(t)+a_ns_n(t-τ_n)]；所述a_n为幅度系数，n＝1,2,…,N；

(N－1)个光域连接与延时模块：用于将第n个输出光信号延时T_n后作为第(n+1)个输入光信号；所述n＝1,2,…,(N-1)；

光源模块：用于产生强度恒定的光信号作为第1个输入光信号

光电探测与信号合成模块：用于将第N个输出光信号送入光电探测器中，以得到各阵元接收到信号的延时叠加结果；

波束控制模块：用于改变T_n，实现接收波束主瓣的扫描控制；所述n＝1,2,…,(N-1)。

各模块的连接方式如附图1所示。在本发明所提出的光控射频波束形成装置中，若N个阵元的位置坐标分别为x₁,x₂,…,x_N，而期望的目标主瓣方向与阵列法相间的夹角为θ，则装置中τ_n、T_n与x_n等主要参数之间的关系应满足其中c为电磁波的传播速度。

附图2显示了光控射频波束形成装置的结构图。天线阵由N个沿直线排列的天线阵元构成，其第n个阵元的坐标为x_n，接收到的射频或微波信号为s_n(t)，n＝1,2,…,N。每个天线阵元后都接有一个电光调制与叠加模块，其结构亦在附图2中绘出。在第n个电光调制与叠加模块中，输入光信号I_IN,n(t)首先被分为两路，其中一路送入光电探测器中，得到电信号1，实现对输入光信号上所携带微波信号的提取；另一路被送入饱和光放大器中以得到强度恒定的光信号A，实现光载波的恢复。将恢复得到的光信号A分为两路A1和A2，这两路光载波将分别用于回波信号的固定光延时和叠加信号的光域承载。把对应天线阵元接收到的微波信号s_n(t)调制于光信号A1上，并利用光纤或集成光波导使已调光信号上有额外的时延τ_n。延时后的已调光信号经可控光衰减后送入另一光电探测器，得到电信号2。将电信号2与之前得到的电信号1叠加，并调制到光信号A2 上，即可完成前n个天线接收信号的叠加与光域承载，得到该电光调制与叠加模块的输出光信号：

I_OUT,n(t)＝[I_IN,n(t)+a_ns_n(t-τ_n)] (1)

其中a_n为由可控光衰减决定的幅度系数，可用于阵列的幅度加权。

现利用色散参数为D的光纤将N个电光调制与叠加模块顺次串接，并将可调谐连续波激光器的输出作为第1个电光调制与叠加模块的输入。记连接第n个和第(n+1)个电光调制与叠加模块的第n段光纤长为l_n，n＝1,2,…,(N-1)，则当激光器的输出光强为 I₀，光波长为(λ₀+Δλ)时，第n段光纤中的信号延时可表示为：

T_n＝l_n(DΔλ+t₀) (2)

其中t₀为光波长λ₀下单位长度光纤的延时。此时亦有

I_IN,n+1(t)＝I_OUT,n(t-T_n) (3)

联立(1)、(2)和(3)可得到第N个电光调制与叠加模块的输出光信号：

其中各阵元回波的总延时为：

为使阵列合成波束的主瓣方向与阵列法向间的夹角为θ，ΔT_n和ΔT_n-1之间的差值应满足

其中c为电磁波的传播速度。结合(5)和(6)，有：

令各段色散光纤的长度为l_n＝k(x_n-x_n-1)，其中k为常数，并设置各电光调制与叠加模块的延时参数使τ_n-τ_n-1＝-t₀k(x_n-x_n-1)，则改变Δλ即可实现对θ的控制，即有

θ＝arcsin(D△λc) (8)

这样，通过波束控制器根据(8)调节激光器的输出光波长，即可实现接收波束指向的控制。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光控接收波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、以强度恒定的光信号作为第1个输入光信号，将天线阵列中第n个阵元接收到的信号s_n(t)延时τ_n后作用于强度为I_IN,n(t)的第n个输入光信号上，使第n个输出光信号的强度为I_OUT,n(t)＝[I_IN,n(t)+a_ns_n(t-τ_n)]；其中a_n为幅度系数，n＝1,2,…,N；

