一种基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向方法与流程

1.本技术涉及微波光子学和无线电测向技术领域，特别是涉及一种基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向方法。


背景技术：

2.无线电测向是指采用某种算法对辐射源的来波方向进行测定的技术。测向技术是无线信号测量、分类和识别的重要内容，具有作用距离远、定位精度高、受环境影响小等优点，广泛应用于雷达、导航、移动通信、救援和电子战等诸多民事和军事领域中。经过多年的研究，目前已经发展形成了相位响应型、幅度响应型、频率响应型、时间响应型、阵列响应型等诸多测向体制，不同体制各具优缺点，可适用于不同的应用场景。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-瓦特测向法、多普勒测向法、到达时间差测向法、相位干涉仪测向、相关干涉仪测向等多种测向方法，这些传统的测向方法算法原理明晰，计算过程简单直观，测向设备也较为简单，但是无法同时分辨多个时频重叠信号。为此，可利用阵列响应型测向技术实现对多个目标信号的同时测向。阵列测向是利用天线阵列接收信号的统计特性，利用数字信号处理技术实现多个来波信号的同时测向。相控阵测向技术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形成和空域滤波，进而通过波束扫描实现信号的方向测定。
3.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着决定性作用。但是，传统的电移相器受“电子瓶颈”的影响，工作频率和带宽受限，并且存在体积大、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。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现对多个时频重叠微波信号进行测向的技术，具体为一种基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向方法。
5.一种基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向方法，所述均匀圆形相控阵测向方法应用于相控阵测向系统中，所述相控阵测向系统包括均匀圆形的天线阵列、多个分别与所述天线阵列中各天线阵元连接的微波光子移相器以及测向模块，所述方法包括：
6.所述均匀圆形的天线阵列通过各天线阵元接收目标区域中的辐射源信号，并将接收到的阵列信号发送给对应的微波光子移相器；
7.各所述微波光子移相器分别对各天线阵元接收到的每一路信号的相位进行相位控制，以输出相位可调谐、幅度稳定的射频信号，并将该射频信号发送至所述测向模块；
8.所述测向模块通过调整各所述微波光子移相器的相移值，实现在对目标区域的空间扫描，通过对射频信号进行求和并计算其输出功率，根据多个最大输出功率计算所述辐射源信号的来波方向，所述来波方向包括方位角以及俯仰角。
9.在其中一实施例中，各所述微波光子移相器包括激光器、分束器、双平行马赫曾德
尔调制器、相位调制器、合束器以及光电转换器；
10.所述激光器用于生成波长、功率均可调的光载波信号，并通过所述分束器分为两路光载波支路信号；
11.所述双平行马赫曾德尔调制器用于将所述天线阵元接收的每一路信号调制到其中一路光载波支路信号上，并通过调整直流偏置电压生成抑制载波单边带信号；
12.所述相位调制器用于对另一路光载波支路信号调整直流偏置电压生成相位可调的光载波信号；
13.所述合束器将抑制载波单边带信号以及相位可调的光载波信号进行耦合后，再将耦合后的信号通过所述光电转换器进行拍频得到所述射频信号。
14.在其中一实施例中，所述双平行马赫曾德尔调制器包括两个射频输入端口以及三个直流偏置电压端口，将所述天线阵元接收的每一路信号分别进行0
°
和90
°
相移分为两路射频信号输入到所述双平行马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口，并调整三个直流偏置电压值完成电光转换。
15.在其中一实施例中，所述射频信号可实现-180
°
到180
°
的连续相位调谐。
16.在其中一实施例中，所述抑制载波单边带信号表示为：
[0017][0018]
