CN117176260A - 一种基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置及方法，包括：信号产生单元、分路器、发射波束调控单元、相控阵发射天线、相控阵接收天线、微波光子信道模拟单元阵列、控制单元、合路器阵列、信号接收单元。本发明将接收天线划分为多个接收子阵，微波光子信道模拟单元和接收子阵一一对应，针对子阵接收的泄漏干扰进行一体化消除。通过调整微波光子信道模拟单元中的幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列和相移调节单元阵列，实现泄漏干扰信道抵消路的构建，并使构建的参考信道与干扰信道具有延时匹配、幅度相同、相位反相的关系。与传统的射频域相控阵天线泄漏干扰消除方法相比，本发明降低了参考信道数的要求，降低了系统的复杂度，并且采用微波光子信道模拟单元具有工作频段范围宽、带宽大、干扰消除能力强的优势。
Description
技术领域
本发明属于相控阵天线技术领域，涉及一种基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置及方法。
背景技术
相控阵天线由多个天线单元以特定的排列规则组成，通过控制每个阵元发射信号的幅度和相位，实现波束赋形和波束扫描。相较于机械扫描阵列天线，相控阵天线具有波束指向灵活、实现无惯性快速扫描等优点，在新一代雷达、宽带无线通信等领域具有广泛的应用。全双工相控阵天线采用相同的载波频率同时进行信息的收发，可以有效提升频谱利用率，增加信道容量，满足更复杂场景下的探测、通信等应用需求，是新一代相控阵天线技术发展的方向。然而，由于全双工相控阵天线的发射阵元和接收阵元之间隔离度有限，发射信号不可避免的从发射阵元泄漏到接收阵元中，通常泄漏干扰的功率远大于接收的有用信号功率，使得有用信号被干扰信号淹没；另外，过高功率的泄漏干扰将会导致接收机中放大器的饱和甚至烧毁。因此，必须采取有效的措施消除泄漏干扰，保障相控阵天线系统的可靠运行。
在先技术[1](E.Everett,C.Shepard,L.Zhong,A.Sabharwal.Soft null:many-antenna full-duplex wireless via digital beamforming[J].IEEE Transactions onWireless Communications,2016,15(12):8077-8092.)中提出了一种在多阵元系统中实现全双工功能的泄漏干扰消除方法。该方法通过数字调控发射波束成形来减少泄漏干扰，在一定程度上防止接收机的饱和；然后，在接收机中以数字处理方式消除残留的泄漏干扰。然而在实际应用中，泄漏干扰的功率常常会大于有用信号功率，仅靠波束成形来减少泄漏干扰，仍会存在接收机饱和的问题，从而使得后续的数字域消除功能无法实施。
在先技术[2](时成哲，潘文生，邵士海，唐友喜，胡福.一种相控阵天线宽带自干扰射频域分段对消系统及方法[Z].CN202010841342,2023.)中，根据线性调频信号频率随时间变化的特性，对宽带线性调频信号的泄漏干扰进行时域分段，等效为在频域上划分为若干个窄带干扰，分别对每个时间段的干扰进行抑制，该方案在一定条件下可以实现对宽带线性调频干扰的抑制。然而在实际信号接收过程中，该方案依靠电域开关选通来达到快速且无时间间隔的时域划分是难以实现的；另外，该方案依赖于线性调频信号的时频关系对宽带信号分段，难以适用于其它调制格式的宽带信号，全双工相控阵天线的灵活性受限。
在先技术[3](W.S.Pan,Q.N.Zhang,P.Yao,X.J.Xia,C.Z Shi,C.X.Li,Y.F.Ye,P.Z.Cui,Y.Liu,Y.X.Tang.A digitally-assisted self-interference cancellationfor full-duplex phased array radar[C],2019IEEE International Symposium onSignal Processing and Information Technology,2019.)中提出了一种相控阵全双工收发器，该收发器将雷达探测和无线通信功能集成到单个设备中。通过部署相控阵天线的结构对称性，获得了一种简化的泄漏干扰消除架构，降低射频干扰抑制电路设计的复杂度。然而，此方案中仅考虑了多阵元发射、单阵元接收的工作场景，在多阵元发射、多阵元接收的工作场景下泄漏干扰消除系统的结构依旧复杂。另外电学器件的带宽和调节精度限制了该方案在大带宽泄漏干扰消除的能力。
