CN106501792A - 一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机，包括功率放大器、天线阵列、波控计算机、激光器、微波源、光调制器、波分复用器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机以及光电探测器；本发明将波分复用方法与全光波长交换方法有机结合，在具备传统光控相控阵雷达优势的基础上，还实现了子阵的动态重构，能够满足传统光控相控阵雷达无法实现的同时多目标全空域跟踪；该雷达接收机简单易行，性能可靠且具备成本优势。

Description

一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机

技术领域

本发明涉及光控相控阵雷达技术领域，尤其是涉及一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机。

背景技术

利用现代电子技术实现的相控阵天线，相对传统机械扫描雷达天线，其反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性等方面的性能具有很大的优越性。相控阵天线是通过特定的馈电方式，智能化的控制以及调整阵元的幅度和相位使波束赋形无惯性、灵活扫描，进而大幅度地提高信息获取和更新速率等。在相控阵天线系统中，波束扫描是通过调整辐射单元之间的相位关系而形成，因此在单元之间获得必需的相位关系所需的信号分配方式是一个关键。然而，相控阵天线单元的全电子控制还存在许多问题，主要在于相控阵天线由于受到孔径渡越时间的限制，只能在相对较窄的信号带宽下进行扫描，从而限制了其宽带与宽角度扫描方面的性能，这严重制约了相控阵天线在复杂环境和高性能领域的应用。

天线多波束的形成方法有多种，如Blass方法、Buter多波束矩阵方法、全数字多波束(DBF)方法及子天线阵级方法等，对于在接收天线中常的DBF和子天线阵方法而言，全数字多波束方法的优点是性能高，易实现连续滑动扫描，缺点是通道数多，成本高；子天线阵级方法优点是降低复杂性、节省经费，缺点是子阵技术会引起副瓣电平抬高和工作带宽变窄。

当今发展极其迅速的以半导体激光器、集成光学、光纤技术为核心的光子技术最有可能给微波相控阵雷达系统带来技术突破，解决此难题。光纤作为最理想的信号传输媒质，具有极低的传输损耗(普通单模光纤的传输损耗为0.2dB/公里以内)、重量轻、体积小、效率高以及抗电磁辐射与各种电磁干扰能力等优点；此外，光纤还具有极其巨大的信号带宽能力，光纤通信传输系统的单路波长信号传输速率可以高达上百Gbit/s，借助于密集波分复用技术，一根光纤可以传输高达上百T bit/s容量的信号。

利用光纤与光子器件来实现雷达天线接收单元的光信号真延迟OTTD的微波光子波束形成，可以克服相控阵天线波束倾斜而带来的工作带宽瓶颈效应，给微波相位阵列雷达系统提供非常高的工作带宽。在数十GHz微波频带范围内，光控相位阵列可以取得几乎平直的信号系统响应。同时光波环境下，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雷达波束的快速扫描，提高系统性能；利用光纤开关以及波长路由等光子器件容易实现光控波束形成网络的快速切换与重构，满足光控相控阵波束的空间多波束、波束形状捷变及子阵重组等灵活控制功能的需要。

发明内容

为了解决传统的相控阵天线的波束倾斜与工作带宽的瓶颈效应问题，本发明提供了一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机，能够提供非常高的工作宽带，便于实现雷达波束的快速扫描，提高系统性能。

一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机，包括功率放大器、天线阵列、波控计算机、激光器、微波源、光调制器、波分复用器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机以及光电探测器；所述的激光器发射多个通道的光载波，光调制器将微波源输出的雷达信号调制到光载波上，载有雷达信号的光载波经波分复用器波分后分别输入可编程光延迟线延迟调整，再经可编程光衰减器功率调整，然后输入全光波长交换机进行波长交换，得到输出子阵，输出子阵的信号经光电探测器转换为射频信号，该射频信号经功率放大器放大后通过天线阵列辐射到空间；所述的波控计算机同时控制可编程光延迟线、可编程光衰减器以及全光波长交换机。

