CN117200898A - 一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法，属于相控阵天线和微波光子技术领域。该系统包括多路激光光源阵列模块、射频信号调制模块、多路光控波束调控模块和射频信号接收及处理模块。该方法首先产生N路中心波长不同的连续光载波信号，将外部接收的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上，然后调控N路可调光延时线和可调光衰减器，对光信号分别进行延时量调节和幅度均衡匹配，解调出射频信号，最后进行射频信号的来波方向判别以及接收，使天线接收到的射频信号获得最大功率接收。本发明可提高波束扫描来波方向判别水平，实现阵列天线射频信号的准确发射与接收，可促进光控相控阵天线的发展。

Description

一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法

技术领域

本发明属于相控阵天线和微波光子技术领域，具体涉及一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法。

背景技术

传统的机械式扫描天线，由于其机械传动结构扫描速度慢、惯性大，已无法满足高速反应、精确扫描的要求，逐渐被采用电子方法实现雷达波束空间扫描的相控阵天线所取代。

相控阵天线利用空间功率合成获得大的阵列增益，从而提高对目标的远距离探测，具有在宽角度范围内波束扫描和波束捷变的能力，在波束覆盖的大角度的空域内，实现对多个目标高数据率的搜索与跟踪，同时提高天线在严重杂波背景下和多种有源干扰环境中的抗杂波和抗干扰能力。相控阵天线无机械运动的转向、高的二维扫描灵活性、准确的波束指向，以及实现低的空间旁瓣所需的精密相位和幅度控制等优点使其有着极大的发展潜力。

使用微波移相器的传统相控阵天线在高频段、大瞬时带宽的需求面前存在电子瓶颈，会出现“孔径效应”，限制相控阵天线系统的信号功率和扫描角度范围，从而严重影响了天线系统的性能，因此基于光控波束形成网络的光学相控阵天线成为了该领域的主流技术发展方向。

同时来波方向判别是相控阵天线信号测量、分类和识别的重要内容，极大程度的影响相控阵天线的信号识别速度与精度，对雷达、导航、移动通信、救援等各种领域影响深远。

基于相位、幅度、频率、到达时间等信号参数，目前已经发展出了最大/最小幅度法、和/差方向图法、瓦特森瓦特来波方向判别法、多普勒来波方向判别法、到达时间差来波方向判别法、相位干涉仪来波方向判别等多种体制。这些体制原理明晰，处理过程简单直观，来波方向判别设备也较为简单，但是无法同时分辨多个时频重叠信号。而阵列响应型来波方向判别技术可实现对多个目标信号的同时判别。相控阵来波方向判别是一种与阵列天线配合使用的信号处理技术，它通过对阵列输出进行加权实现波束成形和空域滤波，进而通过波束扫描实现信号的方位判别。

作为相控阵的关键器件，移相器的性能参数对相控阵系统的性能起决定性作用。然而，传统的电移相器受“电子瓶颈”的影响，工作频率及带宽受限，并且存在体积损耗大、易受电磁干扰等缺点，难以满足现代通信及雷达等系统的发展需求。为此，业界尝试利用光生微波技术实现移相。微波光子移相器具有工作频率高、带宽大、相位调谐范围大、稳定性好、体积功耗小、抗电磁干扰强等优点，可满足未来相控阵技术的发展需求。

现有的微波光子移相器主要有矢量和技术、外差混频技术及光真延时技术三类方案。基于矢量和技术的微波光子移相器利用外加信号与输入信号的矢量和实现移相。基于矢量和的微波光子移相器结构简单，但难以实现大范围的可控相移，输出微波信号的波动幅度较大。基于外差混频技术的微波光子移相器需要利用光滤波器件，作用频段和带宽受限，价格昂贵，且系统功能相对单一。基于光真延时技术的移相器适用于宽带波束控制系统，是利用不同长度的光实时延时线具有不同的相移来实现移相，可与光控相控阵天线装备紧密结合，是来波方向判别发展的新方向。

发明内容

为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提供一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法。本发明可提高波束扫描来波方向判别水平，实现阵列天线射频信号的准确发射与接收。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种光控波束形成网络装置，包括：