在先技术[4](T.Shi,D.Liang,M.Han,Y.Chen.Photonics-based de-chirpingand leakage cancellation for frequency-modulated continuous-wave radar system[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2022,70(9):4252-4262.)中提出了一种基于光子学方法的调频连续波雷达泄漏干扰消除和去啁啾的方案，该方案利用一个双驱动马赫-曾德电光调制器来实现泄漏消除和回波信号去啁啾。然而，该方案的延时和幅度匹配在电域中调节实现，受到射频器件带宽和调节精度限制，难以在宽频段、大带宽条件下获得高的干扰消除性能。另外，该方案仅针对单发和单收的应用场景，难以解决相控阵天线的多阵元、多路径干扰问题。
发明内容
本发明提供了一种基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置及方法，有效解决背景技术中全双工相控阵天线的宽带、多路径泄漏干扰问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置，包括：信号产生单元、分路器、发射波束调控单元、相控阵发射天线、相控阵接收天线、微波光子信道模拟单元阵列、控制单元、合路器阵列、信号接收单元；
所述微波光子信道模拟单元阵列，根据接收天线子阵划分情况，每个微波光子信道模拟单元与接收子阵一一对应，针对接收子阵构建用于泄漏干扰消除的参考信道；参考信道与所对应接收子阵的泄漏干扰信道具有延时匹配、幅度相等和相位相反的关系；
所述微波光子信道模拟单元阵列中的微波光子信道模拟单元，由多波长光源、电光转换单元、波分解复用单元、幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列、相移调节单元阵列、波分复用单元、光电转换单元组成，经光纤或集成光波导依次连接；
所述信号产生单元、分路器、发射波束调控单元、相控阵发射天线，由电缆或者微带线依次连接；
所述信号产生单元，用于产生发射的微波信号，传输至分路器；
所述分路器，将信号产生单元产生的信号分路为两路，分别传输至发射波束调控单元和微波光子信道模拟单元阵列，作为发射信号和泄漏干扰消除的参考信号；
所述发射波束调控单元，由控制单元输出的控制信号调控每个阵元发射信号的幅度和相对相位，从而实现波束赋形、波束扫描等功能；
所述控制单元根据相控阵接收天线子阵的泄漏干扰信道响应，动态调节微波光子信道模拟单元阵列中微波光子信道模拟单元的幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列和相移调节单元阵列，生成匹配的多抽头参考信号；
所述合路器阵列的合路器包括两个输入端口和一个输出端口，输入端口分别接入相控阵接收天线子阵所接收的信号和经过微波光子信道模拟单元阵列中微波光子信道模拟单元生成的多抽头参考信号，输出端口连接至信号接收单元；
所述信号接收单元对接收信号进行采样量化，分析计算目标的参数信息，并将接收信号的指标参数反馈到控制单元，实现闭环的反馈控制；
所述多波长光源为多波长激光器阵列或光频梳光源等，用于产生具有波长间隔的多路光载波；
所述电光转换单元由电光调制器及驱动控制电路构成，将分路器输出的参考信号调制到多路光载波上，实现电光转换；
所述波分解复用单元为波分解复用器或多通道光滤波器，用于将多路光载波微波信号以波长为标签进行分离，分别传输至各个抽头，并依次经过幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列和相移调节单元阵列的各个子通道；
所述幅度调节单元阵列由M路可调光衰减器构成，具有对光载微波信号的幅度进行调节的功能；
所述光延时调节单元阵列由M路可调光延时线构成，具有对光载微波信号的延迟时间进行调节的功能；
所述移相单元阵列由M路可调微波光子移相器构成，具有对光载微波的相位进行调节的功能，使得微波光子信道模拟单元输出的参考信号与泄漏干扰信号反相；
所述波分复用单元为波分复用器或光耦合器，用于将多路光载微波信号进行合路，传输至光电转换单元；
所述光电转换单元，具有将多路光载微波信号转换为射频信号的功能。多路光载微波信号在光电转换单元中叠加，实现多抽头参考信道的构建。
一种基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置实现泄漏干扰消除的方法，步骤如下：
第一步，由信号产生单元产生发射信号，并通过分路器、发射波束调控单元将发射信号馈送到相控阵发射天线。利用控制单元控制发射波束调控单元，调节每个阵元发射信号的幅度和相对相位，实现波束发射方向调控。经相控阵发射天线发射出的高功率信号部分泄漏至相控阵接收天线，相控阵接收天线的接收信号包括泄漏干扰信号和目标回波信号。
