一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法与流程

本发明属于相控阵天线和微波光子，具体涉及一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法。

背景技术：

1、传统的机械式扫描天线，由于其机械传动结构扫描速度慢、惯性大，已无法满足高速反应、精确扫描的要求，逐渐被采用电子方法实现雷达波束空间扫描的相控阵天线所取代。

2、相控阵天线利用空间功率合成获得大的阵列增益，从而提高对目标的远距离探测，具有在宽角度范围内波束扫描和波束捷变的能力，在波束覆盖的大角度的空域内，实现对多个目标高数据率的搜索与跟踪，同时提高天线在严重杂波背景下和多种有源干扰环境中的抗杂波和抗干扰能力。相控阵天线无机械运动的转向、高的二维扫描灵活性、准确的波束指向，以及实现低的空间旁瓣所需的精密相位和幅度控制等优点使其有着极大的发展潜力。

3、使用微波移相器的传统相控阵天线在高频段、大瞬时带宽的需求面前存在电子瓶颈，会出现“孔径效应”，限制相控阵天线系统的信号功率和扫描角度范围，从而严重影响了天线系统的性能，因此基于光控波束形成网络的光学相控阵天线成为了该领域的主流技术发展方向。

4、同时来波方向判别是相控阵天线信号测量、分类和识别的重要内容，极大程度的影响相控阵天线的信号识别速度与精度，对雷达、导航、移动通信、救援等各种领域影响深远。

5、基于相位、幅度、频率、到达时间等信号参数，目前已经发展出了最大/最小幅度法、和/差方向图法、瓦特森瓦特来波方向判别法、多普勒来波方向判别法、到达时间差来波方向判别法、相位干涉仪来波方向判别等多种体制。这些体制原理明晰，处理过程简单直观，来波方向判别设备也较为简单，但是无法同时分辨多个时频重叠信号。而阵列响应型来波方向判别技术可实现对多个目标信号的同时判别。相控阵来波方向判别是一种与阵列天线配合使用的信号处理技术，它通过对阵列输出进行加权实现波束成形和空域滤波，进而通过波束扫描实现信号的方位判别。

6、作为相控阵的关键器件，移相器的性能参数对相控阵系统的性能起决定性作用。然而，传统的电移相器受“电子瓶颈”的影响，工作频率及带宽受限，并且存在体积损耗大、易受电磁干扰等缺点，难以满足现代通信及雷达等系统的发展需求。为此，业界尝试利用光生微波技术实现移相。微波光子移相器具有工作频率高、带宽大、相位调谐范围大、稳定性好、体积功耗小、抗电磁干扰强等优点，可满足未来相控阵技术的发展需求。

7、现有的微波光子移相器主要有矢量和技术、外差混频技术及光真延时技术三类方案。基于矢量和技术的微波光子移相器利用外加信号与输入信号的矢量和实现移相。基于矢量和的微波光子移相器结构简单，但难以实现大范围的可控相移，输出微波信号的波动幅度较大。基于外差混频技术的微波光子移相器需要利用光滤波器件，作用频段和带宽受限，价格昂贵，且系统功能相对单一。基于光真延时技术的移相器适用于宽带波束控制系统，是利用不同长度的光实时延时线具有不同的相移来实现移相，可与光控相控阵天线装备紧密结合，是来波方向判别发展的新方向。

技术实现思路

1、为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提供一种光控波束形成网络装置及来波方向调控方法。本发明可提高波束扫描来波方向判别水平，实现阵列天线射频信号的准确发射与接收。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种光控波束形成网络装置，包括：

4、多路激光光源阵列模块，用于产生n路中心波长不同的连续光载波信号，n为大于1的自然数；

5、射频信号调制模块，通过电光调制器阵列将外部n个天线阵元接收到的n路射频信号分别调制到n路光载波信号上；

6、多路光控波束调控模块，通过波束控制元件调控n路可调光延时线和可调光衰减器，对接收到射频信号调制模块输出的n路调制后光信号分别进行延时量调节和幅度均衡匹配，依据预设的m个不同的波束指向角度，使n路调制后光信号相邻两路之间具有相应的延时差和衰减调控值，以此形成m个不同的延时梯度，满足对应波束指向角度，然后n路波束调控后的光信号进入n路光电二极管阵列进行光电转换，得到波束调控后的射频信号，m为大于1的自然数；

