CN114710230A - 低杂散接收光控波束形成系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低杂散接收光控波束形成系统，涉及微波光子学技术领域。该系统包括：n个激光器模块和激光处理装置，将n个激光分为2组或4组。当分成2组时，各组的多个波长组合所产生的杂散光均不落在各组的光载波波段内；当分成4组时，使得每组的多个波长由多波混频效应产生的杂散干扰光都不在此多个波长内，且第一组和第二组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光与第三组和第四组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光数之和最低。本发明通过优化波长组合与空间分配，压制了系统内的非线性杂散干扰，降低整个光控相控阵系统的灵敏度阈值，提升探测距离和抗干扰性能。

Description

低杂散接收光控波束形成系统

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种低杂散接收光控波束形成系统。

背景技术

波束形成技术通过控制信号的幅度和相位形成空域滤波效果，在5G通信和相控阵雷达方面具有广泛的应用价值。随着5G技术的推广以及相控阵雷达频段的扩展，系统处理信号的带宽与频率的不断增加，为了适应系统性能的要求，电学系统逐渐变得复杂，为了提高电学器件的频率要求，对射频芯片的集成与封装技术提出了越来越严苛的考验，然而越来越大的系统带宽却使得电学系统越来越难以应付，而借助光学手段天然具有的大带宽的特性，可以较为容易的实现对应的功能，同时，低杂散接收光控波束形成系统也具有频段高、抗电磁干扰、重量轻的优势。

在当前的低杂散接收光控波束形成系统设计中，采用相干光束的波束形成系统结构庞大，控制复杂，成本高，而非相干光的方式的波束形成系统虽然结构相对简单，无需过多的控制，环境适应性好，但极少考虑到系统内的杂散信号产生，尤其是采取了非相干的方式后需要多个波长的光载波，而这些非相干的载波在光纤系统中传输时会由于非线性效应会产生很多不期待的杂散干扰，其中最为常见的即是波分复用系统中的不同波长的光在光纤中发生四波混频效应产生的杂散干扰，当一根光纤中利用的波长数目较多时，产生这种杂散的组合非常多，而且由于激光器波长的微弱漂移，使得杂散频率不固定，因此难以通过常规的手段去除它在系统内的干扰。在工程中常用的抑制四波混频效应的手段有降低光载波的功率、采用特殊设计的光纤、采用不等间隔的波长设计等。

然而上述手段在光控相控阵系统中都不适用，光控系统中降低光功率会使得系统性能大幅下降。因此，当前的光控相控阵系统中存在杂散干扰较多的技术问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种低杂散接收光控波束形成系统，解决了现有系统中杂散干扰较多的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种低杂散接收光控波束形成系统，包括：n个激光器模块和激光处理装置，所述n个激光器模块发射波长间隔相等的n个激光，将n个激光分为2组或4组，所述激光处理装置对2组或4组激光进行处理，输出不同的指向的波束；

其中：

当分成2组时，各组的多个波长组合所产生的杂散光均不落在各组的光载波波段内；

当分成4组时，使得每组的多个波长由多波混频效应产生的杂散干扰光都不在此多个波长内，且第一组和第二组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光与第三组和第四组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光数之和最低。

优选的，所述激光处理装置包括：与n个激光器模块依次相连的n个强度调制模块、2个波分复用单元、2个光纤分束器模块、2m个光环形器模块、m个平衡探测模块，以及连接在2m个光环形器模块的端口2的多通道色散延时网络模块；

