CN1854756A - 超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法及实现该方法的系统 - Google Patents

Abstract

一种超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法及实现该方法的系统，其通过超短脉冲激光器产生时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲，输送至光导开关阵列，耦合至对应的加有偏置电压的光导开关，光导开关阵列输出多路超短电脉冲，再送至超宽带天线阵列，将超短电脉冲转换为超宽带电磁脉冲辐射；超宽带天线阵列发出的超宽带电磁脉冲在空间相干合成，形成功率与天线阵列单元平方倍增加的电磁脉冲辐射。本发明解决了背景技术实现方法复杂，实现装置体积庞大的技术问题，利用超宽带电磁脉冲空间相干合成实现大功率、集成化的超宽带电磁脉冲辐射，结构更紧凑，集成化程度更高，易于实现远距离传输，可应用于电子对抗及超宽带雷达目标探测等。

Description

超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法及实现该方法的系统

技术领域

本发明属于超宽带电磁脉冲辐射产生技术领域，其利用阵列化结构实现高功率超宽带电磁脉冲辐射，可用于超宽带雷达及电子对抗技术等。本发明具体涉及一种阵列化利用超短光脉冲触发光导开关的超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法及实现该方法的系统。

背景技术

超宽带电磁脉冲通常是指带宽与中心频率之比大于25％的电磁波，在时域上表现为脉宽可达皮秒(10^-12秒)量级的窄脉冲，在频域上则具有达到GHz甚至THz量级的极宽频带。超宽带电磁脉冲在许多领域具有广泛应用，超宽带电磁辐射的独特性能将对电子对抗、反隐形、电磁武器、穿透性攻击武器引信、地下探测、通信、医学成像、工业自动化、无损检测、安全检查、运输、材料估计等诸多领域具有深远影响。高功率超宽带电磁脉冲在电子对抗等领域具有实用意义。

采用气体开关能够获得高功率超宽带电磁脉冲，但其绝缘性差，能量损耗大，输出的稳定性也较差，实用性能不佳。现有的大功率超宽带电磁辐射技术存在的主要缺陷是：实现方法复杂，实现装置的体积庞大，不易于集成化、小型化，适用范围受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法及实现该方法的系统，其解决了背景技术中实现方法复杂，输出的稳定性差，实用性能不佳、系统体积庞大的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤

1)用超短脉冲激光器2产生多路超短激光脉冲：通过超短脉冲激光器2产生时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲；

2)产生超短电脉冲：

(1)形成光导开关阵列，给光导开关阵列的每一个光导开关4施加偏置电压；

(2)将多路超短激光脉冲输送至光导开关阵列，耦合至对应的加有偏置电压的光导开关4；

(3)超短激光脉冲触发光导开关4，每一个光导开关4输出相位锁定的超短电脉冲；光导开关阵列输出多路超短电脉冲；

3)产生超宽带电磁脉冲辐射：

(1)形成超宽带天线阵列；

(2)由光导开关阵列输出的多路超短电脉冲送至超宽带天线阵列，超宽带天线阵列将超短电脉冲转换为超宽带电磁脉冲辐射；

4)形成倍增的超宽带电磁脉冲辐射：超宽带天线阵列发出的超宽带电磁脉冲在空间相干合成，形成功率与天线阵列单元数目平方倍增加的电磁脉冲辐射。

上述产生多路超短激光脉冲，可以通过一台超短脉冲激光器2输出超短激光脉冲，将该超短激光脉冲耦合至光纤分束器6，通过光纤分束器6将超短激光脉冲分成时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲。

上述产生多路超短激光脉冲，也可以通过同步控制器1控制多台超短脉冲激光器，使每台激光器的输出在时间上同步、且具有相干性，形成时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲。

一种实现权利要求1所述方法的阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统，包括脉冲激光器，其特殊之处在于：所述的脉冲激光器是能产生时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲的多路超短脉冲激光器；所述多路超短脉冲激光器输出的每一路分别耦合至对应的、构成光导开关阵列的每一个光导开关4，所述的光导开关4与偏置电压装置3相接，所述的光导开关阵列的输出分别接至对应的、构成超宽带天线阵列的每一个超宽带天线5。