多路激光光源阵列模块，用于产生N路中心波长不同的连续光载波信号，N为大于1的自然数；

射频信号调制模块，通过电光调制器阵列将外部N个天线阵元接收到的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上；

多路光控波束调控模块，通过波束控制元件调控N路可调光延时线和可调光衰减器，对接收到射频信号调制模块输出的N路调制后光信号分别进行延时量调节和幅度均衡匹配，依据预设的m个不同的波束指向角度，使N路调制后光信号相邻两路之间具有相应的延时差和衰减调控值，以此形成m个不同的延时梯度，满足对应波束指向角度，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换，得到波束调控后的射频信号，m为大于1的自然数；

射频信号接收及处理模块，使用微波合束器对N路接收到的射频信号进行合束处理，然后再由微波分束器将合波后的信号一分为二，其中一路用于信号的接收以及后续处理，另一路应用于来波方向判别，具体方式为：使用来波方向判别方法，确定来波方向的角度，然后反馈到多路光控波束调控模块的波束控制元件，调节N路调制后光信号的延时量和幅度衰减量，使天线接收到的射频信号获得最大功率。

进一步地，所述多路激光光源阵列模块包括：

N个波长可调谐激光器，用于产生N个不相干的具有预设波长间隔的光载波信号；

所述射频信号调制模块包括：

N路电光调制器，用于将外部N个天线阵元接收到的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上；

所述多路光控波束调控模块包括：

N路可调延时线，用于对N路调制后光信号进行延时量调节；

N路可调光衰减器，用于对N路调制后光信号进行幅度均衡匹配；

波束控制元件，用于接收控制信号，调控N路可调光延时线和可调光衰减器；

N路光电探测器，用于对N路波束调控后的光信号进行光电转换，得到波束调控后的射频信号；

所述射频信号接收及处理模块包括：

N合1微波合束器，用于将N路接收到的射频信号进行合束处理；

1分2微波分束器，用于将合波后的信号一分为二，分为来波方向判别和信号接收两路；

信号接收及处理单元，用于接收处理射频信号；

来波方向判别单元，用于判别射频信号的来波方向，并将控制信号发给波束控制元件。

一种来波方向调控方法，基于如上所述的光控波束形成网络装置实现，用于对波束信号进行延时以及衰减调控，并结合来波方向判别方法，获得波达方向，包括以下步骤：

(1)通过多路激光光源阵列模块产生N路中心波长不同的连续光载波信号；

(2)N路中心波长不同的连续光载波信号进入射频信号调制模块，通过调节其直流偏置电压，将N个天线阵元接收到的射频信号分别调制到N路光信号上；

(3)将N路调制后的光信号输入到多路光控波束调控模块中，使用波束控制元件对N路调制后的光信号进行延时调控和幅度均衡调控，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换；

(4)转换后的射频信号输入射频信号接收及处理模块，首先进行合束处理，然后将其分为两路，其中一路进行来波方向判别，确认现有的来波方向，形成波束调控指令；

(5)将调控指令发送到波束控制元件，对N路调制后的光信号再次进行延时调控和幅度均衡调控，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换；

(6)重复步骤(4)，同时判断波束调控效果，若满足要求则进行步骤(7)，否则重复步骤(5)和步骤(6)；

(7)对射频信号接收及处理模块中2分1分束器输出的另一路信号进行接收以及后续处理，完成射频信号的最大功率接收。

本发明的有益效果在于：

1、利用光控波束形成网络的结构优势，可实现同时接收多个波束指向的雷达回波信号，波束数目和天线的数量都可任意扩展，并且可以在很大的辐射角度范围内实现任意角度的窄波束的合成接收，这将大大提升接收波束的增益，有助于提升接收机的性能；

2、采用光纤延迟线实现移相功能，在光域内进行延时处理，免疫传统方法受电磁干扰的问题，且便于实现相位与幅度的补偿以及快速信号处理，有利于抑制旁瓣与实现波束的快速扫描，提高系统性能；

3、采用光控波束形成技术，充分利用光处理宽带能力强、功耗低的特性，有效提高系统工作带宽与工作频段，减轻前后端处理，进而减少设备数量，提高了系统性能，增加经济可行性；

