CN118483684B - 微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置及方法，属于雷达探测及成像领域。利用微波光子大带宽、低损耗优势，在不同信道中多次循环拼接窄带信号，最终产生超宽带信号。所述方法解决了现有技术跨倍频程带来的谐波问题，实现了跨波段多倍频程超宽带信号产生，系统杂散低、噪声抑制效果好、信号产生可重构能力强。
Description
技术领域
本发明属于雷达探测及成像领域，具体涉及微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置及方法。
背景技术
微波雷达具有全天时、全天候、高分辨率的遥感成像能力，在国土测绘、资源勘察、环境灾害监测、区域侦察等领域有着不可或缺的重要作用。随着科技发展和应用推动，现代雷达向超高分辨率、多波段等方向发展。然而，受限于“电子瓶颈”，电子技术难以实现跨多个倍频程的超宽带信号产生，导致传统雷达在实现更高分辨率、更多波段工作方面存在困难。近年来，光子技术凭借其超大带宽、抗电磁干扰、低传输损耗等特性，成为“照亮雷达未来的关键技术”。相比于传统电子技术，微波光子技术能够提供超宽带的光电器件、优良的传输介质并具备抗电磁干扰特性，可在光域内实现宽带微波信号的产生、传输、控制和处理，能够有效克服传统电子器件的若干技术瓶颈，改善和提高传统雷达信号产生技术多项性能。微波光子技术的快速发展和成熟为宽带可重构的雷达信号产生提供了可能，是实现超宽带、可重构和多波段一体化雷达信号产生的有力手段。
经过数十年的发展，多种基于微波光子技术的宽带信号产生方案被提出，目前主要以下四类：光外差法、光子数模转换法、光倍频法、循环移频反馈法。光外差法通过激光载波间的拍频直接产生雷达信号，具有结构简单和信号参数灵活配置等优势。但由于扫频激光器输出信号与参考光源是非相干的，将导致产生信号质量恶化。光子数模转换法是直接利用不同的数字码流对相应的激光器输出光波的幅度进行编码，通过光电探测产生可重构的雷达波形，该方法可以对信号的幅值进行精确量化。但其可实现的有效比特位数不够，量化误差较大，信噪比低，导致该方法难以得到推广应用。光倍频法可以在扩展信号带宽的同时保持基带信号高线性度等优良特性。但利用非线性得到的高阶光边带功率较低，难以实现超高的倍频系数，同时，非线性效应会产生一系列其他阶次的光杂散边带，在输出信号中引入谐波杂散等。
相比于上述技术，循环移频反馈法产生宽带线性调频的方案可以实现超大带宽和超大时宽的线性调频信号产生，在超宽带信号产生方面具有较大优势，能克服上述方法存在的缺陷，在高分辨率雷达中有较高的应用前景。然而，当信号的带宽超出倍频程后，由于系统链路中微波器件的非线性响应，信号产生的谐波如其二倍频等会落在信号带宽之内，导致杂散较高，难以通过常规方法处理。
发明内容
为克服现有基于循环移频的超宽带信号产生技术的不足，本发明公开了微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置及方法。基于光信道化阵列、光电循环移频及时频精细拼接等技术，解决了现有技术跨倍频程带来的谐波问题，实现了跨波段多倍频程超宽带信号产生，系统杂散低、噪声抑制效果好、信号产生可重构能力强。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置，所述装置包括：
连续波光源、第一光分束器、第二光分束器、声光移频器、电光调制器、光滤波器、长光纤、n个可调光延时线、n个光电探测器、n+1个电滤波器、n个开关、耦合器、功分器；
连续波光源，用于产生信号光载波；
第一光分束器，用于将连续波光源产生的光载波信号分为上支路光载波信号、下支路光载波信号；
声光移频器，用于对上支路光载波信号实现频谱搬移；
电光调制器，用于将下支路光载波信号调制为载波抑制的±1阶边带信号；
光滤波器，用于滤除±1阶边带信号中的-1阶边带信号和载波信号，保留+1阶边带信号；
