形成微波光子光控波束的系统的制作方法

本发明属于微波光子学领域，具体涉及一种形成微波光子光控波束的系统。

背景技术：

当前，信息的高度发达对相控阵天线的性能提出了更高的要求，例如高分辨率、高精度测距、波束快速扫描以及恶劣环境下工作等，这些要求天线具有较大的工作调谐带宽、瞬时信号带宽以及较快的波束扫描速度。

光控相控阵波束形成是一种采用实时延时线代替电移相器使阵元之间的相位差变成时间差，避免了波束斜视的出现。具有体积小、质量轻、损耗小、延迟时间长及抗电磁干扰等优点。现在，世界各国的研究团队已经提出了很多实现光控相控阵波束形成的方案，其中大部分是基于光拓扑结构的光开关、高色散光纤延时线、光纤光栅以及集成光波导延时器。其中，基于高色散光纤延时线的光控波束形成技术得到长足发展，这些基于波长扫描的光控波束形成虽然有很大的带宽、灵活可控的波束指向，但是波束扫描时间受到可调谐激光器波长切换时间的制约，波束扫描范围受到波长调谐范围的限制。由于商用化的可调谐激光器模块的波长切换时间较长，波长调谐范围和调谐精度一定，这大大限制了其实际应用。为了实现光控相控阵雷达波束快速扫描，我们需要寻找一种波长快速调谐、波长调谐范围灵活可控的波长扫描方式，代替商用化器件的不足，进一步提高光控相控阵雷达实用化的可行性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种形成微波光子光控波束的系统，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种形成微波光子光控波束的系统，包括：

波长切换单元，用于对原始多波长激光加载控制信号，以及在时域上对所述原始多波长激光分割和拉伸，得到并输出时域上连续的多波长光载波；

波长扫描范围控制单元，用于对所述时域上连续的多波长光载波进行滤波整形，得到并输出所述多波长光载波的整形光；

通道光延时网络单元，用于对所述整形光加载一路原始雷达信号，得到并延时光载雷达信号，还原并输出不同相位的多路原始雷达信号。

优选地，所述波长切换单元可以包括：

多波长激光发射器，用于同时发射m束波长为λ的原始多波长激光，其中m≥1；

第一强度调制器，用于将控制信号加载到所述原始多波长激光中，在时域上分割所述原始多波长激光，输出时域上离散的多波长光载波，其中，所述控制信号的占空比为1∶m；

第一色散介质，用于将所述时域上离散的多波长光载波拉伸，转换为时域上连续的多波长光载波。

优选地，相邻的所述时域上连续的多波长光载波在时域上的时间间隔δτ＝dlδλ，其中，d为第一色散介质的色散系数，l为第一色散介质的长度，δλ为相邻的所述原始多波长激光之间的波长差。

优选地，所述波长扫描范围控制单元可以包括：

光带通滤波器，用于对所述时域上连续的多波长光载波进行滤波整形，得到所述整形光；

光纤放大器，用于补偿所述整形光在滤波整形过程中的光损耗。

优选地，所述光带通滤波器的中心波长可以为1545nm，带宽可以为1ghz～400ghz。

优选地，所述通道光延时网络单元可以包括：

第二强度调制器，用于对所述整形光加载一路原始雷达信号，得到所述光载雷达信号；

光功分器，用于将所述光载雷达信号等功率分离，得到n路分离光，其中n≥1；

n个平行通道，各通道上有单模光纤和第二色散介质，用于传导并延时所述n路分离光；

光电探测器，用于对延时后的n路分离光转换为n路原始雷达信号；

相位调整器，用于对所述n路原始雷达信号进行相位调整，输出不同相位的原始雷达信号。

幅度补偿器，用于对相位调整后的n路原始雷达信号进行幅度的补偿。

优选地，相邻通道的所述第二色散介质的色散系数差值相同。

优选地，所述通道光延时网络单元还可以包括：偏振控制器，用于控制所述整形光的偏振方向。

(三)有益效果

本发明相较于现有技术，具有以下优点：

1、本发明采用多波长激光，结合色散介质，实现纳秒量级的波束切换；

2、本发明通过控制带宽可调谐滤波器的中心频率和带宽，波束扫描角度可以灵活调节；

3、本发明能够对波束快速扫描，利用色散介质光谱时域拉伸特性，实现超快波长切换，通过光延时网络进行，不同波长的光载波产生不同延时量，进而获得超快波束扫描。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2a为本发明实施例的多波长激光器输出的光信号的示意图；