4、采用来波方向调控方法，精确调控相控阵天线接收方向，使天线信号的接收效率以及接收到的功率更高。

附图说明

图1为本发明实施例中一种光控波束形成网络装置的原理示意图。

图2为本发明实施例中来波方向判别结果图。

图3为本发明实施例中来波方向调控结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种光控波束形成网络装置，所述装置包括：

多路激光光源阵列模块，包括N路激光产生模块，用于产生N路中心波长不同的连续光载波信号，然后输入射频信号调制模块，N为大于1的自然数；

射频信号调制模块，包括N路电光调制器，通过电光调制器阵列将外部N个天线阵元接收到的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上，然后将N路调制后的光信号输入到多路光控波束调控模块；

多路光控波束调控模块，包括N路可调延时线、N路可调光衰减器、N路光电探测器和波束控制元件，通过波束控制元件调控N路可调光延时线和可调光衰减器，对接收到射频信号调制模块输出的N路调制后光信号分别进行延时量调节和幅度均衡匹配，依据预设的m个不同的波束指向角度，使N路调制后光信号相邻两路之间具有相应的延时差和衰减调控值，以此形成m个不同的延时梯度，满足对应波束指向角度，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换，得到波束调控后的射频信号，输入射频信号接收及处理模块；m为大于1的自然数；

射频信号接收及处理模块，包括N合1微波合束器、1分2微波分束器、信号接收及处理单元和来波方向判别单元，使用微波合束器对N路接收到的射频信号进行合束处理。然后再由微波分束器将合波后的信号一分为二，其中一路用于信号的接收以及后续处理；另一路应用于如下所述的来波方向判别：使用来波方向判别方法，确定来波方向的角度，然后反馈到多路光控波束调控模块的波束控制元件，调节N路调制后光信号的延时量和幅度衰减量，使天线接收到的射频信号获得最大功率接收。

其中，多路激光光源阵列模块，包括：

N个波长可调谐激光器，用于产生N个不相干的具有预设波长间隔的光载波信号；

射频信号调制模块，包括：

N路电光调制器，用于将外部N个天线阵元接收到的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上；

多路光控波束调控模块，包括：

N路可调延时线，用于对N路调制后光信号进行延时量调节；

N路可调光衰减器，用于对N路调制后光信号进行幅度均衡匹配；

波束控制元件，用于接收控制信号，调控N路可调光延时线和可调光衰减器；

N路光电探测器，用于对N路波束调控后的光信号进行光电转换，得到波束调控后的射频信号；

射频信号接收及处理模块，包括：

N合1微波合束器，用于将N路接收到的射频信号进行合束处理；

1分2微波分束器，用于将合波后的信号一分为二，分为来波方向判别和信号接收两路；

信号接收及处理单元，用于接收处理射频信号；

来波方向判别单元，用于判别射频信号的来波方向，并将控制信号发给波束控制元件。

该装置的工作原理为：

多路激光光源阵列模块包括N路激光产生模块，用于产生N路连续光载波信号，与射频信号调制模块的N路电光调制器光信号输入口连接；

天线接收到的信号与N路电光调制器射频信号输入口连接，N路电光调制器每个都通过偏置电压控制器控制其工作方式，从而将外部N个天线阵元接收到的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上，N路电光调制器的光信号输出口与多路光控波束调控模块的N路可调光延时线的光输入口连接。

N路可调光延时线的控制端口与波束控制元件连接，对其延时量进行调控，其光信号输出口与N路可调光衰减器的光信号输入口连接。

N路可调光衰减器的控制端口与波束控制元件连接，控制其调节各通道光信号的光强度，其光信号输出口与N路光电探测器的光信号输入口连接。

N路光电探测器处进行光电转化，得到N路射频信号，其射频信号输出口与射频信号接收及处理模块的N合1微波合束器的射频输入口连接。

N合1微波合束器将N个通道的射频信号合束，其射频信号输出口与1分2微波分束器射频输入口连接。

1分2微波分束器将射频信号一分为二，一路的射频信号输出口与信号接收及处理单元射频输入口连接，另一路的射频信号输出口与来波方向判别单元的射频输入口连接。

来波方向判别单元对射频信号的来波方向进行分析，得出来波方向，并生成波束控制代码，其控制信号输出口与多路光控波束调控模块的波束控制元件控制信号输入口连接。

一种来波方向调控方法，包括以下步骤：

(1)多路激光光源阵列模块产生N路中心波长不同的连续光载波信号；

(2)N路中心波长不同的连续光载波信号进入射频信号调制模块，通过调节其直流偏置电压，将N个天线阵元接收到的射频信号分别调制到N路光信号上；

(3)N路调制后的光信号输入到多路光控波束调控模块，使用波束控制元件对N路调制后的光信号进行延时调控和幅度均衡调控，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换；