所述强度调制模块射频输入端与相控阵天线前端的相连，用于将射频信号调制到所述n束不同波长激光上，得到多束调制激光；

所述波分复用单元用于将多束调制激光合成2束复合激光，

所述偏振复用器模块用于将两组波分复用后的光以相互偏振正交的方式复用到一起；

所述光纤分束器模块用于将所述经过波分复用单元后的2束复合激光分别分成m份，并将两个m份光输入到2m个光环形器模块的端口1；

所述光环形器模块的端口3与所述m个平衡探测模块相连；

其中，通过多通道色散延时网络模块的各个通道的延时使得m个平衡探测模块输出不同的指向的波束。

优选的，所述波分复用单元包括：

2个波分复用模块；或者，4个保偏波分复用模块和2个偏振分束模块；

当为2个波分复用模块时：

2个波分复用模块的共路端分别与2个光纤分束器模块的共路端相连；

当为4个保偏波分复用模块和2个偏振分束模块时：

第一保偏波分复用模块的共路端与第一偏振分束模块的端口1相连，第二保偏波分复用模块的共路端与第一偏振分束模块的端口2相连，第三保偏波分复用模块的共路端与第二偏振分束模块的端口1相连，第四保偏波分复用模块的共路端与第二偏振分束模块的端口2相连，2个偏振分束模块的端口c分别与2个光纤分束器模块的共路端相连。

优选的，所述强度调制模块包括马赫增德型强度调制器，通过偏压控制板使得n个马赫增德型强度调制器中的j个马赫增德型强度调制器个工作在正的正交工作点附近；n-j个马赫增德型强度调制器工作在负的正交工作点附近，n个马赫增德型强度调制器按照其输入光波长编号从小到大的顺序依次与相控阵天线的前端射频输出口相连接。

优选的，所述多通道色散延时网络模块包括：

色散光纤，或者啁啾光栅，或者波分复用器；

所述多通道色散延时网络模块将每个通道的输入的多波长的光按照波长的不同形成不同的延时，每个通道对相邻波长产生的延时差与相控阵天线的波束指向相匹配。

优选的，所述m个平衡探测模块的端口1与前m个光环形器模块的端口3相连，m个平衡探测模块的端口2与后m个光环形器模块的端口3，平衡探测模块的端口1为同相输入端，端口2为反相输入端，平衡探测模块将端口1与端口2的输入光信号转变为电信号。

优选的，所述偏振分束模块的端口1为P光输入端，端口2为S光输入端，从端口1和端口2的输入的光均从端口c输出，且从这两个端口输入的光从端口c输出后的偏振态相互垂直。

优选的，所述激光器模块包括外腔式半导体激光器或DFB激光器，其产生的激光波长在C波段标准ITU波长中等间隔选取。

优选的，所述n为16，将16个激光器模块产生波长间隔相等的16个激光，将16个激光分为4组，使得每组的4个波长由四波混频效应产生的杂散干扰都不在此四个波长内，且相邻的两组4个波长组合所产生的杂散落在整个光载波波段内的总数最少。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于效率系数的多粒度制造服务组合优化方法和系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明的一种低杂散接收光控波束形成系统，包括：n个激光器模块和激光处理装置，所述n个激光器模块发射波长间隔相等的n个激光，将n个激光分为2组或4组，所述激光处理装置对2组或4组激光进行处理，输出不同的指向的波束；当分成2组时，各组的多个波长组合所产生的杂散光均不落在各组的光载波波段内；当分成4组时，使得每组的多个波长由多波混频效应产生的杂散干扰光都不在此多个波长内，且第一组和第二组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光与第三组和第四组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光数之和最低。本发明通过优化波长组合与分配，压制了系统内的非线性杂散干扰，降低整个光控相控阵系统的灵敏度阈值，提升探测距离和抗干扰性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中低杂散接收光控波束形成系统的示意图。

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，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。

本申请实施例通过提供一种低杂散接收光控波束形成系统，解决了现有系统中杂散干扰较多的技术问题，实现提升光控相控阵系统的性能。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