长光纤，用于汇合频谱搬移后的上支路光载波信号以及+1阶边带信号，调整环路延时与种子信号脉宽处于同一量级；
第二光分束器，用于将通过长光纤的光信号分成n个光束分别送入n个并行信道；
n个可调光延时线，用于接收与n个并行信道一一对应的n个光束，并调整n个并行信道的信道延时，使得各信道延时和脉宽一致；
n个光电探测器，与n个可调光延时线一一对应连接，用于将n个并行信道中的光信号转换为电信号；
n+1个电滤波器中的前n个电滤波器，与n个光电探测器一一对应连接，用于确定n个并行信道的频率通带；
n个开关，与n+1个电滤波器中的前n个电滤波器一一对应连接，用于控制n个并行信道的通断，实现n个并行信道中电信号的拼接，得到拼接电信号；
耦合器，用于将拼接电信号与线性种子调频信号合束得到合束信号；
n+1个电滤波器中的最后一个电滤波器，用于滤除合束信号的带外杂散信号；
功分器，用于将滤除带外杂散信号的合束信号分为两路，一路作为信号输出，一路作为电光调制器的输入信号。
进一步的，所述电光调制器为马赫增德尔调制器，通过偏置点控制器使马赫增德尔调制器工作在最小偏置点，对应的调制方式为载波和偶数阶抑制双边带调制。
进一步的，所述上支路光载波信号通过第n+1 可调光延时线保证上、下支路的光载波信号相位一致。
进一步的，所述长光纤之前连接有掺铒光纤放大器，用于对进入长光纤中的光信号进行功率放大。
进一步的，在一一对应连接的n个电滤波器与n个光电探测器之间，每个信道还对应设置了n个低噪声放大器。
进一步的，在耦合器后引入可调衰减器、功率放大器，完成功率放大后到达第n+1个电滤波器中的最后一个电滤波器。
另一方面，本发明提懂了一种微波光子信道化循环移频超宽带信号产生方法，所述方法包括以下步骤：
利用连续波光源输出频率为的光载波，经过第一光分束器被分束成上支路光载波信号、下支路光载波信号；
上支路光载波信号被送入声光移频器中，由频率为的正弦参考信号进行调制并实现频移，得到频率为-的移频信号；
下支路光载波信号被送入电光调制器中，由起始频率为带宽为的线性种子调频信号进行调制，输出载波抑制的±1阶边带信号，经过光滤波器滤除-1阶边带信号和载波信号后，剩余+1阶边带信号；
移频信号和+1阶边带信号合束后进入一段长光纤引入一定的环路延时，后经第二光分束器将光信号分为n个光束分别送入n个并行信道；
在n个并行信道的每个信道中，光束经可调光延时线调整信道延时，后经光电探测器转换为电信号，再经电滤波器确定每个信道的通带，利用开关控制每个信道的通断实现信号在频域和时域上的拼接，拼接后的电信号经第n+1滤波器滤除带外杂散信号后得到期望的超宽带信号并经功分器输出。
本发明的有益效果在于：
（1）将光子技术应用于分布式阵列雷达成像系统中，通过光子倍频技术提高系统的工作带宽，从而提升距离分辨率；
（2）基于信道化阵列循环移频架构，可实现比传统循环移频方案更大时间带宽积的超宽带信号产生；
（3）通过在光电循环频移架构基础上引入信道化的微波反馈阵列，构建可调谐的时频二维滤波器，可实现跨倍频程的频率选择，且杂散和噪声抑制程度高。突破了射频器件倍频程的限制，解决了现有电子技术和微波光子技术在产生超宽带雷达信号过程中因有源射频器件非线性引起的跨倍频程谐波问题。
附图说明
图1为本发明微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置的结构示意图；
图2为本发明微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置的另一结构示意图；
图3为本发明微波光子信道化循环移频超宽带信号产生方法的各节点频谱示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，为本发明微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置的结构示意图，所述装置包括：
连续波光源、第一光分束器、第二光分束器、声光移频器、电光调制器、光滤波器、长光纤、n个可调光延时线、n个光电探测器、n+1个电滤波器、n个开关、耦合器、功分器；
