一种波位可调谐的波束形成网络装置及方法与流程

1.本发明涉及雷达和电子对抗技术领域，特别涉及一种波位可调谐的波束形成网络装置及方法。


背景技术：

2.在雷达和电子对抗应用中，通过对一定空域覆盖范围内目标进行探测和干扰是通过发射一定指向的波束来实现的，特别是高分辨雷达成像和电子干扰领域，还需要发射宽带电磁信号，因此要求波束形成网络具有宽带、宽角扫描能力。由于受到孔径效应和孔径渡越时间的限制，传统的相控阵技术无法满足要求。
3.人们转而求向基于真延时的光控波束形成技术，包括基于光纤长度、色散光纤、波分复用器、光纤光栅、空间光调制器、集成光波导等。其中基于色散光纤技术体制的光控波束形成网络因其成本低廉、结构简单，加工难度较小，技术相对成熟等综合优势而备受关注。但在实际设计和使用时常面临以下需求：(1)需要同时产生多个覆盖范围广的波束，即具备同时多波束形成能力；(2)需要对其波束指向具有一定的调谐能力以用于大范围扫描；另外，对基于色散光纤技术体制的波束形成网络，其波束指向与色散光纤的色散系数d有关，而d随波长随变化(d＝d(λ))，故实际波束指向与设计值之间存在一定差异，需要对其进行调整，即波束形成网络需要还需具备指向角的微调能力；(3)需要以较小的代价将小的天线阵面(作为大阵的“子阵”)拼成一个大阵(或全阵)以提高目标探测或干扰的能力。对于这些需求的解决，目前仍鲜有报道。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种波位可调谐的波束形成网络装置及方法。本发明中多个激光器阵列发射的激光分别经马赫-曾德尔调制器进行强度调制后合为一束，再经放大、路由选择、延时网络和光电转换后完成对待发射信号的解调。本发明具有宽带、宽角扫描能力，可同时形成多个波束，并对波束指向进行调谐，同时还具备即可利用全阵也可利用子阵的特点。
5.本发明的技术方案是：一种波位可调谐的波束形成网络装置，包括可调激光器a、马赫-曾德尔强度调制器b、1
×
m波分复用器c、光放大器d、1
×
n光分束器e、n路色散延时网络g、光电探测器j，每一路信号输入单元具体结构为：可调激光器a与马赫-曾德尔强度调制器b的光输入接口连接，马赫-曾德尔强度调制器b的射频输入接口与待发射的射频信号连接，马赫-曾德尔强度调制器b的光输出接口与1
×
m波分复用器c的输入接口连接；其特征在于：1
×
m波分复用器c的输出与光放大器d的输入连接、光放大器d的输出与1
×
n光分束器e的输入连接，1
×
n光分束器的n路输出分别与n路色散延时网络g相连，n路色散延时网络g的每一路包括色散光纤和单模光纤，每一路色散光纤和单模光纤总长度相等；其中n路色散延时网络g分别与n个光电探测器j一一对应连接。
6.本发明还公开了一种波位可调谐的波束形成网络的方法，包括以下步骤：
7.步骤一、m个波长可调谐激光器a发射出波长为λi(i＝1,2,
…
,m)的激光入射到马赫-曾德尔调制器b，b将待发射的射频信号调制到光载波上变成m路调制光；
8.步骤二、m束调制光分别经波分复用器c后合成一束，并进入光放大器d对其进行放大；
9.步骤三、分束器e输出的n路光与n路色散延时网络g相连，n路色散延时网络g的每一路由色散光纤和单模光纤熔接而成，每一路的总长度都相等；
10.步骤四、n路色散延时网络g的各路输出与光电探测器j相连，将光信号转换成射频信号。
11.本发明的有益效果是：(1)波束指向可调；(2)具备同时多波束形成能力，实现大范围空域的同时覆盖：(3)通过光开关即切换可以较小代价选择将小阵拼成大阵(或将子阵拼成全阵)，也可选择利用小阵(或子阵)面，增加了使用的灵活性；(4)宽带信号发射；(5)结构简单、可按需扩展。
附图说明
12.图1为全阵发射模式装置的结构示意图。
13.图2为全阵发射模式和子阵发射模式可切换装置的结构示意图。
14.图3为不同波位的方向图。
15.图4为采用50ghz频率间隔的可调激光器调节光载波频率前后的波束指向误差。
16.附图标记说明：可调激光器a、马赫-曾德尔强度调制器b、1
×
m波分复用器c、光放大器d、1
×
n光分束器e、1
×
p光分束器f、n路色散延时网络g、p路色散延时网络h、光电探测器j、第一光开关k1、第二光开关组k2、天线单元l。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
18.如图1所示，本发明的一种波位可调谐的波束形成网络装置，包括可调激光器a、马赫-曾德尔强度调制器b、1
×