在当前的低杂散接收光控波束形成系统设计中，采用相干光束的波束形成系统结构庞大，控制复杂，成本高，而非相干光的方式的波束形成系统虽然结构相对简单，无需过多的控制，环境适应性好，但极少考虑到系统内的杂散信号产生，尤其是采取了非相干的方式后需要多个波长的光载波，而这些非相干的载波在光纤系统中传输时会由于非线性效应会产生很多不期待的杂散干扰，其中最为常见的即是波分复用系统中的不同波长的光在光纤中发生四波混频效应产生的杂散干扰，当一根光纤中利用的波长数目较多时，产生这种杂散的组合非常多，而且由于激光器波长的微弱漂移，使得杂散频率不固定，因此难以通过常规的手段去除它在系统内的干扰，在工程中常用的抑制四波混频效应的手段有降低光载波的功率、采用特殊设计的光纤、采用不等间隔的波长设计等，然而这些手段在光控相控阵系统中都不适用，光控系统中降低光功率会使得系统性能大幅下降；当前采取特殊设计的光纤无法兼顾相控阵系统等延时间隔和低杂散的指标要求，且成本高昂，技术不成熟，且改善效果有限；光控相控阵系统中不等波长间隔的设计一方面会增加系统的复杂度，会与前端天线系统的天线间距不匹配或者需要在色散延时网络中采取非线性色散的设计，另一方面也没有足够多的波长资源来满足光控相控阵系统的多输入通道的要求，因此，当前存在的杂散干扰会使得整个光控相控阵系统的灵敏度阈值升高，探测距离下降、抗干扰性能降低。

本发明实施例通过采取优化波长组合与分配、偏振控制优化措施、以及采取不同波长双向传输措施，极大程度的压制了系统内的非线性杂散干扰，同时色散延时网络得到了复用，避免了采取多子阵设计中子阵间的相位抖动问题，不额外增加系统的复杂度，并通过平衡探测手段，抑制系统中的共模噪声，降低系统噪底，使得光控相控阵系统的性能得到了极大的提升，有很好的实用价值。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例的一种低杂散接收光控波束形成系统，其结构如图1所示，包括：n个激光器模块和激光处理装置，所述n个激光器模块发射波长间隔相等的n个激光，将n个激光分为2组或4组，所述激光处理装置对2组或4组激光进行处理，输出不同的指向的波束；

其中：

当分成2组时，相邻两组的多个波长组合所产生的杂散落在整个光载波波段内的总数最低；

当分成4组时，使得每组的多个波长由多波混频效应产生的杂散干扰光都不在此多个波长内，且第一组和第二组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光与第三组和第四组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光数之和最低。

本发明实施例通过优化波长组合与分配，压制了系统内的非线性杂散干扰，降低整个光控相控阵系统的灵敏度阈值，提升探测距离和抗干扰性能。

下面对本发明实施例的模块和装置进行详细描述：

如图1所示，激光器模块包括激光器模块A1～An。

激光处理装置包括：强度调制模块M1～Mn、保偏波分复用模块W1～W4(第一保偏波分复用模块W1，第二保偏波分复用模块W2，第三保偏波分复用模块W3，第四保偏波分复用模块W4)、偏振分束模块P1～P2(即第一偏振分束模块为P1，第二偏振分束模块为P2)、光纤分束器模块C1～C2、光环形器模块D1～D2m、多通道色散延时网络模块F和平衡探测模块E1～Em。

激光器模块A1～An的光分别进入强度调制模块M1～Mn中。强度调制器的输出端与保偏波分复用模块W1～W4对应的波长输入端相连，保偏波分复用模块W1的共路端与偏振分束模块P1的端口1相连，保偏波分复用模块W2的共路端与偏振分束模块P1的端口2相连，保偏波分复用模块W3的共路端与偏振分束模块P2的端口1相连，保偏波分复用模块W4的共路端与偏振分束模块P2的端口2相连，其中偏振分束模块的端口1为P光输入端，端口2为S光输入端，从端口1和端口2的光都会从端口c输出，但是从这两个端口输入的光从端口c输出后的偏振态会相互垂直。偏振分束器模块P1的端口c输出的光会进入光纤分束器模块C1的共路端，偏振分束器模块P2的端口c输出的光会进入光纤分束器模块C2的共路端，两个光纤分束器模块把输入光都分成n份，分别进入光环形器模块D1～D2m的端口1，光环形器模块D1～Dm的端口2依次与多通道色散延时网络模块F的1a～ma端口相连接，光环形器模块Dm+1～D2m的端口2依次与多通道色散延时网络模块F的1b～mb端口相连接，光环形器模块D1～Dm的端口3与平衡探测模块E1～Em的端口1相连，光环形器模块Dm+1～D2m的端口3与平衡探测模块E1～Em的端口2相连，通过配置多通道色散延时网络模块F的各个通道的延时使得平衡探测模块输出不同的指向的波束。