连续波光源，用于产生信号光载波；
第一光分束器，用于将连续波光源产生的光载波信号分为上支路光载波信号、下支路光载波信号；
声光移频器，用于对上支路光载波信号实现频谱搬移；
电光调制器，用于将下支路光载波信号调制为载波抑制的±1阶边带信号；
光滤波器，用于滤除±1阶边带信号中的-1阶边带信号和载波信号，保留+1阶边带信号；
长光纤，用于汇合频谱搬移后的上支路光载波信号以及+1阶边带信号，调整环路延时与种子信号脉宽处于同一量级；
第二光分束器，用于将通过长光纤的光信号分成n个光束分别送入n个并行信道；
n个可调光延时线，用于接收与n个并行信道一一对应的n个光束，并调整n个并行信道的信道延时，使得各信道延时和脉宽一致；
n个光电探测器，与n个可调光延时线一一对应连接，用于将n个并行信道中的光信号转换为电信号；
n+1个电滤波器中的前n个电滤波器，与n个光电探测器一一对应连接，用于确定n个并行信道的频率通带；
n个开关，与n+1个电滤波器中的前n个电滤波器一一对应连接，用于控制n个并行信道的通断，实现n个并行信道中电信号的拼接，得到拼接电信号；
耦合器，用于将拼接电信号与线性种子调频信号合束得到合束信号；
n+1个电滤波器中的最后一个电滤波器，用于滤除合束信号的带外杂散信号；
功分器，用于将滤除带外杂散信号的合束信号分为两路，一路作为信号输出，一路作为电光调制器的输入信号。
如图2所示，为本发明的微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置优选实施例装置，包括：连续波光源、第一光分束器、第二光分束器、声光移频器、马赫-曾德尔调制器（MZM）、偏置点控制器、光滤波器、掺铒光纤放大器（EDFA）、长光纤、n+1个可调光延时线、n个光电探测器、n个低噪声放大器（LNA）、n+1个电滤波器、n个开关、耦合器、可调衰减器、功率放大器、功分器。各个元件之间的光电逻辑如下：连续波光源输出光载波OC，经过第一光分束器分束成两路：上支路光载波信号、下支路光载波信号。上支路光载波信号被送入声光移频器中，由频率为的正弦参考信号进行调制并实现频移，得到频率-的移频信号；下支路光载波信号被送入MZM中，由起始频率带宽的线性种子调频信号进行调制。利用偏置点控制器，输出载波抑制的±1阶边带信号。经过光滤波器滤除-1阶边带和载波后，剩余+1阶边带信号。+1阶边带信号的起始频率为+，带宽为。通过调整上支路光载波信号的第n+1 可调光延时线保证上下支路的光信号相位一致。其后，上下支路合束进入EDFA中进行光信号功率放大。为调整环路延时和信号脉宽处于同一量级，在环路中引入了一段长光纤。在长光纤后连接了第二光分束器，将光信号分为n个信道分别处理。n个可调光延时线分别与n个信道一一对应，作用相似，通过调整可调光延时线的延时量，使得n个信道延时一致。后光信号经过n个光电探测器转换为电信号。输入光电探测器前的光信号包括频率为-的移频信号和频率为+带宽为的+1阶边带信号。经过光电探测器拍频后，输出电信号频率为。n个信道中，电信号再分别经过n个LNA放大、n个电滤波器滤波和n个开关后进入耦合器，完成信道内的信号处理过程。各信道内滤波器可控制信道内循环移频信号带宽，通过拼接不同信道中不同频率的移频信号可实现超宽带信号产生。为控制功率放大器的输入信号功率，在耦合器后引入了一个可调衰减器。信号经可调衰减器、功率放大器后完成功率放大。为滤除功率放大器可能产生的杂散信号，在其后端引入了第n+1电滤波器。然后，再将频率为的电信号经过功分器后，输入MZM作为其调制信号。至此，完成了单次循环移频过程。
结合图3中（a）和（b）所示，实现了将起始频率为带宽为的线性调频种子信号移频为起始频率带宽为的线性调频种子信号。其后，起始频率带宽为的线性调频信号代替原种子信号输入MZM种进行第二次循环移频至第n次循环移频。直到达到第一个倍频程信号上限+，其中为第一信道中第一电滤波器的带宽。上述过程中仅第一开关处于导通状态，第二至第n开关均处于断开状态，保证信号仅在第一信道中循环。当信号完成在第一信道中的循环后，关闭第一开关和第三-第n开关，打开第二开关。如图3中（c）所示，频率为+的起始信号将输入MZM，重复上述循环过程。直到完成在信道n中的循环移频，最终产生了带宽++…的跨倍频程超宽带线性调频信号，其中 分别为第一-第n信道中各电滤波器的带宽。