(4)转换后的射频信号输入射频信号接收及处理模块，首先进行合束处理，然后将其分为两路，其中一路进行来波方向判别，确认现有的来波方向，形成波束调控指令；

(5)将调控指令发送到波束控制元件，对N路调制后的光信号再次进行延时调控和幅度均衡调控，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换；

(6)重复步骤(4)，同时判断波束调控效果，满足要求进行下一步骤(7)，否则重复步骤(5)和步骤(4)；

(7)射频信号接收及处理模块中2分1分束器后的另一路完成信号的接收以及后续处理，完成射频信号的最大功率接收。

以下为更具体的例子：

如图1所示，一种光控波束形成网络装置，包括多路激光光源阵列模块、射频信号调制模块、多路光控波束调控模块和射频信号接收及处理模块，具体如下：

多路激光光源阵列模块选用的是16路激光器芯片。

射频信号调制模块选用的是16路马赫增德尔调制器(MZM)，且处于推挽模式，工作在线性最佳的QTP传输点，接收天线的信号为16路射频信号，设定天线信号来波方向为40°。

多路光控波束调控模块中选用波束调控FPGA元件，用于接收来波方向判别元件的信号以及以此发出调控可调光延时线和可调光衰减器的信号；可调光延时线使用分立方案器件，使用MEMS直角反射棱镜调谐法，具有大延时量高延时精度的特性；可调光衰减器使用MEMS反射镜角度高精度调控方案，精度可达0.5dB；光电探测器选用的是铟镓砷光电二极管。

射频信号接收及处理模块中，选用16合1合束器，和1分2分束器，信号接收及处理单元以及来波方向判别单元。

一种来波方向调控方法，基于上述装置实现，具体步骤包括：

(1)16路激光光源阵列模块产生16路中心波长不同的连续光载波信号；

其中，激光器芯片产生的光载波信号表示为：

E_CW(t)＝E_CW exp(jω_CWt) (1)

(2)16路中心波长不同的连续光载波信号进入射频信号调制模块，通过调节其直流偏置电压，将16个天线阵元接收到的射频信号分别调制到16路光信号上；

其中，接收到的天线信号表示为：

马赫增德尔调制器的半波电压为V_p，工作在线性最佳的QTP传输点，由此调制后的MZM输出信号表示为：

(3)16路调制后的光信号输入到多路光控波束调控模块，使用波束控制元件对16路调制后的光信号进行延时调控和幅度均衡调控，然后16路波束调控后的光信号进入16路光电二极管阵列进行光电转换；

其中，可调光延时线提供的延时量设为t，可调光衰减器的衰减调控表示为A，则得到波束调控后的输出信号表示为：

光电探测器的响应度为R，其光电转换后并且消除直流分量的射频信号表示为：

此时得到单路波束调控的射频信号，同理可得其他15路的信号表达式。

(4)转换后的射频信号输入射频信号接收及处理模块，首先进行16合1的合束处理，然后通过1分2处理将其分为两路，其中一路进行来波方向判别，确认现有的来波方向，形成波束调控指令，得到方向判别结果如图2所示；

(5)将调控指令发送到波束控制元件，对16路调制后的光信号再次进行延时调控和幅度均衡调控，然后16路波束调控后的光信号进入16路光电二极管阵列进行光电转换；

(6)重复步骤(4)，同时判断波束调控效果，满足要求进行下一步骤(7)，否则重复步骤(5)和步骤(4)；

(7)射频信号接收及处理模块中2分1分束器后的另一路完成信号的接收以及后续处理。具体来说，来波方向判别完成后，进行波束接收调控，将调控信息发送到多路光控波束调控模块的波束控制元件，控制天线信号的最大功率接收，得到的结果如图3所示，由此实现了天线信号的最大功率接收。