图2b为本发明实施例的光信号的在时域上分割后的示意图；

图2c为本发明实施例的分割后的光信号的在时域上拉伸后的示意图；

图3为本发明实施例的典型波束指向角的示意图。

具体实施方式

本发明基于光谱时域拉伸技术和光通带可调谐技术实现一种波束超快扫描的微波光子光控相控阵雷达。利用色散介质对多波长光载波进行时域拉伸，控制多波长光载波在时域上连续调谐的时间；并且通过控制光滤波器的通带范围，可以实现波束快速扫描、波束扫描范围灵活可控的微波光子光控相控阵雷达。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种形成微波光子光控波束的系统，多波长激光器输出多个光载波同时进入强度调制器，低比特率的数字信号通过强度调制器的射频端口实现对多个光载波时域上的分割。经过一段色散介质后，多个光载波实现了时域上的拉伸。通过可调谐滤波器对多波长光载波的频谱成分进行整形，经过光纤放大器(edfa)对链路的光损耗进行补偿进入强度调制器。发射的雷达信号对光载波进行调制产生光载雷达信号，经过1∶n(n≥1)的光功分器后，进入n个光纤延时线，产生一定的相位差。输出的光载雷达信号经过光电转换再次还原成原始的雷达信号，经过相位微调和幅度补偿后，通过阵列天线辐射输出，在空间远场进行相干。

图1为本发明实施例的结构示意图，如图1所示，所述形成微波光子光控波束的系统包括：波长切换单元、波长扫描范围控制单元和通道光延时网络单元。

波长切换单元，对原始多波长激光加载控制信号，以及在时域上对所述原始多波长激光分割和拉伸，得到并输出时域上连续的多波长光载波至波长扫描范围控制单元；

波长扫描范围控制单元，对所述时域上连续的多波长光载波进行滤波整形，得到并输出所述多波长光载波的整形光至通道光延时网络单元；

通道光延时网络单元对所述整形光加载一路原始雷达信号，得到并延时光载雷达信号，还原并输出不同相位的多路原始雷达信号。

在本发明实施例中，所述波长切换单元包括多波长激光发射器1、第一强度调制器2和第一色散介质3，其中：

多波长激光发射器1，同时发射m束波长为λ的原始多波长激光，其中m≥1；根据本发明的一种具体实施方式，128通道的多波长激光器中的每个光载波的波长可以独立控制，设置相邻波长间隔保持0.1nm，中心频率为1545nm。控制信号的速率为1gbps，占空比为1∶128。

第一强度调制器2，用于将占空比为1∶m的数字控制信号加载到所述原始多波长激光中进行数字光调制，然后实现多波长光载波在时域上的分割，在时域上分割所述原始多波长激光，输出时域上离散的多波长光载波，产生占空比为1∶m的光信号。经过数字调制的多波长光载波，每个光载波上均携带着占空比为1∶m的数字信号。本发明实施例中，第一强度调制器2的带宽大于20ghz，半波电压小于4v。

第一色散介质3，将所述时域上离散的多波长光载波拉伸，转换为时域上连续的多波长光载波，由于不同波长的光载波在色散介质中产生的延时量不同，相邻的所述时域上连续的多波长光载波在时域上的时间间隔δτ＝dlδλ，其中，d为第一色散介质的色散系数，l为第一色散介质的长度，δλ为相邻的所述原始多波长激光之间的波长差。因此相邻波长之间的光载波在时域上被拉伸，变成时间上线性连续的光载波。根据本发明的一种具体实施方式，采用色散补偿光纤作为色散介质。假设色散系数为-256ps/nm.km，需要色散介质的长度为3.9km；色散系数为-140ps/nm.km，需要色散系数的长度为7.1km。

所述波长扫描范围控制单元包括光带通滤波器4和光纤放大器5，其中：

光带通滤波器4，处于滤波器通带范围内的光载波被保留，处于光滤波器通带外的光载波被滤除，实现对多波长光载波的光谱整形，用于对所述时域上连续的多波长光载波进行滤波整形，得到所述整形光；本发明实施例中，所述光带通滤波器的中心波长为1545nm，带宽在1ghz到400ghz之间连续调谐。根据本发明的一种具体实施方式，可调谐滤波器的中心频率可调谐，带宽最小达到1.25ghz。此外，通过控制带宽可调谐滤波器的中心频率和带宽，使得通过可调谐光滤波器的多波长光载波的波长和波长数量产生变化，波束扫描角度可以灵活调节。