为保证循环移频信号拼接处在时域和频域上的连续性，还需要精确控制各信道的环路延时。输入环路的线性调频种子信号可由下式表示：
（1）
其中，Es(t)为线性调频种子信号电场，Ts为线性调频种子信号脉冲重复周期，τs为脉冲持续时间，Vs 为线性调频种子信号的幅度，fs 为起始频率，为线性调频种子信号相对参考信号的初相差，m=0,1,2,3,…,N-1表示第 m 个线性调频脉冲。k=Bs/τs 为线性调频种子信号的调频率，Bs 为线性调频种子信号的带宽，rect[i]为矩形窗函数，若，rect[i]=1；，rect[i]=0.5；，rect[i]=0，t为信号在环路中循环的时间。在第一信道中经过N-1次和N次循环后，输出的变频微波信号分别为：
（2）
（3）
式中，为环路延时；
从式（2）和（3）可知，第N-1次和第N次变频微波信号的相位分别为：
（4）
（5）
根据式（4）和（5）可知，第N次输出的变频微波信号与第N-1次输出的变频微波信号的相位差为：
（6）
在第N-1次与第N 次变频微波信号时频拼接的时刻，即 t=(N-1)τ 时，其相位差可表示为：
（7）
为使循环移频后信号和输入的种子信号在时域上是连续的，需满足环路延时与脉冲持续时间τs相等。为使循环移频后信号和输入的种子信号在频域上是连续的，需满足种子信号带宽Bs等于参考信号频率fr。为使第N-1次与第N 次变频微波信号在拼接处相位连续，二者相位差需为0或的整数倍，即式（7）满足：
（8）
化简可得：
（9）
其中，k=0,1,2…K-1。当各信道环路时延与参考信号以及种子信号的频率满足式（9）所示关系时，信号拼接位置相位是连续的，可以实现无杂散的跨倍频超宽带信号产生。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置，其特征在于，所述装置包括：
连续波光源、第一光分束器、第二光分束器、声光移频器、电光调制器、光滤波器、长光纤、n个可调光延时线、n个光电探测器、n+1个电滤波器、n个开关、耦合器、功分器；
连续波光源，用于产生信号光载波；
第一光分束器，用于将连续波光源产生的光载波信号分为上支路光载波信号、下支路光载波信号；
声光移频器，用于对上支路光载波信号实现频谱搬移；
电光调制器，用于将下支路光载波信号调制为载波抑制的±1阶边带信号；
光滤波器，用于滤除±1阶边带信号中的-1阶边带信号和载波信号，保留+1阶边带信号；
长光纤，用于汇合频谱搬移后的上支路光载波信号以及+1阶边带信号，调整环路延时与种子信号脉宽处于同一量级；
第二光分束器，用于将通过长光纤的光信号分成n个光束分别送入n个并行信道；
n个可调光延时线，用于接收与n个并行信道一一对应的n个光束，并调整n个并行信道的信道延时，使得各信道延时和脉宽一致；
n个光电探测器，与n个可调光延时线一一对应连接，用于将n个并行信道中的光信号转换为电信号；
n+1个电滤波器中的前n个电滤波器，与n个光电探测器一一对应连接，用于确定n个并行信道的频率通带；
n个开关，与n+1个电滤波器中的前n个电滤波器一一对应连接，用于控制n个并行信道的通断，实现n个并行信道中电信号的拼接，得到拼接电信号；
耦合器，用于将拼接电信号与线性种子调频信号合束得到合束信号；
n+1个电滤波器中的最后一个电滤波器，用于滤除合束信号的带外杂散信号；
功分器，用于将滤除带外杂散信号的合束信号分为两路，一路作为信号输出，一路作为电光调制器的输入信号。
2.根据权利要求1所述的微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置，其特征在于，所述电光调制器为马赫增德尔调制器，通过偏置点控制器使马赫增德尔调制器工作在最小偏置点。