第二步，将相控阵接收天线划分为多个子阵，以子阵来处理接收信号，消除泄漏干扰，恢复目标回波信号。
第三步，分路器输出的另一路信号进入微波光子信道模拟单元阵列。在第一微波光子信道模拟单元中，利用电光转换单元将参考信号调制到多波长光源输出的光载波上，实现电域到光域的转换，然后进入波分解复用单元；波分解复用单元按照波长为标签把多路光载微波信号分开，分别进入幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列和相移调节单元阵列的各个子通道；然后多路光载微波信号由波分复用单元合路，输出至光电转换单元完成光电转换。第二微波光子信道模拟单元、第三微波光子信道模拟单元、…、第N微波光子信道模拟单元中的结构及功能与第一个微波光子信道模拟单元相同。
第四步，根据子阵接收信号的情况，控制单元动态控制第一个微波光子信道模拟单元中的幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列和相移调节单元阵列，使经过第一微波光子信道模拟单元输出的多抽头参考信号与接收子阵接收的多路径泄漏干扰信号之间满足延时匹配、幅度相等和相位相反的关系；
由第二微波光子信道模拟单元、第三微波光子信道模拟单元、……、第N微波光子信道模拟单元输出的多抽头参考信号，分别与对应的接收天线各个子阵接收的信号进行合路。通过控制单元控制各个微波光子信道模拟单元输出的多抽头参考信号的延时、幅度和相位，使多抽头参考信号与各个子阵接收的多路径泄漏干扰信号之间满足相干相消的匹配条件。
第五步，在合路器阵列的各个合路器中，各多抽头参考信号实现对各子阵接收的泄漏干扰信号的抵消，有用信号被恢复出来，并由信号接收单元进行处理和分析，得到被测目标的参数信息，完成目标的探测功能。
本发明的有益效果是：
(1)将相控阵接收天线划分为多个子阵，针对子阵接收的泄漏干扰进行一体化消除，有效降低了参考信道数量的需求，简化了泄漏干扰消除系统的复杂度。
(2)采用微波光子方法构建多抽头参考信道，在光域内调控参考信号的延时、幅度和相位，具有工作频段范围宽、带宽大、调控精度高的优势。
附图说明
图1是本发明基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置结构图。
图2是微波光子信道模拟单元结构示意图。
图3是相控阵发射天线和接收天线阵元分布及接收子阵划分示意图。
图4是3抽头微波光子信道模拟单元进行泄漏干扰消除前后的频谱图。
图5是4抽头微波光子信道模拟单元进行泄漏干扰消除前后的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置，包括：信号产生单元、分路器、发射波束调控单元、相控阵发射天线、相控阵接收天线、微波光子信道模拟单元阵列、控制单元、合路器阵列、信号接收单元；
根据接收天线子阵划分情况，各个微波光子信道模拟单元与接收子阵一一对应，针对接收子阵构建泄漏干扰消除的参考信道；
微波光子信道模拟单元阵列中的微波光子信道模拟单元，由多波长光源、电光转换单元、波分解复用单元、幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列、相移调节单元阵列、波分复用单元、光电转换单元组成，经光纤或集成光波导依次连接；
控制单元根据相控阵接收天线子阵的泄漏干扰信道响应，动态调节微波光子信道模拟单元阵列中各个微波光子信道模拟单元的幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列和相移调节单元阵列，生成匹配的多抽头参考信道。
合路器阵列的合路器包括两个输入端口和一个输出端口，输入端口分别接入相控阵接收天线子阵所接收的信号和经过微波光子信道模拟单元阵列中微波光子信道模拟单元生成的匹配的多抽头参考信号，子阵接收信号包含多路径泄漏干扰信号与目标回波信号。在合路器各多抽头参考信号与各子阵接收的多路径泄漏干扰信号相互抵消，输出的目标回波信号传输至信号接收单元。信号接收单元对接收信号进行采样量化，分析计算目标的参数信息，并将接收信号的指标参数反馈到控制单元，实现闭环的反馈控制。
实施例
以4×4阵元发射、4×4阵元接收的相控阵天线为例。如图3所示，发射天线阵列和接收天线阵列在空间中并列摆放，相控阵天线工作在X波段，中心频率为9.5GHz、带宽为1GHz，天线阵元间距为1.58cm，发射阵列波束指向的方位角为20°、俯仰角为30°。将4×4接收阵元划分为4个2×2接收子阵，以接收子阵1为例来说明泄漏干扰消除的实施过程。
