CN115493510B - 一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法,在雷达的技术领域中，雷达具有全天时全天候的优势，将雷达应用在卫星上，利用卫星不受地理与气候条件影响的优势，可以大范围进行探测，并能对目标进行准确探测，但在雷达结构上，因为雷达天线的体积过大，因此会使机械误差和温度形变的误差一同形成的尺度积累效应，因此，大口径天线会出现面精度难以保证的问题，不可避免的引入雷达系统插损增大和波束形变等问题，因此本发明提出了一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，利用光学干涉测量的高精度和高灵敏度优势，结合轻质化光纤光栅和分布式布局的形式特点，从而实现对大型雷达天线面型变化的原位测量。

Description

一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法

技术领域

本发明涉及微波雷达卫星的技术领域，尤其是涉及一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法。

背景技术

雷达探测具有全天时全天候的优势，将其应用于卫星平台，利用卫星不受地理与气候条件限制和大范围覆盖优势，对弱、小、慢的目标实施有效探测是当前星载雷达系统的重要技术方向之一，雷达探测效能取决于雷达自身威力与目标微波散射特性两方面，受目标特性的约束，必须增大雷达载荷规模以实现探测目的。

对于雷达卫星而言，在相同探测灵敏度要求下，卫星系统的功率需求与作用距离的平方呈正比，但天线尺寸需求与作用距离的一次方呈正比，因此增大天线口径是改善系统探测灵敏度、提高系统工作效能的最有效方法。然而，由于机械误差和温致形变的尺度积累效应，大口径天线面临型面精度难以保证，不可避免地引入雷达系统插损增大和波束形变等问题。因此，需要一种大型雷达天线面型变化的原位测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，充分利用光学干涉测量的高精度和高灵敏度优势，结合轻质化光纤光栅可分布式布局的特点，从而实现对大型雷达天线面型变化的原位测量。

为实现上述目的本发明提供一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，包括以下步骤：

S1：组装光源模块，组件有可调谐激光器（TL）、相位调制器（PM）、环行器、光电探测器（PD）、解调模块（DMM）和处于恒温结构的参考单元；

S2：将光源模块输出的光线输入到波分复用单元，等分为分路光信号；

S3：波分复用单元输出的分路光信号经过调理单元中的分束器分解为两路光信号输入调理单元中的光学检测环路（OTL），再由光学检测环路经过调制后输入到测量单元中；

S4：经过调制的光信号作为测量单元中的输入光，经天线型面形变耦合作用后形成携带有形变信息的信号光，信号光会被光纤布拉格光栅反射回到调理单元中的光学检测环路；

S5：调理单元中的光学检测回路会将返回来的信号光继续进行处理，形成检测输出信息（Output）；

S6：将多个测量单元中得到的检测输出信息做计算，得到雷达天线的型面变形量。

优选的，所述步骤S1中，光源模块的组件可调谐激光器发出的光经分束器分光，大部分光输出，小部分光进入相位调制器，经环行器输入到处于恒温结构的参考单元，参考单元返回的光信号经环行器输出到光电探测器转换成电信号，电信号经解调模块解调后，解调信号是可调谐激光器输出频率与参考单元中心反射频率的频差信号。

优选的，所述步骤S2中，波分复用的数量与调理单元的数量一致。

优选的，所述步骤S3中，光学检测环路的结构为输入光经过相位调制器调制，经环行器到测量单元。

优选的，所述步骤S5中，将光信号经过光电探测器转换为电学待检信号，电学待检信号经过解调模块解调为检测输出信息。

优选的，所述步骤S6中，计算方式是各个测量单元的输出与参考单元的输出偏差值的变化。

优选的，所述步骤S3中的测量单元为正交布局的敏感光栅。

优选的，多个测量单元通过表贴或预埋方式，均匀或非均匀的布局在雷达天线阵面。

因此，本发明采用上述的一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法中，通过将光纤布拉格光栅构成形变测量单元，通过但不限于表贴或预埋等方式，将多个测量单元以均匀或非均匀的方式布局在大型雷达天线阵面，通过多个不同点位的测量结果，利用点位二维矩阵式分布式测量方法实现对大型雷达天线阵面的型面变化进行原位测量。