光纤放大器5，用于补偿所述整形光在滤波整形过程中的光损耗。

所述通道光延时网络单元包括：偏振控制器6、第二强度调制器7、光功分器8、n个平行通道9、光电探测器10、相位调整器11和幅度补偿器12。

偏振控制器6，用于控制所述整形光的偏振方向。

第二强度调制器7，用于对所述整形光加载一路原始雷达信号，得到所述光载雷达信号；其中，雷达信号中心频率为10ghz，带宽为4ghz。本发明实施例中，第一强度调制器2的带宽大于20ghz，半波电压小于4v。

光功分器8，用于将所述光载雷达信号等功率分离，得到n(n≥1)路分离光；本发明实施例中，选择1∶8的光功分器8，经过光功分器后，产生8路分离光。

本发明实施例中，对于n个平行通道9，n取8，8路分离光在8个平行通道9上分布别进行延时。更具体地，各通道上有单模光纤和第二色散介质，用于传导并延时所述n路分离光；一般来说，相邻通道的所述第二色散介质的色散系数差值相同，本实施例中，平行通道9的总长度为129.5m，各通道上配置有两种具有不同色散系数的第二色散介质a和b，色散介质a的色散系数为-256ps/nm.km，色散介质b的系数为-140ps/nm.km，各相邻通道的色散介质a的长度差为18.5m。由此，各平行通道9的色散系数不同，具有不同的延时效果。

光电探测器10，用于对延时后的n路分离光进行光电转换，转换为n路原始雷达信号；

相位调整器11，用于对所述n路原始雷达信号进行相位调整，输出不同相位的原始雷达信号。

幅度补偿器12，用于对相位调整后的n路原始雷达信号进行幅度的补偿，最后幅度微调后的雷达信号经过一维阵列天线辐射。

图2a至图2c为本发明实施例的光谱时域拉伸原理图，其中，图2a为本发明实施例的多波长激光器输出的光信号的示意图，如图2a所示，多波长激光发射器，同时发射128束波长为λ的原始多波长激光，128通道的多波长激光器中的每个光载波的波长可以独立控制。图2b为本发明实施例的光信号的在时域上分割后的示意图，如图2b所示，第一强度调制器将占空比为“0”、“1”的1∶128的数字方波控制信号加载到所述原始多波长激光中进行数字光调制，然后实现多波长光载波在时域上的分割，经过的方波信号调制后，多波长光载波在时域上被分割，在时域上分割所述原始多波长激光，输出时域上离散的多波长光载波，产生占空比为1∶128的光信号，经过数字调制的多波长光载波，每个光载波上均携带着占空比为1∶128的数字信号。其中t周期内是有光，127t周期内是无光。进过色散介质后，相邻波长的光信号产生相应的延时，使得不同波长的光载波经过色散介质拉伸，光载波在0～128t整个周期均匀分布。图2c为本发明实施例的分割后的光信号的在时域上拉伸后的示意图，如图2c所示，第一色散介质将所述时域上离散的多波长光载波拉伸，转换为时域上连续的多波长光载波，由于不同波长的光载波在色散介质中产生的延时量不同，相邻的所述时域上连续的多波长光载波在时域上存在时间间隔δτ。

图3为本发明实施例的典型波束指向角的示意图，如图3所示，我们选取5个不同的输入波长(λ1至λ5)对本发明系统进行了模拟。波束通过通道光延时网络单元后，输出8路具有不同相位的原始雷达信号向空间辐射，在远场位置发生相干叠加，形成不同方向的光控波束指向。其波长为λ1＝1545nm时，波束指向角为0°，波束3db宽度为8.64°；当波长为λ2＝1552.5nm和λ3＝1537.5nm时，波束指向角为±30°，波束3db宽度为9.6°；当λ4＝1556.25nm和λ5＝1533.75nm时，波束指向角为±45°，波束3db宽度为17.04°。由此可见，不同的输入波长的波束，对应着不同的波束指向角，其宽度也不相同，也就是说，波束指向角由波长决定，可以通过改变多波长激光发射器发射的原始多波长激光的波长，从而对波束指向角进行灵活调节。

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。