上述多路超短脉冲激光器的优选结构组成是：一台超短脉冲激光器2；一台与所述超短脉冲激光器2的输出耦合、可将一束超短激光脉冲分成时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的光纤分束器6。

上述多路超短脉冲激光器亦可采用的结构组成是：多台超短脉冲激光器2；分别与多台超短脉冲激光器2相接、可使多台超短脉冲激光器2输出时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的同步控制器1。

上述多路超短脉冲激光器还可采用的结构组成是：二组、三组或多组超短脉冲激光器组，每组超短脉冲激光器组包括

一台超短脉冲激光器2；

一台与所述超短脉冲激光器2的输出耦合、可将一束超短激光脉冲分成时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的光纤分束器6。

上述多路超短脉冲激光器还可采用的结构组成是：二组、三组或多组超短脉冲激光器组，每组超短脉冲激光器组包括

多台超短脉冲激光器2；

分别与多台超短脉冲激光器2相接、可使多台超短脉冲激光器2输出时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的同步控制器1。

本发明具有以下优点：

1.利用光导开关产生超宽带电磁脉冲，可应用于电子对抗及超宽带雷达目标探测等。

2.本发明所输出的电磁脉冲脉冲宽度窄，能达到皮秒量级；频带宽，可达到GHz量级，甚至可达到THz量级的极宽频谱。

3.光导开关的输出抖动小，约为几个皮秒；光导开关输出的一致性好；多个光导开关形成的阵列，通过控制每个开关触发光脉冲的相位，间接控制输出电脉冲的相干性，从而可实现超宽带电磁脉冲的相干合成。

4.采用光导开关阵列、超宽带天线阵列，结构更紧凑，集成化程度高高。

5.所辐射的电磁脉冲具有慢衰减特性，能够以三维脉冲结构的形式，类似孤子一样将能量集中在空间局部区域，并以比平方反比率慢的衰减方式向前传播，从而可实现远距离传输。

6.采用光纤分束器实现多路激光分束，通过控制每路光纤的长短来确定光程，以控制输出光的相位，从而间可接控制每个光导开关输出电脉冲的相位，使所产生的超宽带电磁脉冲具有相同的相位关系，实现超宽带电磁脉冲的相干合成。采用光纤分束器，不仅结构简单、紧凑，易于实现与光开关的耦合，易于调节各路激光的相位，而且便于与超短脉冲光纤激光器耦合；当触发光脉冲需要放大时，有利于与光纤放大器匹配连接。

7.通过相干合成，获得高峰值功率的电磁脉冲，所得到的电磁脉冲远大于多个电磁脉冲简单叠加的结果。

8.通过改变不同阵列单元的相位延迟，可实现波束空间扫描。

9.本发明利用超宽带电磁脉冲空间相干合成实现大功率、集成化的超宽带电磁脉冲辐射，在解决了激光器的可移动性后，将可以实现车载、舰载或机载等。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构原理示意图；

图2为本发明实施例2的结构原理示意图。

附图标号说明：1-同步控制器，2-超短脉冲激光器，3-偏置电压装置，4-光导开关，5-超宽带天线，6-光纤分束器。

具体实施方式

利用超短激光脉冲触发光导开关产生超宽带电磁脉冲是一种有效获得超宽带电磁脉冲的方法，这种方法在兼顾电磁脉冲功率和带宽两方面都具有突出的优势。本发明利用超短激光脉冲触发光导开关来产生超宽带电磁脉冲。光导开关的工作原理主要利用的是半导体材料的光导效应。通过超短激光脉冲触发施加偏置电压的光导开关，使材料内部产生非平衡载流子，在瞬间增加半导体材料的电导率，光消失后，开关闭合，光生载流子很快被复合，则光导开关输出超短电脉冲。超短电脉冲的幅度与所加的偏置电压及光强有关，脉冲的宽度则与触发的光脉冲相似。当分别用纳秒、皮秒激光触发光导开关，其输出也将为纳秒或皮秒宽度的电脉冲，相应频带可以从很低的频率到GHz量级，甚至达到THz量级，这时所产生的电磁辐射即为超宽带电磁波。因此，利用超短激光脉冲触发光导开关是有效获得超宽带电磁脉冲的一种方法。