以上所述的具体实施方法，对于本发明的目的、技术方案进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在不脱离本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，包括激光器的种类、数量、结构，天线接收信号的频段，电光调制器的种类与数量，可调光延时线和可调光衰减器的种类以及数量，波束控制元件的类型，射频信号接收及处理模块的器件种类，接收来波方向的选取等都可改变。这些等同变形、替换以及各器件参量的调整也应视为本发明保护的范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光控波束形成网络装置，其特征在于，包括：

多路激光光源阵列模块，用于产生N路中心波长不同的连续光载波信号，N为大于1的自然数；

射频信号调制模块，通过电光调制器阵列将外部N个天线阵元接收到的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上；

多路光控波束调控模块，通过波束控制元件调控N路可调光延时线和可调光衰减器，对接收到射频信号调制模块输出的N路调制后光信号分别进行延时量调节和幅度均衡匹配，依据预设的m个不同的波束指向角度，使N路调制后光信号相邻两路之间具有相应的延时差和衰减调控值，以此形成m个不同的延时梯度，满足对应波束指向角度，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换，得到波束调控后的射频信号，m为大于1的自然数；

射频信号接收及处理模块，使用微波合束器对N路接收到的射频信号进行合束处理，然后再由微波分束器将合波后的信号一分为二，其中一路用于信号的接收以及后续处理，另一路应用于来波方向判别，具体方式为：使用来波方向判别方法，确定来波方向的角度，然后反馈到多路光控波束调控模块的波束控制元件，调节N路调制后光信号的延时量和幅度衰减量，使天线接收到的射频信号获得最大功率。

2.根据权利要求1所述的一种光控波束形成网络装置，其特征在于，所述多路激光光源阵列模块包括：

N个波长可调谐激光器，用于产生N个不相干的具有预设波长间隔的光载波信号；

所述射频信号调制模块包括：

N路电光调制器，用于将外部N个天线阵元接收到的N路射频信号分别调制到N路光载波信号上；

所述多路光控波束调控模块包括：

N路可调延时线，用于对N路调制后光信号进行延时量调节；

N路可调光衰减器，用于对N路调制后光信号进行幅度均衡匹配；

波束控制元件，用于接收控制信号，调控N路可调光延时线和可调光衰减器；

N路光电探测器，用于对N路波束调控后的光信号进行光电转换，得到波束调控后的射频信号；

所述射频信号接收及处理模块包括：

N合1微波合束器，用于将N路接收到的射频信号进行合束处理；

1分2微波分束器，用于将合波后的信号一分为二，分为来波方向判别和信号接收两路；

信号接收及处理单元，用于接收处理射频信号；

来波方向判别单元，用于判别射频信号的来波方向，并将控制信号发给波束控制元件。

3.一种来波方向调控方法，其特征在于，基于如权利要求1或2所述的光控波束形成网络装置实现，用于对波束信号进行延时以及衰减调控，并结合来波方向判别方法，获得波达方向，包括以下步骤：

(1)通过多路激光光源阵列模块产生N路中心波长不同的连续光载波信号；

(2)N路中心波长不同的连续光载波信号进入射频信号调制模块，通过调节其直流偏置电压，将N个天线阵元接收到的射频信号分别调制到N路光信号上；

(3)将N路调制后的光信号输入到多路光控波束调控模块中，使用波束控制元件对N路调制后的光信号进行延时调控和幅度均衡调控，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换；

(4)转换后的射频信号输入射频信号接收及处理模块，首先进行合束处理，然后将其分为两路，其中一路进行来波方向判别，确认现有的来波方向，形成波束调控指令；

(5)将调控指令发送到波束控制元件，对N路调制后的光信号再次进行延时调控和幅度均衡调控，然后N路波束调控后的光信号进入N路光电二极管阵列进行光电转换；

(6)重复步骤(4)，同时判断波束调控效果，若满足要求则进行步骤(7)，否则重复步骤(5)和步骤(6)；

(7)对射频信号接收及处理模块中2分1分束器输出的另一路信号进行接收以及后续处理，完成射频信号的最大功率接收。