信号产生单元产生的信号s(t)经分路器后分别作为发射信号和参考信号。发射波束调控单元根据波束指向调整每个发射阵元发射信号的幅度和相对相位，以实现波束形成和波束扫描。接收子阵中的每个阵元均接收到发射阵列天线的发射信号，即每个接收阵元接收16路的泄漏信号，因此接收子阵的泄漏干扰信号具有64条传输路径。由于发射天线阵元的空间位置不同，每条传输路径具有不同的传播延时和幅度衰减。将子阵接收的泄漏信号合路，得到子阵接收的泄漏干扰信号x(t)，即将四个阵元接收的干扰信号合为一路综合干扰信号。子阵接收的泄漏干扰信号为
其中m表示接收子阵中的第m个阵元；n表示发射天线中第n个发射阵元；αm,n表示第n个发射阵元到接收子阵中第m个阵元传输路径的传输衰减；τm,n表示第n个发射阵元到接收子阵中第m个阵元传输路径的传输延时；βn表示在信号发射时第n个发射阵元的幅度增益；表示在信号发射时第n个发射阵元的附加相移；h(t)为接收子阵的泄漏干扰信道的脉冲响应。接收子阵的泄漏干扰信道响应的频域形式为：
其中FFT表示傅里叶变换。控制单元利用优化算法调整微波光子信道模拟单元中幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列和移相调节单元阵列，构建对应接收子阵的微波光子信道模拟单元的信道响应H′(f)，其脉冲响应为
h′(t)＝IFFT[H′(f)] (3)
在理想情况下，H(f)与H′(f)具有相同的幅度响应和相反的相位响应，因此
h(t)＝-h′(t) (4)
参考信号s(t)经微波光子信道模拟单元后，生成多抽头参考信号r(t)
r(t)＝s(t)*h′(t)＝-s(t)*h(t) (5)
在合路器中，参考信号和泄漏干扰信号相叠加，对比公式(1)和(5)可以得出
r(t)+x(t)＝0 (6)
可以看出，参考信号和泄漏干扰信号相抵消，有用目标信号被恢复出来。
微波光子信道模拟单元分别采用3抽头和4抽头微波光子链路组成，即幅度调节单元阵列、光延时调节单元阵列、相移调节单元阵列中的M分别为3和4。干扰消除深度用泄漏干扰信号消除前后的带内功率之比来表示。当微波光子信道模拟单元抽头数量为3时，如图4所示，实现了28dB的泄漏干扰消除深度。当微波光子信道模拟单元抽头数量为4时，如图5所示，实现了36dB的泄漏干扰消除深度。
接收子阵2、接收子阵3和接收子阵4，按照上述类似的过程进行处理，4个合路器的输出信号输入至信号接收单元。信号接收单元对信号进行处理分析，得到目标的参数信息，完成目标的探测。
Claims (2)
1.一种基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置，其特征在于，所述的相控阵天线泄漏干扰消除装置包括：信号产生单元(1)、分路器(2)、发射波束调控单元(3)、相控阵发射天线(4)、相控阵接收天线(5)、微波光子信道模拟单元阵列(6)、控制单元(7)、合路器阵列(8)和信号接收单元(9)；
所述信号产生单元(1)、分路器(2)、发射波束调控单元(3)、相控阵发射天线(4)，由电缆或者微带线依次连接；
所述信号产生单元(1)，用于产生发射的微波信号，传输至分路器(2)；所述分路器(2)，将信号产生单元(1)产生的信号分路为两路，分别传输至发射波束调控单元(3)和微波光子信道模拟单元阵列(6)，作为发射信号和泄漏干扰消除的参考信号；
所述发射波束调控单元(3)，由控制单元(7)输出的控制信号调控每个阵元发射信号的幅度和相对相位，从而实现波束赋形、波束扫描等功能；
所述微波光子信道模拟单元阵列(6)，根据接收天线子阵划分情况，每个微波光子信道模拟单元与接收子阵一一对应，并针对接收子阵构建用于泄漏干扰消除的参考信道；参考信道与所对应接收子阵的泄漏干扰信道具有延时匹配、幅度相等和相位相反的关系；其中，微波光子信道模拟单元由多波长光源(10)、电光转换单元(11)、波分解复用单元(12)、幅度调节单元阵列(13)、光延时调节单元阵列(14)、相移调节单元阵列(15)、波分复用单元(16)和光电转换单元(17)组成，经光纤或集成光波导依次连接；
所述控制单元(7)根据相控阵接收天线子阵的泄漏干扰信道响应，动态调节微波光子信道模拟单元阵列(6)中微波光子信道模拟单元的幅度调节单元阵列(13)、光延时调节单元阵列(14)和相移调节单元阵列(15)，生成匹配的多抽头参考信号；
所述合路器阵列(8)的合路器包括两个输入端口和一个输出端口，输入端口分别接入相控阵接收天线子阵所接收的信号和经过微波光子信道模拟单元阵列(6)中微波光子信道模拟单元生成的多抽头参考信号，输出端口连接至信号接收单元(9)；
所述信号接收单元(9)对接收信号进行采样量化，分析计算探测目标的参数信息，并将接收信号的参数信息反馈到控制单元(7)，实现闭环的反馈控制；
所述多波长光源(10)为多波长激光器阵列或光频梳光源等，用于产生具有波长间隔的多路光载波；
所述电光转换单元(11)由电光调制器及驱动控制电路构成，将分路器(2)输出的参考信号调制到多路光载波上，实现电光转换；