所述激光器模块A1～An为外腔式半导体激光器或DFB激光器，它们的波长在C波段标准ITU波长中选取，波长等间隔，能连续覆盖相邻的n个波长资源都可以，但A1～An的波长并不是按顺序排列，而是经过特殊组合，被分成2组或4组，当分为2组时，各组的多个波长组合所产生的杂散光均不落在各组的光载波波段内；当分为4组时，使得进入每个波分复用模块的波长组合产生的非线性杂散光边带都尽可能落在该波分复用模块的通道外，当通道数较多时将没有满足该条件的组合出现，可以采用使得A1～Aj的激光波长组合产生的落在选定的n个相邻的波长所覆盖的波段内的光边带的可能组合数与Aj+1～An的激光波长组合产生的落在选定的n个相邻的波长所覆盖的波段内的光边带的可能组合数之和尽量小的方式来进行分组，这样的方式也可以显著降低杂散出现的概率与数目，达到优化杂散的目的。当所用相控阵天线单元数目不多时，所涉及的波长组合可以通过计算机程序以遍历组合的方式算出来，以常见的16通道为例，可以将16个相邻的波长分为四组，每组4个波长，可使得每组的4个波长由四波混频效应产生的杂散干扰都不在此四个波长内，从而避免形成杂散干扰，而相邻的两组四个波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散总数最低的组合方式为最优，即A1～A8波长组合产生的落在A1～A16的波长内的杂散的数目与A9～A16波长组合产生的落在A1～A16的波长内的杂散的数目之和最小。

所述强度调制模块M1～Mn为马赫增德型强度调制器，可将加载到其上面的射频信号调制到光上，且通过偏压控制板使得M1～Mj工作在正的正交工作点附近。Mj+1～Mn工作在负的正交工作点附近，M1～Mn的射频输入端与相控阵天线前端的连接顺序按照其输入光波长编号从小到大的顺序依次与相控阵天线的前端射频输出口从左到右相连接。

所述保偏波分复用模块的工作波长与选定的激光器波长及设计的组合相匹配，且输入输出都为保偏光纤。

所述偏振分束模块的端口1为P光输入端，端口2为S光输入端，从端口1和端口2的光都会从端口c输出，但是从这两个端口输入的光从端口c输出后的偏振态会相互垂直。

所述光环形器模块的端口1输入的光会从端口2输出，端口2输入的光会从端口3输出。

所述多通道色散延时网络模块可以由色散光纤、光芯片、啁啾光栅或波分复用器等器件构成，其中ia与ib(i＝1……m)一起构成一个通道，它们既是光输入口也是光输出口，通道数量与所设计的相控阵天线所需要的波束数量相对应。该模块的作用是将每个通道的输入的多波长的光按照波长的不同形成不同的延时，每个通道对相邻波长产生的延时差与所设计的相控阵天线的波束指向相匹配。

所述平衡探测模块E1～Em可将1与端口2的输入光信号转变为电信号，端口1为同相输入端，端口2为反相输入端。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明实施例通过优化波长组合与分配，压制了系统内的非线性杂散干扰，降低整个光控相控阵系统的灵敏度阈值，提升探测距离和抗干扰性能。

2、本发明实施例不仅通过优化波长组合与分配，还采用偏振控制优化措施以及采取不同波长双向传输措施，极大程度的压制了系统内的非线性杂散干扰，同时色散延时网络得到了复用，避免了采取多子阵设计中子阵间的相位抖动问题，不额外增加系统的复杂度，并通过平衡探测手段，抑制系统中的共模噪声，降低系统噪底，使得光控相控阵系统的性能得到了极大的提升，有很好的实用价值。