所述激光器为多波长阵列激光器，输出波长为光纤通信C波段的ITU波长；用于提供多个光载射频传输通道的光载波。

所述微波源为具有低相位噪声的微波信号源，用于产生宽带雷达信号。

所述光调制器为马赫增德尔强度调制器或电吸收调制器，用于将微波源发射的雷达信号调制到光载波上。

所述波分复用器用于将载有雷达信号的光载波分解为若干个通道，每个通道仅包含一个ITU波长。

所述可编程光延迟线是由若干2进2出的数控光开关与若干光延迟线组成的二元光纤延迟线器件，每个通道连接一个可编程光延迟线，用于对不同通道之间的相对延时进行调整。

所述可编程光衰减器用于调节每个通道光信号的强度，结合所述可编程光延迟线共同调节每个通道的衰减和相位，实现波束赋形。

所述全光波长交换机为N进N出的全光波长交换矩阵。将其N个输入通道按照波长分为m组，每组分别采用一只包含N/m个ITU波长的多波长阵列激光器作为载波，经调制与波分复用后的N/m个波长通道构成一个输入子阵。N个输出通道也被分为m个输出子阵，每个输出子阵包含的波长与波长数量与每个输入子阵包含的波长与波长数量相同，但每个输出子阵的波长可以通过全光波长交换机从所有输入子阵的所有波长中选择。所述输出子阵的每个通道与每个天线的物理位置一一对应，每个输入子阵对应的天线位置根据光交换的结果确定；全光波长交换机通过全光波长交换矩阵使得输入子阵与输出子阵一一对应。

所述光电探测器将每个通道输出的光信号转换为射频信号输出。

所述波控计算机同时控制所述可编程光延迟线、可编程光衰减器以及全光波长交换机，以实现光控相控阵波束的控制与重构。

所述的功率放大器将光电探测器输出的射频信号放大，得到高功率的射频信号输出。

所述的天线阵列将放大后的射频信号辐射到物理空间。

所述激光器、微波源、光调制器、波分复用器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、光电探测器、功率放大器的数目根据子阵数目与天线阵列的数量确定，其中可编程光延迟线、可编程光衰减器、光电探测器、功率放大器的数目与天线阵列的数量相等；激光器、微波源、光调制器、波分复用器的数目与子阵数目相等。

所述一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机，其实现子阵的动态重构的方法为：将待传输的雷达信号调制到多波长光载波的所有ITU波长上，以平方数个ITU波长作为一个输入子阵的载波，将所有输入子阵的光载波输入全光波长交换机，交换机的所有输出分组为若干输出子阵，每个输出子阵包含的波长与波长数目与输入子阵包含的波长与波长数目相同。将输出子阵的每个波长分别进行光电探测与功率放大后从天线阵列辐射出去。在一个大的阵面空间上不断按照所述的正方形单元重排ITU波长，通过交换机的波长交换实现输入子阵与输出子阵之间的动态映射，则每个输入子阵对应的天线单元或者物理空间就可以发生变化，从而实现重构。

这种基于波分复用光延时线方法的联合波控多波束结构的优势在于：

(1)光电融合的波控方法，可以有效降低传统电子相控阵的波束倾斜与工作带宽的瓶颈效应，相对于所有基元光控的全光相控阵，成本比较低，实现效果比较好，具有很大地实用的前景；

(2)基于光波长分配重排以及光矩阵开关交换的多波束动态重构组阵与波控制方法，降低孔径渡越时间的限制，可以实现全空域的多目标波束形成与连续跟踪；

(3)充分利用光波分复用以及全光交换，网络结构灵活，组网成本低；

(4)每个光传输波长支路具有光功率幅度调节控制，可以实现波束合成的支路幅度加权，具有抑制旁瓣效果以及具备信号处理功能。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为输入子阵的光载波波长按空间相邻关系进行编排的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机，包括多波长阵列激光器、微波源、光调制器、波分复用器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机、光电探测器、功率放大器、天线阵列以及波控计算机；激光器发射多个通道的光载波，光调制器将微波源输出的雷达信号调制到光载波上，载有雷达信号的光载波经波分复用器波分后分别输入可编程光延迟线延迟调整，再经可编程光衰减器功率调整，然后输入全光波长交换机进行波长交换，得到输出子阵，输出子阵的信号经光电探测器转换为射频信号，该射频信号经功率放大器放大后通过天线阵列辐射到空间中；波控计算机同时控制可编程光延迟线、可编程光衰减器以及全光波长交换机，实现光控相控阵雷达的真延时与子阵的动态重构。

