[发明专利]基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成方法及网络系统

说明书

本发明公开了一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成方法及网络系统，属于集成光子技术和微波光子技术领域。该系统包括一个克尔光频梳产生模块，调制模块，多路光延时网络模块和解调模块。该方法首先由克尔光频梳产生模块产生一个宽带相干光频梳信号，通过波分复用器分束成多路光信号，利用电光调器阵列将外部多路天线阵元接收到的微波信号调制到光信号上，然后经过光延时网络模块对多路光信号的相位和幅度进行调控，最终合束为一路光信号，经由光电探测器解调出微波信号。本发明可提高光学波束形成网络的集成化水平，实现大宽带、多通道、宽角的性能，可促进光控相控阵天线芯片化、集成化的发展。

技术领域

本发明属于集成光子技术和微波光子技术领域，具体涉及一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成网络系统。

背景技术

近年来，现代雷达探测系统向着高频段、大带宽、远距离、小目标的方向不断发展。受限于机械结构与扫描惯性，传统机械式扫描天线难以满足机动性、小型化、高功率、快速扫描等需求。而相控阵天线采用阵元分散阵面排布，通过移相器和衰减器改变每个阵元馈电的幅度和相位，可实现天线波束的大范围、快速扫描，有效摆脱机械结构的限制。另外，空间功率合成使得相控阵天线可以实现超大的接收孔径，并通过很多台中小功率发射机的并行工作实现超大的总发射功率，能够有效探测远距离小目标，极大地拓展雷达的探测范围。

为了提高雷达的目标分辨识别能力，相控阵天线必须具备超宽带、宽角扫描的能力。通常，相控阵天线采用微波移相器实现天线阵元的馈相。然而，在提升瞬时工作带宽后，基于微波移相的相控阵天线会面临两个限制——“孔径效应”和“孔径渡越时间”。这是由于微波移相器仅能提供恒定的信号相移值，其大小不随信号频率改变而变化。另外，由于每个移相器的信号延时基本相同，天线两端的阵元接收到的被探测目标回波信号在时间维度上也会出现偏差，导致信号不能同时相加。在相控阵中引入实时延迟技术进行移相处理，可以为天线不同频点信号提供梯度相位，保证宽带波束空间指向的同一性，同时补偿信号的时间差，有效解决“孔径效应”和“孔径渡越时间”问题。而微波延迟线具有固有技术缺陷，不能很好满足应用需求。采用光纤延迟线实现光域延迟移相和信号分配/叠加，不仅能够保证相控阵天线的超宽带工作和宽角扫描能力，而且能够有效降低链路插入损耗、提高相控阵天线抗干扰和电磁兼容性，获得更高的系统可靠性和更小的系统重量与体积。

光波束形成网络通常可以分为基于级联开关的波束形成网络和基于色散元件的波束形成网络两类。级联开关波束形成网络方案的基本原理是通过控制光开关的状态选择真实时间延迟线的长度以获取需要的延时，即通过光程切换实现光控波束形成功能。该方案技术成熟、结构简单，可用光纤作为光真延迟线，通道延时完全由光通道长度决定，理论上可以实现任意延时。但波束形成与扫描时间则取决于光开关的切换控制时间。而基于光色散特性的光控波束形成技术是将待发射/接收调制到多个不同波长的光载波上，不同波长的调制光信号在特定的色散介质或元件经历不同的光程，从而产生不同的光延迟。常见的色散介质主要包括色散光纤和阵列光栅等。在多波长信号处理的场合，用色散控制光延迟的方式能实现更高的延迟精度控制，有利于提升系统的信号处理能力。然而，这些色散介质不可避免地存在一定的时延抖动，这会恶化真延时调控精度。

利用光纤等的分立光学器件进行光控波束形成存在体积大、功耗高、难以集成的缺陷。而现代电子系统在小型/集成化方面的迫切发展需求，开发片上集成式光控波束形成网络是当前的研究主流。这种方案可以极大地减小器件和系统的尺寸，降低功耗，同时具有较高的大规模量产潜力，有效降低光控波束形成网络系统的成本。多波长光源阵列是相控阵天线中光控波束形成网络的重要功能单元，目前通常由多个单激光器或多波长光源构成。但这些多波长激光光源会存在光载波数量有限、成本高、体积大以及功耗高等缺点，无法满足现代光控相控阵天线系统芯片化、集成化的发展需求。

发明内容