3.根据权利要求2所述的微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置，其特征在于，所述上支路光载波信号通过第n+1 可调光延时线保证上、下支路的光载波信号相位一致。
4.根据权利要求3所述的微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置，其特征在于，所述长光纤之前连接有掺铒光纤放大器，用于对进入长光纤中的光信号进行功率放大。
5.根据权利要求4所述的微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置，其特征在于，在一一对应连接的n个电滤波器与n个光电探测器之间，每个信道还对应设置了n个低噪声放大器。
6.根据权利要求5所述的微波光子信道化循环移频超宽带信号产生装置，其特征在于，在耦合器后引入可调衰减器、功率放大器，完成功率放大后到达第n+1个电滤波器中的最后一个电滤波器。
7.微波光子信道化循环移频超宽带信号产生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
利用连续波光源输出频率为的光载波，经过第一光分束器被分束成上支路光载波信号、下支路光载波信号；
上支路光载波信号被送入声光移频器中，由频率为的正弦参考信号进行调制并实现频移，得到频率为-的移频信号；
下支路光载波信号被送入电光调制器中，由起始频率为带宽为的线性种子调频信号进行调制，输出载波抑制的±1阶边带信号，经过光滤波器滤除-1阶边带信号和载波信号后，剩余+1阶边带信号；
移频信号和+1阶边带信号合束后进入一段长光纤引入一定的环路延时，后经第二光分束器将光信号分为n个光束分别送入n个并行信道；
在n个并行信道的每个信道中，光束经可调光延时线调整信道延时，后经光电探测器转换为电信号，再经电滤波器确定每个信道的通带，利用开关控制每个信道的通断实现信号在频域和时域上的拼接，拼接后的电信号经第n+1滤波器滤除带外杂散信号后得到期望的超宽带信号并经功分器输出。
8.根据权利要求7所述的微波光子信道化循环移频超宽带信号产生方法，其特征在于，所述电光调制器为马赫增德尔调制器，通过偏置点控制器使马赫增德尔调制器工作在最小偏置点，对应的调制方式为载波和偶数阶抑制双边带调制。
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|---|---|---|---|
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| CN115765882A (zh) * | 2022-10-26 | 2023-03-07 | 西安空间无线电技术研究所 | 基于声光移频器级联的微波光子信道化接收装置及方法 |
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| US11092873B1 (en) * | 2020-08-21 | 2021-08-17 | President And Fellows Of Harvard College | Reconfigurable electro-optic frequency shifters |
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-
2024
- 2024-07-15 CN CN202410941587.XA patent/CN118483684B/zh active Active
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN106025786A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-10-12 | 北京邮电大学 | 一种光电振荡器及其稳频方法 |
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