如图2所示，本发明一个实施例的方法如下：

选取多波长阵列激光器输出的包含36个ITU波长的光信号作为输入子阵1的光载波，光调制器将待传输的雷达信号调制到该光载波上，利用波分复用器将该光载波分解为36个通道，每个通道的光载波均分别经过可编程光延迟线与可编程光衰减器以调整通道之间的相对延时与衰减量。最后将若干个输入子阵的光载波送入全光波长交换机进行交换，得到若干个输出子阵，每个输出子阵均包含36个与输入子阵相同的ITU波长。输出子阵的每个波长通道都采用一只光电探测器将光信号转换为射频信号，通过功率放大器放大后通过天线阵列辐射到空间。

全光波长交换机的任意物理端口输入都可以无阻塞地交换到任意的输出端口。其输入为经过相位与幅度加权后的多通道雷达信号，该雷达信号经过光电探测器的转换与功率放大器的放大后从阵面上的天线阵列辐射出去。在该过程中，每个输入子阵的雷达信号都通过光交换机的连接与天线阵列中的一个物理区域建立了一一对应的关系。通过光交换机的波长交换，改变输入与输出端的这种对应关系也就实现了某一子阵的雷达信号可以在天线阵列的不同位置发射出去，从而大大提高了雷达对目标的跟踪与探测能力。

如图3所示，假设输出子阵1的天线单元原对应于上方实线内的输入子阵波长，通过光交换机矩阵开关切换，使得输出子阵1的天线单元对应于下方虚线内的输入子阵波长，这一子阵内的36个波长可能是来自于不同输入子阵的波长。这种矩阵开关交换的方式，很容易实现全空域的扫描，对于多目标跟踪，可以分配按目标分配相应的输入子阵。

由计算机控制子阵内每个波长通道的多字节光延时线与光衰减器快速切换，实现对应子阵内传输的微波信号进行相位与幅度加权，起到抑制旁瓣、减小波束宽度等信号处理的作用。另外，多个子阵也可以协同工作或联合工作形成组合波束，实现复杂功能的测控跟踪。这种子阵控制技术可以实现全空域的多目标波束形成与连续跟踪，大大降低孔径渡越时间的限制，提高相控阵天线工作带宽与扫描角度范围。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光交换的重构光控相控阵雷达发射机，其特征在于，包括功率放大器、天线阵列、波控计算机、激光器、微波源、光调制器、波分复用器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机以及光电探测器；所述的激光器发射多个通道的光载波，光调制器将微波源输出的雷达信号调制到光载波上，载有雷达信号的光载波经波分复用器波分后分别输入可编程光延迟线延迟调整，再经可编程光衰减器功率调整，然后输入全光波长交换机进行波长交换，得到输出子阵，输出子阵的信号经光电探测器转换为射频信号，该射频信号经功率放大器放大后通过天线阵列辐射到空间；所述的波控计算机同时控制可编程光延迟线、可编程光衰减器以及全光波长交换机。

2.如权利要求1所述的基于光交换的可重构光控相控阵雷达发射机，其特征在于，所述的激光器为多波长阵列激光器。

3.如权利要求1所述的基于光交换的可重构光控相控阵雷达发射机，其特征在于，所述的光调制器为马赫增德尔强度调制器或电吸收调制器。

4.如权利要求1所述的基于光交换的可重构光控相控阵雷达发射机，其特征在于，所述的可编程光延迟线由若干2进2出的数控光开关与若干光延时线组成。

5.如权利要求1所述的基于光交换的可重构光控相控阵雷达发射机，其特征在于，所述光交换机为N进N出的全光波长交换矩阵。

6.如权利要求1所述的基于光交换的可重构光控相控阵雷达发射机，其特征在于，所述的可编程光延迟线、可编程光衰减器、光电探测器、功率放大器的数目与天线阵列的数量相等。

7.如权利要求1所述的基于光交换的可重构光控相控阵雷达发射机，其特征在于，所述的激光器、微波源、光调制器、波分复用器的数目与子阵数目相等。