本发明中，在测量单元中正交布局光纤布拉格光栅，利用几何变量在正交维度的矢量叠加特性，实现二维形变测量，将不同位置的测量单元所得到的测量结果汇总，根据测量单元之间的位置关系，通过线性、非线性插值的方法，从而实现对雷达天线的阵面型面进行精确评估。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明中基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方案示意图；

图2为本发明中光源模块内部结构的方案示意图；

图3为本发明中一个测量点的测量结构的示意图；

图4为本发明中在调理单元中的光学检测环路的结构示意图；

图5为本发明中形变信号检测实现机理示意图；

图6为本发明中光学检测环路中检测信号解调的曲线图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例

基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法的总图方案如图1所示，方案中本发明由光源模块、波分复用模块（1分为mn）和调理单元i（i=1、2…mn），以及分布式布局于雷达天线面板的测量单元i组成，一个调理单元对应一个测量单元。

先组装光源模块，光源模块的方案示意图如图2所示，使用可调谐激光器（TL）发出的光，先经过分束器分为不等的两部分，其中大部分光能量作为传感用光信号，经光源模块的输出端输出到传感光路，小部分光进入光源模块内的相位调制器（PM）形成调制光信号，调制光信号经环行器单向导引进入参考单元，经参考单元光栅反射形成携带有参考单元形变信息的信号光，信号光过经光源模块内的环行器单向导引进入光电检测器（PD），光电检测器将信号光转换为电学待检信号，电学待检信号再通过解调模块（DMM）进行解调，解调后形成可调谐激光器（TL）的输出频率与参考单元中心反射频率的频差信号，该频差信号作为反馈控制信号控制可调谐激光器（TL）输出频率与参考单元中心反射频率锁定。

在光源模块中，为了保证测量的绝对精度，会将参考单元放置于恒温结构中，从而保证参考单元中心频率的绝对稳定，由于可调谐激光器（TL）的输出频率与参考单元中心反射频率锁定，因此可调谐激光器（TL）的输出频率也是稳定的，在此前提下，各个测量单元的输出结果就是以参考单元为基准的形变测量结果。

一个测量点的测量结构的示意图如图3所示，每一个测量点均对应一个调理单元和一个测量单元，调理单元内包含一个光学分束器和两个光学检测环路（OTL），光源模块的输出光经过波分复用单元后输入到调理单元，经过分束器分光，两个光学检测环路（OTL）分别接收由分束器分得的光信号，经内部调制后形成调制光信号输入测量单元，同时接收从测量单元返回的信号光，经内部解调后形成测量点处两正交方向上的形变信息（Output_//，Output_⊥）。

测量单元内包括两个正交布局的光纤布拉格光栅分别接受来自光学检测环路（OTL）的调制光信号，光栅反射光强与入射光频率存在如下函数关系：

其中，ω为入射光角频率，q栅格内单折射率突变单元透过率，η为光栅强度透过率，也即谐振状态下光栅输出最大值。

当沿光栅的栅格方向发生伸缩形变时，对应方向的布拉格光栅的栅格间距发生变化，从而导致测量点的光栅反射中心频率发生频移，通过测量这一偏移量即可计算得到对应测量点发生的形变量，利用几何形变参数在正交维度上的独立性，将Output_//和Output_⊥矢量叠加得到测量点处的总形变量。

基于光学检测环路（OTL）进行的形变信号检测如图4所示，光源模块输出的光经过调理单元分束后，输入到光学检测环路（OTL），首先经过相位调制器（PM）形成调制光信号，调制光信号经环行器单行导引进入测量单元，经测量单元内的光栅反射形成携带有形变信息的信号光，信号光经光学检测环路（OTL）内的环形器单向导引进入光电探测器（PD）形成电学待检信号，电学待检信号被解调模块（DMM）解调后形成检测输出（Output）。