单个超宽带电磁脉冲源所产生的辐射能量是有限的，采用多个辐射源组合成阵列结构，将输出进行功率合成，通过相干控制技术使每个超宽带电磁辐射源具有相干性，就可以实现超宽带电磁辐射的相干合成，即采用多个光导开关利用倍增方法获得高功率的超宽带电磁脉冲输出。超宽带电磁脉冲的相干合成是所有频谱分量相互干涉合成的结果，因此对其中的相位控制精度有较高要求。在理想的合成条件下，N个辐射源合成的电磁脉冲辐射信号的峰值功率将增加到N²倍，远大于电磁脉冲的简单叠加的结果。

阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统能够实现将多个较小功率的电磁脉冲进行相干合成以得到大功率的电磁脉冲，这解决了一般的大功率超宽带电磁辐射装置体积庞大的难题，实现整个超宽带电磁脉冲辐射系统集成化、小型化，将在国防电子对抗与目标识别等领域具有重要应用。本发明使用光导开关阵列、超宽带天线阵列等阵列化结构来实现超宽带电磁脉冲的产生与辐射。光导开关具有体积小、重量轻，高辐射功率等优点，容易将大量的光导开关集成为开关阵列，这在研制高功率固态超宽带电磁脉冲源方面极为有用。由于每个光导开关阵列单元的输出抖动很小，约为几个皮秒，对于百皮秒量级脉宽的电脉冲而言，抖动变化影响很小。又由于不同的光导开关具有良好的输出一致性，因此利用光导开关做成阵列结构后，通过控制每个开关触发光脉冲的相位就可以间接控制输出电脉冲的相干性。这为实现多个电磁脉冲的相干合成提供了可能。阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统利用许多个光导开关与天线组成阵列结构，每一个光导开关都需要有对应的触发激光，因此，阵列化结构要求多路触发激光。

多路触发激光可采用多台激光器实现，为确保每台激光器的同步，须采用同步控制器1，其仅适用于阵列单元数目较少的情况。获得多路激光的另一种方法是利用激光分束技术，即将一台激光器的输出通过分束技术，分成多束激光。由于所分的激光来源于同一台激光器，因此，所分出的激光都是相干的。利用光纤分束的方法可方便地实现多路分光，并能通过控制每路光纤的长短来确定光程，以控制输出光的相位，从而间接控制每个PCSS输出电脉冲的相位。利用激光分束技术获得多路激光，每个阵列单元输出的超宽带电磁脉冲的相位更易于控制，且成本较低。

本发明光导开关的触发光源可选用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器、钛宝石激光器、染料锁模调Q激光器或超短脉冲光纤激光器等，其中以采用体积小、集成化程度高、抗振性能好、能用于外场且易于与光纤分束器耦合的激光器为最好。

光导开关经超短激光脉冲触发后产生的超短电脉冲，经超宽带天线辐射后，产生超宽带电磁脉冲。超宽带天线应具有极宽的带宽，才能实现对脉冲信号进行辐射；同时，超宽带天线与光导开关要具有良好的匹配结构，以便于组成光导开关天线阵列结构。

