CN116232401A - 一种基于光模分复用技术的多波束形成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，包括信号延时单元、信号调理单元、模式复用单元和信号发送单元四个部分。本发明利用少模光信号多种空间模式同时传输独立信息流的特点，有效减少了多波束形成系统的器件数量、成本，体积和复杂度，也为未来更多波束数量的多波束形成系统提供了可行的解决方案。同时通过偏振控制，功率控制等手段有效减少了模分复用过程中引入的误差对波束质量的影响，保证了该系统在不同应用场景下的性能与稳定性。

Description

一种基于光模分复用技术的多波束形成系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于光模分复用技术的多波束形成系统。

背景技术

相控阵天线以其大孔径、高功率和波束电子扫描的特性极大地提高了雷达的探测性能。但是传统电控相相控阵天线受限于移相器的技术缺陷，在宽带、宽角应用情况下会面临“孔径效应”和“孔径渡越时间”的限制，制约了相控阵天线的应用范围，因此基于光真时延迟技术的光控相控阵天线成为了该领域的主流技术发展方向。目前光真时延迟技术主要致力于得到更高的延时精度和尽可能连续可调的时延范围，光控相控阵波束要求扫描范围大，尽可能覆盖全部可探测区域。这就对微波光子波束形成系统提出更高的要求，多波束网络设计也应运而生。

目前国内外多波束形成大多采用波分复用实现，这种方法需要将信号调制到不同的波长上，由于调制器的调制效果与波长有关，导致调制后的信号幅度相位各不相同，从而影响波束质量，且随着无线通信技术的快速发展以及人们生活水平的不断提高，接入无线通信网络的用户数量也在急剧增加，传统基于波分复用技术的多波束形成系统所提供的波束数量已无法完全覆盖所有用户，传统多波束形成系统急需扩容，模分复用作为一种新型的复用方式，利用其多种空间模式同时传输独立信息流的特点，可以实现多波束形成系统波束数量方面的突破。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，克服传统多波束形成方案所提供的波束数量不足的问题。同时，该系统利用多个光子灯笼来复用多路信号，从而大大减少了天线以及光电探测器的数量，有效降低了系统的成本，体积。

为了达到上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，包括：信号延时单元、信号调理单元、模式复用单元和信号发送单元；

所述信号延时单元通过对分束器输出的光信号做等间隔延时来确保发射的波束有固定的指向角度，延时量根据所需波束指向角计算得出，通过接入高精度光纤延迟线来实现延时；经过延时处理的输入光信号注入到信号调理单元，对光信号功率进行补偿，保证各路信号的功率相同，从而确保多个波束同幅等宽；

所述信号调理单元输出的单模光信号通过特定的复用方式进入模式复用单元，通过偏振控制器调整输入光信号的偏振态，保证各路信号功率相等且稳定，随后注入光子灯笼通过模式复用将多路单模光信号复用为少模光信号；

所述模式复用单元输出的少模光信号进入信号发送单元，由少模光电探测器进行光电转换，转换后生成的电信号输入天线，由天线将电信号转化为电磁波并发射到空气中，同时由于信号延时单元对信号加载的不同延时，导致拥有不同延时的信号产生的电磁波在空间中传播的距离不同，从而实现拥有固定指向角的波束。

优选的，所述信号延时单元由高精度的光纤延迟线组成；高精度的延迟线消除延时误差，保证波束指向角的精确度；输入光信号经分束器分束后进入信号延时单元，分别与不同长度的光纤延迟线相连接，光信号通过一定长度的光纤会获得延时，光纤延迟线的长度根据期望的波束指向角计算得出，多路光纤延迟线的长度按等间隔分布，从而让多路信号获得等间隔的时延，进而保证形成的波束指向特定的角度。

优选的，所述信号调理单元由额定输出功率的光放大器组成；信号延时单元输出的多路光信号由于经过了不同长度的光纤延迟线，导致其功率衰减值各不相同，进而导致各路光信号的输出功率不同，不同功率的信号混合形成的波束会偏离期望角度，不同延时组合的光信号功率不同还会导致各个波束的幅度和宽度不同；将光信号注入到额定输出功率的光放大器中，由光放大器动态调整其功率值，让各路光信号的功率值始终保持相同，消除了功率误差对波束质量的影响，从而让波束指向角更加接近期望角度，并且保证多个波束同幅等宽，提高多波束形成系统的稳定性。

优选的，所述模式复用单元由偏振控制器和模式复用器组成；由于本系统要同时形成多个波束，每个波束又需要多路等间隔延时的信号才能形成，如果每路光信号都先使用光电探测器转化为电信号，再用天线将电信号转化为电磁波发射出去的话，整个系统的成本，体积和复杂度都会成倍上升；所以本系统使用光子灯笼作为模式服用器，将多路单模光信号复用为单路少模光信号，再利用少模光电探测器来接收少模光信号，从而大幅减少系统的器件数量以及成本。信号调理单元输出的单模光信号，按其延时量的不同注入不同的光子灯笼，延时量为n△t的信号进入第n个光子灯笼；