形变信号检测实现机理如图5所示，以正弦调制为例，光纤光栅反射频谱为周期性谐振曲线，单一峰值可视为频率的洛伦兹线型。当对入射光相位进行频率为ωmd的正弦调制时，对应入射光场可表示为

根据频率的相位微分特性，入射光频率也将发生频率为ω _md 的正弦变化，对应入射光频谱分布可表示为：

其中J _n (β)为n阶贝塞尔函数。

当正弦变化的入射光入射到光纤光栅中，经光栅反射的光场可表示为

对应光电探测器检测到的光强信号可表示为：

用与调频信号同频的解调信号进行解调，对应的解调结果为：

若入射光中心频率等于光栅反射频谱谐振频率，则光栅反射光强呈频率为2ωmd的周期变化，对应光电探测后的电信号仅包含2ωmd×n（n =0, 1, 2,……）频率的分量，此时用与调制信号同频的解调信号进行解调，解调输出为0。若入射光中心频率偏离光栅反射频谱谐振频率，也即光栅栅格长度L发生变化，则光栅反射光强呈频率为ωmd的周期变化，对应光电探测后的电信号包含ωmd×n（n =0, 1, 2,……）频率的分量，此时解调输出为信号一阶分量强度，其大小在光栅反射频谱中心区域一定氛围内与栅格长度变化量△L呈正比，对应解调曲线如图6所示。

本发明采用光学检测环路（OTL）实现形变量光学传感信号的检测，利用相位调制-解调检测方法将有用信号调制到高频区域，有效改善了检测信噪比，同时将距离变化量转换为光强信号幅度变化量，大幅提升检测灵敏度，最终实现百万分之一级相对形变的检测，可满足X、Ku、Ka甚至THz频段的天线型面高精度测量需求。

本发明中的光源模块利用恒温条件下的光纤布拉格光栅作为参考单元，利用光学锁频闭环反馈方法实现激光器频率相对参考单元中心反射频率的锁定。在此基础上，通过计算各测量单元输出与参考单元输出偏差值的变化，可得雷达天线测量点位置的型面形变量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：组装光源模块，组件有可调谐激光器、相位调制器、环行器、光电探测器、解调模块和处于恒温结构的参考单元，光源模块的组件可调谐激光器发出的光经分束器分光，大部分光输出，小部分光进入相位调制器，经环行器输入到处于恒温结构的参考单元，参考单元返回的光信号经环行器输出到光电探测器转换成电信号，电信号经解调模块解调后，解调信号是可调谐激光器输出频率与参考单元中心反射频率的频差信号；

S2：将光源模块输出的光线输入到波分复用单元，等分为分路光信号；

S3：波分复用单元输出的分路光信号经过调理单元中的分束器分解为两路光信号输入调理单元中的光学检测环路，再由光学检测环路经过调制后输入到测量单元中；

S4：经过调制的光信号作为测量单元中的输入光，经天线型面形变耦合作用后形成携带有形变信息的信号光，信号光会被光纤布拉格光栅反射回到调理单元中的光学检测环路；

S5：调理单元中的光学检测环路会将返回来的信号光继续进行处理，形成检测输出信息；

S6：将多个测量单元中得到的检测输出信息做计算，得到雷达天线的型面变形量。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，波分复用的数量与调理单元的数量一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，光学检测环路的结构为输入光经过相位调制器调制，经环行器到测量单元。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，其特征在于：所述步骤S5中，将光信号经过光电探测器转换为电学待检信号，电学待检信号经过解调模块解调为检测输出信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，其特征在于：所述步骤S6中，计算方式是各个测量单元的输出与参考单元的输出偏差值的变化。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，其特征在于：所述步骤S3中的测量单元为正交布局的敏感光栅。

7.根据权利要求6所述的一种基于分布式光纤布拉格光栅的雷达天线型面测量方法，其特征在于：多个测量单元通过表贴或预埋的方式，均匀或非均匀的布局在雷达天线阵面。

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