参见图1，该实施例是采用多台激光器的技术方案，实现步骤如下：

1.利用相位控制装置即同步控制器1控制多台超短脉冲激光器输出，使每台激光器的输出在时间上同步，所输出的激光具有相干性。

2.每一路超短激光脉冲传输至光导开关阵列，耦合到对应的加有偏置电压的光导开关4。

3.每一个光导开关4输出相位锁定的超宽带电脉冲，送至超宽带天线阵列。

4.超宽带天线阵列将电能量转换为电磁能，形成超宽带电磁脉冲辐射。

5.所辐射的超宽带电磁脉冲在空间相干合成，形成功率与阵列单元平方倍增加的电磁脉冲辐射。

参见图2，该实施例是采用激光器分束器的技术方案，实现步骤如下：

1.通过一台超短脉冲激光器2输出一束超短激光脉冲。

2.将上述超短激光脉冲耦合至一分N路的光纤分束器6中。

3.光纤分束器6将超短激光脉冲分成N路相位相干的激光。

4.每一路激光传输至光导开关阵列，耦合到对应的加有偏置电压的光导开关4。

5.每一个光导开关4输出相位锁定的超宽带电脉冲，送至超宽带天线阵列。

6.超宽带天线阵列将电能量转换为电磁能，形成超宽带电磁辐射。

7.所辐射的超宽带电磁辐射在空间相干合成，形成功率与阵列单元平方倍增加的电磁脉冲辐射。

Claims (8)

1.一种超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤

1)用超短脉冲激光器(2)产生多路超短激光脉冲：通过超短脉冲激光器(2)产生时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲；

2)产生超短电脉冲：

(1)形成光导开关阵列，给光导开关阵列的每一个光导开关(4)施加偏置电压；

(2)将多路超短激光脉冲输送至光导开关阵列，耦合至对应的加有偏置电压的光导开关(4)；

(3)超短激光脉冲触发光导开关(4)，每一个光导开关(4)输出相位锁定的超短电脉冲；光导开关阵列输出多路超短电脉冲；

3)产生超宽带电磁脉冲辐射：

(1)形成超宽带天线阵列；

(2)由光导开关阵列输出的多路超短电脉冲送至超宽带天线阵列，超宽带天线阵列将超短电脉冲转换为超宽带电磁脉冲辐射；

4)形成倍增的超宽带电磁脉冲辐射：超宽带天线阵列发出的超宽带电磁脉冲在空间相干合成，形成功率与天线阵列单元数目平方倍增加的电磁脉冲辐射。

2.根据权利要求1所述的超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法，其特征在于：所述的产生多路超短激光脉冲是

通过一台超短脉冲激光器(2)输出超短激光脉冲，将该超短激光脉冲耦合至光纤分束器(6)，通过光纤分束器(6)将超短激光脉冲分成时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲。

3.根据权利要求1所述的超宽带电磁脉冲辐射倍增的方法，其特征在于：所述的产生多路超短激光脉冲是

通过同步控制器(1)控制多台超短脉冲激光器，使每台激光器的输出在时间上同步、且具有相干性，形成时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲。

4.一种实现权利要求1所述方法的阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统，包括脉冲激光器，其特征在于：所述的脉冲激光器是能产生时间同步、且相位相干的多路超短激光脉冲的多路超短脉冲激光器；所述多路超短脉冲激光器输出的每一路分别耦合至对应的、构成光导开关阵列的每一个光导开关(4)，所述的光导开关(4)与偏置电压装置(3)相接，所述的光导开关阵列的输出分别接至对应的、构成超宽带天线阵列的每一个超宽带天线(5)。

5.根据权利要求4所述的阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于：所述的多路超短脉冲激光器包括

一台超短脉冲激光器(2)；

一台与所述超短脉冲激光器(2)的输出耦合、可将一束超短激光脉冲分成时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的光纤分束器(6)。

6.根据权利要求4所述的阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于：所述的多路超短脉冲激光器包括

多台超短脉冲激光器(2)；

分别与多台超短脉冲激光器(2)相接、可使多台超短脉冲激光器(2)输出时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的同步控制器(1)。

7.根据权利要求4所述的阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于：所述的多路超短脉冲激光器包括二组、三组或多组超短脉冲激光器组，每组超短脉冲激光器组包括

一台超短脉冲激光器(2)；

一台与所述超短脉冲激光器(2)的输出耦合、可将一束超短激光脉冲分成时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的光纤分束器(6)。

8.根据权利要求4所述的阵列化光导开关超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于：所述的多路超短脉冲激光器包括二组、三组或多组超短脉冲激光器组，每组超短脉冲激光器组包括

多台超短脉冲激光器(2)；

分别与多台超短脉冲激光器(2)相接、可使多台超短脉冲激光器(2)输出时间同步且相位相干的多路超短激光脉冲的同步控制器(1)。

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