7、射频信号接收及处理模块，使用微波合束器对n路接收到的射频信号进行合束处理，然后再由微波分束器将合波后的信号一分为二，其中一路用于信号的接收以及后续处理，另一路应用于来波方向判别，具体方式为：使用来波方向判别方法，确定来波方向的角度，然后反馈到多路光控波束调控模块的波束控制元件，调节n路调制后光信号的延时量和幅度衰减量，使天线接收到的射频信号获得最大功率。

8、进一步地，所述多路激光光源阵列模块包括：

9、n个波长可调谐激光器，用于产生n个不相干的具有预设波长间隔的光载波信号；

10、所述射频信号调制模块包括：

11、n路电光调制器，用于将外部n个天线阵元接收到的n路射频信号分别调制到n路光载波信号上；

12、所述多路光控波束调控模块包括：

13、n路可调延时线，用于对n路调制后光信号进行延时量调节；

14、n路可调光衰减器，用于对n路调制后光信号进行幅度均衡匹配；

15、波束控制元件，用于接收控制信号，调控n路可调光延时线和可调光衰减器；

16、n路光电探测器，用于对n路波束调控后的光信号进行光电转换，得到波束调控后的射频信号；

17、所述射频信号接收及处理模块包括：

18、n合1微波合束器，用于将n路接收到的射频信号进行合束处理；

19、1分2微波分束器，用于将合波后的信号一分为二，分为来波方向判别和信号接收两路；

20、信号接收及处理单元，用于接收处理射频信号；

21、来波方向判别单元，用于判别射频信号的来波方向，并将控制信号发给波束控制元件。

22、一种来波方向调控方法，基于如上所述的光控波束形成网络装置实现，用于对波束信号进行延时以及衰减调控，并结合来波方向判别方法，获得波达方向，包括以下步骤：

23、(1)通过多路激光光源阵列模块产生n路中心波长不同的连续光载波信号；

24、(2)n路中心波长不同的连续光载波信号进入射频信号调制模块，通过调节其直流偏置电压，将n个天线阵元接收到的射频信号分别调制到n路光信号上；

25、(3)将n路调制后的光信号输入到多路光控波束调控模块中，使用波束控制元件对n路调制后的光信号进行延时调控和幅度均衡调控，然后n路波束调控后的光信号进入n路光电二极管阵列进行光电转换；

26、(4)转换后的射频信号输入射频信号接收及处理模块，首先进行合束处理，然后将其分为两路，其中一路进行来波方向判别，确认现有的来波方向，形成波束调控指令；

27、(5)将调控指令发送到波束控制元件，对n路调制后的光信号再次进行延时调控和幅度均衡调控，然后n路波束调控后的光信号进入n路光电二极管阵列进行光电转换；

28、(6)重复步骤(4)，同时判断波束调控效果，若满足要求则进行步骤(7)，否则重复步骤(5)和步骤(6)；

29、(7)对射频信号接收及处理模块中2分1分束器输出的另一路信号进行接收以及后续处理，完成射频信号的最大功率接收。

30、本发明的有益效果在于：

31、1、利用光控波束形成网络的结构优势，可实现同时接收多个波束指向的雷达回波信号，波束数目和天线的数量都可任意扩展，并且可以在很大的辐射角度范围内实现任意角度的窄波束的合成接收，这将大大提升接收波束的增益，有助于提升接收机的性能；

32、2、采用光纤延迟线实现移相功能，在光域内进行延时处理，免疫传统方法受电磁干扰的问题，且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波束的快速扫描，提高系统性能；

33、3、采用光控波束形成技术，充分利用光处理宽带能力强、功耗低的特性，有效提高系统工作带宽与工作频段，减轻前后端处理，进而减少设备数量，提高了系统性能，增加经济可行性；

34、4、采用来波方向调控方法，精确调控相控阵天线接收方向，使天线信号的接收效率以及接收到的功率更高。