在上式中，e0、ω0分别为所述光载波信号的幅度和角频率，j1为一阶贝塞尔函数，β为双平行马赫曾德尔调制器中马赫曾德尔调制器的调制系数，ωe为天线阵元接收的每一路信号的角频率。
[0019]
在其中一实施例中，所述相位可调的光载波信号表示为：
[0020][0021]
在上式中，e0、ω0分别为所述光载波信号的幅度和角频率，θ表示相位偏移，且v
π3
为相位调制器的半波电压，v
dc
为可进行调节的偏置电压。
[0022]
在其中一实施例中，将所述合束器将抑制载波单边带信号以及相位可调的光载波信号进行耦合后得到：
[0023][0024]
将耦合后得到的信号通过所述光电转换器进行拍频得到所述射频信号，所述射频信号表示为：
[0025][0026]
在其中一实施例中，所述均匀圆形的天线阵列接收到的阵列信号表示为：
[0027]
x(t)＝as(t) n(t)
[0028]
在上式中，x(t)为n
×
1维接收信号向量，n(t)为n
×
1维加性噪声信号向量，s(t)为q
×
1维空间信号向量，a＝[a
1 a2ꢀ…ꢀaq
]为n
×
q维导向矢量阵，而均匀圆形的天线阵列的导向矢量表示为：
[0029][0030]
在上式中，表示均匀圆形的天线阵列半径与信号波长比，αi,βi为辐射源的来波方向，其中αi为方向角，βi为俯仰角，表示两个相邻天线阵元之间的夹角。
[0031]
在其中一实施例中，在通过各所述微波光子移相器对阵列信号的相位进行移相后，也就是进行加权后，再进行求和得到：
[0032]
y(t)＝w
t
x(t)
[0033]
在上式中，x(t)表示阵列信号，而w
t
表示天线阵列的加权矢量；
[0034]
而天线阵列输出信号的平均功率为：
[0035][0036]
在上式中，为天线阵列接收信号的自相关矩阵，m为信号的采样点数。
[0037]
在其中一实施例中，在计算辐射源信号的来波方向时为：求解天线阵列输出信号的平均功率最大值时，天线阵列的导向矢量中所对应的方向角和俯仰角。
[0038]
上述基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向方法，通过微波光子学和相控阵测向技术将电域和光域结合起来实现多个时频重叠微波信号的测向，并且，本方法能够适应高频段、大带宽微波信号的测向，同时在本方法中利用的均匀圆形天线阵列能够实现对目标信号的二维测向，并且在对各天线阵元接收的信号进行移相时采用了微波光子移相器，可以产生更为稳定的可调谐的微波移相信号，能够满足相控阵测向的性能要求。并且该方法在通信、导航及雷达等诸多领域中具有广泛的应用价值。
附图说明
[0039]
图1为一个实施例中实施均匀圆形相控阵测向方法的相控阵测向系统结构示意图；
[0040]
图2为一个实施例中微波光子移相器的结构示意图；
[0041]
图3为另一个实施例中双平行马赫曾德尔调制器的内部结构示意图。
具体实施方式
[0042]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0043]
在本实施例中，提供了一种基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向方法，该均匀圆形相控阵测向方法应用于如图1所示的相控阵测向系统中，相控阵测向系统包括均匀圆形的天线阵列、多个分别与天线阵列中各天线阵元连接的微波光子移相器以及测向模块，方法包括：
[0044]
均匀圆形的天线阵列通过各天线阵元接收目标区域中的辐射源信号，并将接收到的阵列信号发送给对应的微波光子移相器；
[0045]
各微波光子移相器分别对各天线阵元接收到的每一路信号的相位进行相位控制，以输出相位可调谐、幅度稳定的射频信号，并将该射频信号发送至测向模块；
[0046]
测向模块通过调整各微波光子移相器的相移值，实现对目标区域的空间扫描，通过对射频信号进行求和并计算其输出功率，根据多个最大输出功率计算辐射源信号的来波方向，来波方向包括方位角以及俯仰角。
[0047]
在本实施例中，利用微波光子移相器对每个天线阵元的接收信号进行相位控制，进而对处理后的信号进行求和，实现对阵列天线的接收增益聚焦在某一特定方向，实现对目标区域的自动扫描，其中最大输出功率所对应的方向即为信号的来波方向值。其中，采用均匀圆形的天线阵列对辐射源信号进行测向，其均匀圆阵具有天线孔径小、可实现二维测向、适用频段宽、测向精度均匀等优点。在均匀圆阵中的各天线阵元均对应连接有一微波光子移相器，分别对对应天线阵元接收的射频信号进行移相，在各微波光子移相器中，将射频电信号转换为光信号后进行处理再转换为射频信号输出。而微波光子移相器相较于传统的电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。而在测向模块中，将进行移相处理后的射频信号进行相加后计算天线阵列的平均功率，实现对目标区域进行空间扫描，再根据各最大功率值计算出辐射源信号的来波方向，其来波方向包括方位角以及俯仰角。