优选的，所述单模光信号在进入光子灯笼前需要先将光信号注入偏振控制器，通过调整偏振控制器来确保光信号拥有较大且稳定的功率，且保证各路光信号的功率相同，从而提高所形成波束的质量；偏振控制器输出的光信号进入光子灯笼，光子灯笼将多路单模光信号复用为少模光信号，注入到少模光纤中；少模光信号中的每个模式都携带不同的延时，减少了大量器件的同时可以获得等效的多波束形成效果；通过上述操作克服不同的运行环境会影响光信号的偏振态，进而影响光信号的功率已经模式转换效率；

优选的，所述信号发送单元由少模光电探测器和天线组成；模式复用单元输出的少模光信号需要用少模探测器来接收，将光子灯笼的少模光纤尾纤接入少模光电探测器，少模光电探测器将少模光信号转化为电信号，电信号注入到天线中，经由天线将调制在电信号中的射频信号转化为电磁波，发射到空气中；由于每路信号所携带的延时量不同，其形成的电磁波在空气中传播不同的距离后汇聚在一起，形成拥有最大指向角的波束。

本发明的有益效果是：

本发明利用光模分复用的技术实现多波束形成，在有效降低整体系统的复杂度和成本的情况下，也能达到等效的多波束形成效果。

本发明利用光模分复用的技术实现多波束形成，同时采用幅度控制，偏振控制等等手段降低模分复用和硬件条件产生的误差对波束质量的影响。该系统实现了在降低成本的同时，增加了系统的稳定性，为未来更大规模的多波束形成系统提供了可行的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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是本发明的多波束形成系统结构示意图；

图2是本发明的波束指向偏斜随光子灯笼串扰变化曲线；

图3和图4是本发明的多波束形成的效果图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1为本发明提出的多波束形成系统示意图。该系统包括：信号延时单元、信号调理单元、模式复用单元和信号发送单元。

输入光信号首先进入分束器，由分束器将其分为多路光信号，所分的路数与天线数量相等，分束的数量越多，波束幅度越大，波束的指向角也越精确。如果分束的数量过少，则无法形成有着清晰指向的波束，分束的数量过多，则又会显著增加设备的成本和复杂度。分束后的多路光信号进入信号延时单元，每路信号进入不同长度的高精度光线延迟线，利用光信号在光纤中传输距离的不同来实现不同的延时。多路信号间的延时如图1所示，应为等间隔延时，延时间隔则由所需的波束指向角计算得出，每一种延时间隔对应一个波束。

光信号在光纤中传输时会发生功率的衰减，传输距离越长，功率衰减越多，信号延时单元中的光信号通过了不同长度的光纤，其功率衰减的程度不同，对于产生同一波束的多路信号来说，如果各路信号功率不同，其混合产生的波束的指向角会发生偏斜。对于产生不同波束的多路信号来说，如果各路信号不同，其产生的波束的幅度和宽度也各不相同。所以经信号延时单元处理后的光信号需注入信号调理单元进行功率调整，将其注入到额定输出功率的光放大器中，由光放大器动态调整其功率值，让各路光信号的功率值始终保持相同，消除了功率误差对波束质量的影响，从而让波束指向角更加接近期望角度，并且保证多个波束同幅等宽，提高多波束形成系统的稳定性。

信号调理单元输出的光信号以及携带了相应的延时，经过光电探测器转化为电信号后便可接入天线，在转化为电磁波发射出去。但在多波束形成系统中每个波束都需要多路信号形成，同时形成多个波束则会产生更多路的信号，每路信号都配置光电探测器和天线的话会使得系统成本，体积和复杂度成倍上升。本发明利用模分复用中多种空间模式同时传输独立信息流的特点，将多路单模光信号复用进少模光信号中，其中每个模式的光信号携带不同的延时，大幅减少了所需光电探测器和天线的数量。具体的复用方式如图1所示，延时量为n△t的信号进入第n个光子灯笼。为了进一步控制光信号的偏振态和功率，在模分复用之前加入了偏振控制器，偏振控制器采用全光纤偏振控制器，通过调整偏振控制器的多个线圈的角度来产生对光纤的应力，从而改变光信号的偏振态，使其获得更大的功率，同时也可以保证各路光信号的功率相同。偏振控制器输出的光信号进入光子灯笼，光子灯笼将多路单模光信号复用为少模光信号，注入到少模光纤中。