m波分复用器c、光放大器d、1
×
n光分束器e、1
×
p光分束器f、n路色散延时网络g和光电探测器j。m路信号输入单元与1
×
m波分复用器c的输入口连接，每一路信号输入单元的具体结构为：可调激光器a与马赫-曾德尔强度调制器b的光输入接口连接，马赫-曾德尔强度调制器b的射频输入接口与待发射的射频信号连接，马赫-曾德尔强度调制器b的光输出接口与1
×
m波分复用器c的输入接口连接。
19.如图1所示，1
×
m波分复用器c的输出与光放大器d的输入连接、光放大器d的输出与1
×
n光分束器e的输入连接，1
×
n光分束器e的n路输出分别与n路色散延时网络g相连，每一路包括色散光纤和单模光纤，色散光纤和单模光纤总长度相等。总长度可以为(n-1)
·
δl，此时单模光纤长度为l
1s,i
＝(n-i)
·
δl(i＝1,2,
…
,n)，色散光纤的长度为l
1d,i
＝(i-1)
·
δl(i＝1,2,
…
,n)，δl为色散光纤长度差，采用这样的长度设计，第一路只有单模光纤，最后一路只有色散光纤。每一路色散延时网络后面分别连接光电探测器j，共连接n路光电探测器j。本发明可以通过调节激光器的波长，使得每个通道的延时不同，从而产生不同的波束指向。
20.如图2所示，作为本发明的进一步方案，还包括第一光开关k1、第二光开关组k2和p
路色散延时网络h、1
×
p光分束器f，p小于n，光放大器d的输出与第一光开关k1连接，第一光开关k1的输出可选择连接1
×
n光分束器e或1
×
p光分束器f，1
×
p光分束器f与p路色散延时网络h相连，n路色散延时网络g和p路色散延时网络h的输出通过第二光开关组k2与光电探测器j连接。其中，n路色散延时网络g分别与n路光电探测器j连接，p路色散延时网络h与光电探测器j中的p路一一对应连接；p路色散延时网络h的每一路包括色散光纤和单模光纤，色散光纤和单模光纤总长度相等。总长度可以为(p-1)
·
δl，单模光纤长度为l
2s,j
＝(p-j)
·
δl，色散光纤长度为l
2d,j
＝(j-1)
·
δl(j＝1,2,
…
,p)。这样通过控制第一光开关k1、第二光开关组k2的连接对象实现大阵面和小阵面的选择。
21.本发明还公开了一种波位可调谐的波束形成网络的方法，包括以下步骤：
22.步骤一、m个波长可调谐激光器a发射出波长为λi(i＝1,2,
…
,m)的激光(光载波)入射到马赫-曾德尔调制器b，b将待发射的射频信号调制到光载波上变成m路调制光，其中λi为itu标准波长；(注：(1)可调激光器的波长通过软件即可方便的调节；(2)可调激光器可以完全一样，以利于增强通用性、互换性和标准化，实际使用时可按需配置各激光器波长；(3)每一个激光器通过n路发射通道形成一个指向的波束，m个不同波长的载波可对应形成m个指向的波束，即同时形成m个波束；(4)激光器的波长调节范围越大，波束指向角度调节范围也越大；波长调节间隔越小，波束指向角调节越精确，越容易将实际指向精确地调整到设计值)；(5)激光器的波长切换时间短，为～ns级(时间短，有利于快速探测目标或干扰目标)；
23.步骤二、m束调制光分别经波分复用器c后合成一束，并进入光放大器d对其进行放大；
24.步骤三、放大后的调制光通过光开关k1与1
×
n分束器e或1
×
p分束器f相连，使之均分成n路或p路光，其中n大于p；分束器e输出的n束光与n路色散延时网络g相连(n为通道数或路数)，分束器f输出的p路光与p路色散延时网络h相连，对各通道的调制光进行延时处理；n路色散延时网络g、p路色散延时网络h的每一路由色散光纤和单模光纤熔接而成，总长度相等，但色散光纤(单模光纤)长度构成等差数列。对于n路色散延时网络g，总长度可以为(n-1)
·
δl，单模光纤和色散光纤的长度分别为l
1s,i
＝(n-i)
·
δl和l
1d,i
＝(i-1)
·
δl(i＝1,2,
…
,n)。对于色散延时网络h，总长度可以为(p-1)
·
δl，其各路的单模和色散长度分别为l
2s,j
＝(p-j)
·
δl和l
2d,j
＝(j-1)
·
δl(j＝1,2,
…
,p)，其中l的下标1、2分别对应n路色散延时网络和p路色散延时网络(p《n)。(为了保证形成同一指向的波束，需要保持恒定长度差，且色散光纤长度差δl相同)。本发明中，n路色散延时网络g对应的全阵发射模式，p路色散延时网络h对应的子阵发射模式，这样通过开关即可选择系统的不同工作模式。如果需要全阵发射模式，则无需设置p路色散延时网络h。
25.本步骤中，δl一般在设计时由波位范围决定，δl＝d