[0048]
在本实施例中，各微波光子移相器包括激光器、分束器、双平行马赫曾德尔调制器、相位调制器、合束器以及光电转换器，其中，激光器用于生成波长、功率均可调的光载波信号，并通过分束器分为两路光载波支路信号，双平行马赫曾德尔调制器(dpmzm)用于将天线阵元接收的每一路信号调制到其中一路光载波支路信号上，并通过调整直流偏置电压生成抑制载波单边带信号，相位调制器(pm)用于对另一路光载波支路信号调整直流偏置电压生成相位可调的光载波信号，合束器将抑制载波单边带信号以及相位可调的光载波信号进行耦合后，再将耦合后的信号通过光电转换器进行拍频得到射频信号。
[0049]
如图2所示，处于图左边的二极管图标表示激光器，该激光器产生光载波信号并通过分束器产生两路光载波支路信号，其中上支路信号通过双平行马赫曾德尔调制器，而下支路信号通过相位调制器，这两路信号分别进行调制后通过合束器进行耦合，之后再通过处于图右边的光电转换器pd进行拍频以输出相位可调谐、幅度稳定的射频信号。
[0050]
如图3所示，双平行马赫曾德尔调制器包括两个射频输入端口以及三个直流偏置电压端口，而双平行马赫曾德尔调制器内部包括两个子马赫曾德尔调制器(mzm)和一个主马赫曾德尔调制器，通过调整各控制端口的输入值即可实现不同的调制方式。
[0051]
具体的，在各微波光子移相器对天线阵元接收的到每一路信号进行以下处理：
[0052]
设定激光器的输入信号为：
[0053]ein
(t)＝e
0 cos(ω0t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
在公式(1)中，e0、ω0分别为所述光载波信号的幅度和角频率。
[0055]
如图2所示，再将各天线阵元接收信号进行0
°
和90
°
相移并输入到dpmzm的两个射频端口，不妨令dpmzm中上下两路mzm的输入射频信号分别为vesinωet和vecosωet。通过设置直流偏置电压将两个子mzm均设置在最小传输点，假定两个子mzm具有相同的半波电压vπ1
，则输入直流偏置电压为：v
d1
＝v
d2
＝v
π1
。
[0056]
由此可知，dpmzm中上支路mzm的输出信号可表示为：
[0057][0058]
在公式(2)中，jn为n阶贝塞尔函数，β为mzm调制器的调制系数，可见，此mzm调制器抑制了偶次阶边带，仅剩余奇次阶边带。
[0059]
类似的，dpmzm中下支路mzm的输出信号可表示为：
[0060][0061]
进一步的，信号e2还通过与该mzm串联的相位调制器pm1，而设定pm1的半波电压为v
π2
，通过其直流偏置电压输入端调整直流偏置电压为：则其输出信号为：
[0062][0063]
在小信号调制下，由贝塞尔函数的性质可知，相对低阶贝塞尔函数，其高阶贝塞尔函数值可以忽略，由此可知，dpmzm调制后的抑制载波单边带信号为：
[0064][0065]
在公式(5)中，e0、ω0分别为所述光载波信号的幅度和角频率，j1为一阶贝塞尔函数，β为双平行马赫曾德尔调制器中马赫曾德尔调制器的调制系数，ωe为天线阵元接收的每一路信号的角频率。
[0066]
而下支路光载波信号通过pm调制器，并通过调节偏置电压v
dc
引入相移量，即相位可调的光载波信号表示为：
[0067][0068]
在公式(6)中，e0、ω0分别为所述光载波信号的幅度和角频率，θ表示相位偏移，且v
π3
为相位调制器的半波电压，v
dc
为可进行调节的偏置电压。
[0069]
将所述合束器将抑制载波单边带信号以及相位可调的光载波信号进行耦合后得到：
[0070][0071]
再通过pd拍频后，可以得到移相器的输出信号为：
[0072]
[0073]
公式(8)即为对各天线阵元的接收信号相位进行移相后得到相位可调谐射频信号，并由该式可见，通过调节下路pm调制器的偏置电压v
dc
即可实现射频相位-180
°
到180
°
的相移，并且输出的微波信号幅度不受调制电压的影响，能输出幅度平坦的微波移相信号。
[0074]