光子灯笼在在进行模分复用时其输入光的端口与输出光中的模式一一对应，但在进行复用时，输入端发送的单个模式承载的能量杯传输到其他模式，也即产生了模式串扰，由于各个模式间串扰强度的不同，输出的少模光信号中每个模式的功率也不同，从而导致所形成的波束指向角偏离期望的角度，其波束指向角偏斜的程度如图2所示，选取每个模式受到的最大的串扰强度，计算其形成的波束的指向角度与期望的波束指向角度的偏差。

模式复用单元输出的少模光信号进入信号发送单元，信号发送单元由少模光电探测器和天线组成。将光子灯笼的少模光纤尾纤接入少模光电探测器，少模光电探测器将少模光信号转化为电信号，电信号注入到天线中，经由天线将调制在电信号中的射频信号转化为电磁波，发射到空气中。由于每路信号所携带的延时量不同，导致信号中携带的射频信号发射出去的时间也不同，其形成的电磁波在空气中传播不同的距离后汇聚在一起，形成拥有最大指向角的波束。图3和图4分别为波束角度为[-45°，-15°，15°，45°]，[-30°，-10°，10°，30°]的多波束形成图。图中形成的四个波束的最大指向角与期望角度非常接近，说明本发明具有良好的多波束形成效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，其特征在于，包括：信号延时单元、信号调理单元、模式复用单元和信号发送单元；

所述信号延时单元通过对分束器输出的光信号做等间隔延时来确保发射的波束有固定的指向角度，延时量根据所需波束指向角计算得出，通过接入高精度光纤延迟线来实现延时；经过延时处理的输入光信号注入到信号调理单元，对光信号功率进行补偿，保证各路信号的功率相同，从而确保多个波束同幅等宽；

所述信号调理单元输出的单模光信号通过特定的复用方式进入模式复用单元，通过偏振控制器调整输入光信号的偏振态，保证各路信号功率相等且稳定，随后注入光子灯笼通过模式复用将多路单模光信号复用为少模光信号；

所述模式复用单元输出的少模光信号进入信号发送单元，由少模光电探测器进行光电转换，转换后生成的电信号输入天线，由天线将电信号转化为电磁波并发射到空气中，同时由于信号延时单元对信号加载的不同延时，导致拥有不同延时的信号产生的电磁波在空间中传播的距离不同，从而实现拥有固定指向角的波束。

2.根据权利要求1所述一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，其特征在于，所述信号延时单元由高精度的光纤延迟线组成；高精度的延迟线消除延时误差，保证波束指向角的精确度；输入光信号经分束器分束后进入信号延时单元，分别与不同长度的光纤延迟线相连接，光信号通过一定长度的光纤会获得延时，光纤延迟线的长度根据期望的波束指向角计算得出，多路光纤延迟线的长度按等间隔分布，从而让多路信号获得等间隔的时延，进而保证形成的波束指向特定的角度。

3.根据权利要求1所述一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，其特征在于，所述信号调理单元由额定输出功率的光放大器组成；信号延时单元输出的多路光信号由于经过了不同长度的光纤延迟线，导致其功率衰减值各不相同，进而导致各路光信号的输出功率不同，不同功率的信号混合形成的波束会偏离期望角度，不同延时组合的光信号功率不同还会导致各个波束的幅度和宽度不同；将光信号注入到额定输出功率的光放大器中，由光放大器动态调整其功率值，让各路光信号的功率值始终保持相同，消除了功率误差对波束质量的影响，从而让波束指向角更加接近期望角度，并且保证多个波束同幅等宽，提高多波束形成系统的稳定性。

4.根据权利要求1所述一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，其特征在于，所述模式复用单元由偏振控制器和模式复用器组成；使用光子灯笼作为模式服用器，将多路单模光信号复用为单路少模光信号，再利用少模光电探测器来接收少模光信号；信号调理单元输出的单模光信号，按其延时量的不同注入不同的光子灯笼，延时量为n△t的信号进入第n个光子灯笼。

5.根据权利要求4所述一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，其特征在于，所述单模光信号在进入光子灯笼前需要先将光信号注入偏振控制器，通过调整偏振控制器来确保光信号拥有较大且稳定的功率，且保证各路光信号的功率相同，提高所形成波束的质量；偏振控制器输出的光信号进入光子灯笼，光子灯笼将多路单模光信号复用为少模光信号，注入到少模光纤中；少模光信号中的每个模式都携带不同的延时。

6.根据权利要求1所述一种基于光模分复用技术的多波束形成系统，其特征在于，所述信号发送单元由少模光电探测器和天线组成；模式复用单元输出的少模光信号需要用少模探测器来接收，将光子灯笼的少模光纤尾纤接入少模光电探测器，少模光电探测器将少模光信号转化为电信号，电信号注入到天线中，经由天线将调制在电信号中的射频信号转化为电磁波，发射到空气中；由于每路信号所携带的延时量不同，其形成的电磁波在空气中传播不同的距离后汇聚在一起，形成拥有最大指向角的波束。

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