所述波分解复用单元(12)为波分解复用器或多通道光滤波器，用于将多路光载微波信号以波长为标签进行分离，分别传输至各个抽头，并依次经过幅度调节单元阵列(13)、光延时调节单元阵列(14)和相移调节单元阵列(15)的各个子通道；所述幅度调节单元阵列(13)由M路可调光衰减器构成，具有对光载微波信号的幅度进行调节的功能；所述光延时调节单元阵列(14)由M路可调光延时线构成，具有对光载微波信号的延迟时间进行调节的功能；所述移相单元阵列(15)由M路可调微波光子移相器构成，具有对光载微波的相位进行调节的功能，使得微波光子信道模拟单元输出的参考信号与泄漏干扰信号反相；
所述波分复用单元(16)为波分复用器或光耦合器，用于将多路光载微波信号进行合路，传输至光电转换单元(17)；所述光电转换单元(17)，具有将多路光载微波信号转换为射频信号的功能。多路光载微波信号在光电转换单元(17)中叠加，实现多抽头参考信道的构建。
2.权利要求1所述的基于微波光子的相控阵天线泄漏干扰消除装置实现泄漏干扰消除的方法，其特征在于步骤如下：
第一步，由信号产生单元(1)产生发射信号，并通过分路器(2)、发射波束调控单元(3)将发射信号馈送到相控阵发射天线；利用控制单元(7)控制发射波束调控单元(3)，调节每个阵元发射信号的幅度和相对相位，实现波束发射方向调控；经相控阵发射天线发射出的高功率信号部分泄漏至相控阵接收天线，相控阵接收天线的接收信号包括泄漏干扰信号和目标回波信号；
第二步，将相控阵接收天线划分为多个子阵，以子阵来处理接收信号，消除泄漏干扰，恢复出目标回波信号；
第三步，分路器(2)输出的另一路信号进入微波光子信道模拟单元阵列(6)；第一微波光子信道模拟单元中，利用电光转换单元(11)将参考信号调制到多波长光源(10)输出的光载波上，实现电域到光域的转换，然后进入波分解复用单元(12)；波分解复用单元(12)按照波长为标签把多路光载微波信号分开，分别进入幅度调节单元阵列(13)、光延时调节单元阵列(14)和相移调节单元阵列(15)的各个子通道；然后多路光载微波信号由波分复用单元(16)合路，输出至光电转换单元(17)完成光电转换；第二微波光子信道模拟单元、第三微波光子信道模拟单元、……、第N微波光子信道模拟单元N中的结构及功能与第一微波光子信道模拟单元相同；
第四步，根据子阵接收信号的情况，控制单元(7)动态控制第一微波光子信道模拟单元中的幅度调节单元阵列(13)、光延时调节单元阵列(14)和相移调节单元阵列(15)，使经过第一微波光子信道模拟单元输出的多抽头参考信号与接收子阵接收的多路径泄漏干扰信号之间满足延时匹配、幅度相等和相位相反的关系；
由第二微波光子信道模拟单元、第三微波光子信道模拟单元、……、第N微波光子信道模拟单元输出的多抽头参考信号，分别与对应的接收天线各个子阵接收的信号进行合路；通过控制单元(7)控制各个微波光子信道模拟单元输出的多抽头参考信号的延时、幅度和相位，使多抽头参考信号与各个子阵接收的泄漏干扰信号之间满足相干相消的匹配条件；
第五步，在合路器阵列(8)的各个合路器中，各多抽头参考信号实现对各子阵接收的泄漏干扰信号的抵消，有用信号被恢复出来，并由信号接收单元(9)进行处理和分析，得到被测目标的参数信息，完成目标的探测功能。
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| CN117176260A true CN117176260A (zh) | 2023-12-05 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117176260A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117411497A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-01-16 | 中山大学 | 一种全双工相控阵列及其射频去耦网络 |
-
2023
- 2023-08-29 CN CN202311096232.7A patent/CN117176260A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117411497A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-01-16 | 中山大学 | 一种全双工相控阵列及其射频去耦网络 |
| CN117411497B (zh) * | 2023-12-13 | 2024-02-13 | 中山大学 | 一种全双工相控阵列及其射频去耦网络 |
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