·
(sinθ
max-sinθ
min
)/(c
·
δλ)，其中d为天线单元间距，c为光速，θ
max
和θ
min
分别为最大波位和最小波位，δλ为对应最大波位和最小波位时激光器波长(设计值)差。
26.步骤四、n路色散延时网络g或p路色散延时网络h的各路输出光通过光开关组k2与光电探测器j相连，将光信号转换成射频信号，经后续的处理由天线单元l辐射出去完成信号的发射。
27.本发明可以通过软件调节可调激光器的波长，使得每个通道的延时不同，从而产
生不同的波束指向(在使用时，可事先将波位编码以方便切换操作)。
28.本发明还可以通过软件选择第一光开关k1、第二光开关组k2的连接对象实现大阵面和小阵面的选择(当要选择大阵面时，第一光开关k1、第二光开关组k2均与n路色散延时网络g相连；当要选择小阵面时，第一光开关k1、第二光开关组k2均与p路色散延时网络h相连(p《n)。当第二光开关组k2选择色散延时网络h时，光电探测器j分别与h的各通道相连)。本发明通过开关分别与延时网络g或延时网络h相连，将光信号转换成射频信号，经后续的处理由天线单元l辐射出去完成信号的发射。如果采用直接从n路色散延时网络g中取出p路也可以实现小阵的切换，但由于使用了1
×
n路光分束器(n》p)，相较于直接采用p路色散延时网络h，有额外损耗从而降低了系统性能。(注：图2中符号1-i(i＝1,2,
…
,n)的1表示与大阵面对应的网络，即色散延时网络g，i表示第i路输出，相应地与第i个光电探测器相连；同理2-j(j＝1,2,
…
,p)中的2表示与小阵对应的色散延时网络h，j表示第j路输出，与第j个探测器相连。
29.本发明具有以下特点：
30.(1)波束指向可调：波束指向与通道间的延时差δτ有关，而延时差与光纤的色散系数d、载波波长λi(或频率)和色散光纤长度差δl均有关；在延时网络确定(d、δl等亦随之确定)的情况下，通过调谐每个激光器的波长，可改变波束指向完成对空域的扫描；特别地，a)当δl越大，激光器的波长调节范围越大，整个波束形成网络的指向调节范围越大。δl一般在设计时由波位范围决定，此时主要通过选择波长调节范围大的激光器来实现大角度指向调节。b)当激光器的波长间隔比较小时，该装置在对波束指向角进行粗调的同时还具备微调/校正的能力——由于材料的色散系数在不同波长下不同，故实际指向与设计指向之间有差异，通过细微的调节载波波长可用于校正波束指向角。
31.(2)具备同时多波束形成能力，实现大范围空域的同时覆盖：通过m个激光器分别发射不同载频的激光可同时形成多个波束，具备对空域同时进行覆盖的能力；进一步地，增加激光器a和调制器b以及更换波分复用器c即可方便地实现波束个数的扩展。
32.(3)通过光开关即切换可以较小代价选择将小阵拼成大阵(或将子阵拼成全阵)，也可选择利用小阵(或子阵)面，增加了使用的灵活性。如将p路小阵切换成n路的大阵面时，只需增加1个光开关和1个n路的色散延时网络以即可完成；当需将一个大阵面分成几个小阵面使用时(如分开部署条件下)，只需将n路延时网络换成几个通道数对应的延时网络以及光开关即可实现，而延时网络的成本低廉，每通道仅～几百元。
33.(4)宽带信号发射：由于调制器和光电探测器的工作频率范围很宽，通过调节注入射频信号的工作频率范围即可实现宽带信号的发射。
34.(5)结构简单、可按需扩展：a)从形成一个波束扩展到同时形成m个波束无需将所有器件数量乘以m倍，只是增加了(m-1)个激光器、(m-1)马赫-曾德尔强度调制器和1个1
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m波分复用器，无需m套同样的系统，可显著降低成本；b)通过增加延时网络(成本低廉)的通道数n可实现通道数的扩展(对应着阵面的扩展)。
35.本发明采用以下条件进行了验证：利用两个可调激光器a同时产生2波束，输入马赫-曾德尔强度调制器b的待发射的射频信号频率范围为0-18ghz，波位个数61个(激光器为波长为itu标准波长，调谐范围为3thz，调谐间隔50ghz。如图3所示，将激光器波长调节为16个不同值，单个波束可实现16个波位，其俯仰角覆盖-45
°
～+45
°
空域范围。
36.如本发明图4所示，由于材料在不同载波频率下色散系数的差异，实际指向与设计值之间存在偏差。由图可以看出，其最大角度偏差达到7.5
°
，采用本设计后通过调节激光器频率，最大误差角减小为0.82
°
，表明该方法可起到很好的校正指向作用，可用于弥补设计的偏差。