步骤2、将第n个输出光信号延时T_n后作为第(n+1)个输入光信号；

步骤3、将第N个输出光信号送入光电探测器中，得到各阵元接收到信号的延时叠加结果；

步骤4、通过改变T_n，实现接收波束主瓣的扫描控制；

若N个阵元的位置坐标分别为x₁,x₂,…,x_N，而期望的目标主瓣方向与阵列法向间的夹角为θ，则τ_n、T_n与x_N之间的关系为其中c为电磁波的传播速度。

2.如权利要求1所述的光控接收波束形成方法，其特征在于：所述第n个输入光信号经s_n(t)作用成为第n个输出光信号的过程具体如下：

步骤101、将第n个输入光信号分为两路，其中一路送入光电探测器，得到电信号1；另一路经饱和光放大成为强度恒定的光信号A，将其分成两路A1和A2；

步骤102、把s_n(t)调制于光信号A1上，将该已调光信号延时τ_n并经可控光衰减后送入另一光电探测器，得到电信号2；

步骤103、将电信号1和电信号2叠加，并利用叠加后的电信号调制光信号A2，得到的已调光信号作为第n个输出光信号。

3.如权利要求1所述的光控接收波束形成方法，其特征在于：所述强度恒定的光信号具体通过如下方式获得：单频连续波激光器的输出，或经过光域带通滤波的光放大器自发辐射。

4.如权利要求1所述的光控接收波束形成方法，其特征在于：所述改变T_n的方法具体如下：

步骤501、将第n个输出光信号送入第n个具有色散响应的光器件中，并以该光器件的输出作为第(n+1)个输入光信号；

步骤502、改变所述强度恒定的光信号的波长或波长范围，实现T_n的调节。

5.一种用于实现如权利要求1-4任一项所述方法的光控接收波束形成装置，其特征在于：该装置包括：

N个电光调制与叠加模块：用于将天线阵列中第n个阵元接收到的信号s_n(t)延时τ_n后作用于强度为I_IN,n(t)的第n个输入光信号上，使第n个输出光信号的强度为I_OUT,n(t)＝[I_IN,n(t)+a_ns_n(t-τ_n)]；所述a_n为幅度系数，n＝1,2,…,N；

N－1个光域连接与延时模块：用于将第n个输出光信号延时T_n后作为第(n+1)个输入光信号；

光源模块：用于产生强度恒定的光信号作为第1个输入光信号；

光电探测与信号合成模块：用于将第N个输出光信号送入光电探测器中，以得到各阵元接收到信号的延时叠加结果；

波束控制模块：用于改变T_n，实现接收波束主瓣的扫描控制；

若N个阵元的位置坐标分别为x₁,x₂,…,x_N，而期望的目标主瓣方向与阵列法相间的夹角为θ，则τ_n、T_n与x_N之间的关系为其中c为电磁波的传播速度。

6.如权利要求5所述的波束形成装置，其特征在于：所述电光调制与叠加模块具体包括：

信号提取与载波再生模块：用于将第n个输入光信号分为两路，其中一路送入光电探测器，得到电信号1；另一路经饱和光放大成为强度恒定的光信号A，再经光功分器将其分成两路A1和A2；

光域信号延时模块：用于把s_n(t)调制于光信号A1上，将该已调光信号延时τ_n并经可控光衰减器后送入另一光电探测器，得到电信号2；

信号叠加与调制模块：用于将电信号1和电信号2叠加，在另一电光调制器中利用叠加后的电信号调制光信号A2，得到的已调光信号作为第n个输出光信号。

7.如权利要求5所述的波束形成装置，其特征在于：所述光源模块具体为：单频连续波激光器，或经过光域带通滤波的自发辐射光放大器。

8.如权利要求5所述的波束形成装置，其特征在于：利用具有色散响应的光器件构成光域连接与延时模块，通过改变光源模块的输出光信号的波长或波长范围，实现T_n的调节。