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过程、方法、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过程、方法、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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，包括：n个激光器模块和激光处理装置，所述n个激光器模块发射波长间隔相等的n个激光，将n个激光分为2组或4组，所述激光处理装置对2组或4组激光进行处理，输出不同的指向的波束；

其中：

当分成2组时，各组的多个波长组合所产生的杂散光均不落在各组的光载波波段内；

当分成4组时，使得每组的多个波长由多波混频效应产生的杂散干扰光都不在此多个波长内，且第一组和第二组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光与第三组和第四组的波长组合所产生的落在整个光载波波段内的杂散光数之和最低。

2.如权利要求1所述的低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述激光处理装置包括：与n个激光器模块依次相连的n个强度调制模块、2个波分复用单元、2个光纤分束器模块、2m个光环形器模块、m个平衡探测模块，以及连接在2m个光环形器模块的端口2的多通道色散延时网络模块；

所述强度调制模块射频输入端与相控阵天线前端的相连，用于将射频信号调制到所述n束不同波长激光上，得到多束调制激光；

所述波分复用单元用于将多束调制激光合成2束复合激光，

所述偏振复用器模块用于将两组波分复用后的光以相互偏振正交的方式复用到一起；

所述光纤分束器模块用于将所述经过波分复用单元后的2束复合激光分别分成m份，并将两个m份光输入到2m个光环形器模块的端口1；

所述光环形器模块的端口3与所述m个平衡探测模块相连；

其中，通过多通道色散延时网络模块的各个通道的延时使得m个平衡探测模块输出不同的指向的波束。

3.如权利要求2所述的低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述波分复用单元包括：

2个波分复用模块；或者，4个保偏波分复用模块和2个偏振分束模块；

当为2个波分复用模块时：

2个波分复用模块的共路端分别与2个光纤分束器模块的共路端相连；

当为4个保偏波分复用模块和2个偏振分束模块时：

第一保偏波分复用模块的共路端与第一偏振分束模块的端口1相连，第二保偏波分复用模块的共路端与第一偏振分束模块的端口2相连，第三保偏波分复用模块的共路端与第二偏振分束模块的端口1相连，第四保偏波分复用模块的共路端与第二偏振分束模块的端口2相连，2个偏振分束模块的端口c分别与2个光纤分束器模块的共路端相连。

4.如权利要求2所述的低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述强度调制模块包括马赫增德型强度调制器，通过偏压控制板使得n个马赫增德型强度调制器中的j个马赫增德型强度调制器个工作在正的正交工作点附近；n-j个马赫增德型强度调制器工作在负的正交工作点附近，n个马赫增德型强度调制器按照其输入光波长编号从小到大的顺序依次与相控阵天线的前端射频输出口相连接。

5.如权利要求2所述的低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述多通道色散延时网络模块包括：

色散光纤，或者啁啾光栅，或者波分复用器；

所述多通道色散延时网络模块将每个通道的输入的多波长的光按照波长的不同形成不同的延时，每个通道对相邻波长产生的延时差与相控阵天线的波束指向相匹配。

6.根据权利要求2所述的低杂散的接收低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述m个平衡探测模块的端口1与前m个光环形器模块的端口3相连，m个平衡探测模块的端口2与后m个光环形器模块的端口3，平衡探测模块的端口1为同相输入端，端口2为反相输入端，平衡探测模块将端口1与端口2的输入光信号转变为电信号。

7.如权利要求3所述的低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述偏振分束模块的端口1为P光输入端，端口2为S光输入端，从端口1和端口2的输入的光均从端口c输出，且从这两个端口输入的光从端口c输出后的偏振态相互垂直。

8.如权利要求1～7任一所述的低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述激光器模块包括外腔式半导体激光器或DFB激光器，其产生的激光波长在C波段标准ITU波长中等间隔选取。

9.如权利要求1～7任一所述的低杂散接收光控波束形成系统，其特征在于，所述n为16，将16个激光器模块产生波长间隔相等的16个激光，将16个激光分为4组，使得每组的4个波长由四波混频效应产生的杂散干扰都不在此四个波长内，且相邻的两组4个波长组合所产生的杂散落在整个光载波波段内的总数最少。

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