在本实施例中，在各微波光子移相器对各天线阵元的接收信号相位进行移相后，再在测向模型中计算辐射源信号的来波方向。本方法采用均匀圆形的天线阵列，可对信号进行二维测向，即同时得到信号的方向角及俯仰角。
[0075]
具体的，假定q个远场窄带信号发送到阵元数为n的天线阵列，各天线通道同步接收。则天线阵接收的第i个信号可表示为：
[0076][0077]
在公式(9)中，ui(t)表示第i个接收信号的幅度，ω为信号的频率，为接收信号的初始相位。
[0078]
基于窄带远场信号的假设，可知：
[0079]
si(t-τ)≈si(t)e-jωτ
(10)
[0080]
而天线阵列中第l个阵元的接收信号可表示为：
[0081][0082]
在公式(11)中，g
li
表示第l个阵元对第i个信号的增益，τ
li
表示第i个信号到达第l个阵元相对参考阵元的时延，n
l
(t)表示第l个阵元接收的噪声信号。
[0083]
基于各通道一致性的考虑，可对通道增益进行归一化处理，即g
li
＝1。则天线阵接收的阵列信号向量可表示为：
[0084][0085]
而公式(12)可写为矩阵形式：
[0086]
x(t)＝as(t) n(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0087]
在公式(13)中，x(t)为n
×
1维接收信号向量，n(t)为n
×
1维加性噪声信号向量，s(t)为q
×
1维空间信号向量，a＝[a
1 a2ꢀ…ꢀaq
]为n
×
q维导向矢量阵，而均匀圆形天线阵列的导向矢量为：
[0088][0089]
在公式(14)中，其中c为光速，λ为信号波长。
[0090]
另外，设定信号来波方向为(αi,βi)，设定阵列中某个参考点为(0,0,0)，第k个阵元坐标为(xk,yk,zk)，则目标信号到达该阵元的时延为：
[0091]
[0092]
接着具体分析均匀圆阵的导向矢量，该阵列可同时对来波信号的方位角和俯仰角进行二维测向，设定圆阵的圆心为参考点，圆阵半径为r，则信号到达第k个阵元的相应时延可表示为：
[0093][0094]
在公式(16)中，表示两个相邻天线阵元之间的夹角。
[0095]
则根据公式(14)和公式(16)可得到均匀圆阵的导向矢量为：
[0096][0097]
在公式(17)中，表示均匀圆形的天线阵列半径与信号波长比，αi,βi为辐射源的来波方向，其中αi为方向角，βi为俯仰角，表示两个相邻天线阵元之间的夹角。而为均匀圆阵的重要参数，可直接决定测向算法的性能。
[0098]
假设天线阵列的加权矢量，也就是在各微波电子移相器中进行移相的移相矢量为：
[0099]
w＝[w
1 w2ꢀ…ꢀ
wn]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0100]
则天线阵列信号在进行加权求和之后得到：
[0101]
y(t)＝w
t
x(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0102]
同时，根据公式(19)可以得到天线阵列输出信号的平均功率为：
[0103][0104]
在公式(20)中，为天线阵列接收信号的自相关矩阵，m为信号的采样点数。
[0105]
通过公式(20)可以看出，当时，阵列输出的功率最大。因此，可通过调整各路信号的加权值也就是微波光子移相器的相位值，不断扫描后比较所得的功率值，取最大的q个峰值点作为信号来波方向估计值。根据公式(17)即得到最大功率值对应的方向角和俯仰角。
[0106]
上述基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向方法，通过微波光子学和相控阵测向技术将电域和光域结合起来实现多个时频重叠微波信号的测向，并且，本方法能够适应高频段、大带宽微波信号的测向，同时在本方法中利用均匀圆形的天线阵列能够实现对目标信号的二维测向，并且在对各天线阵元接收的信号进行移相时采用了微波光子移相器，可以产生稳定可调谐的微波移相信号，能满足相控阵测向性能要求。并且该方法在通信、导航及雷达等诸多领域中具有广泛的应用价值。
[0107]
在本实施例中，还提供了一种基于微波光子移相器的均匀圆形相控阵测向系统，
所述系统包括均匀圆形的天线阵列、多个分别与所述天线阵列中各天线阵元连接的微波光子移相器以及测向模块；
[0108]
所述均匀圆形的天线阵列通过各天线阵元接收目标区域中的辐射源信号，并将接收到的阵列信号发送给对应的微波光子移相器；
[0109]
各所述微波光子移相器分别实现对各天线阵元接收到的每一路信号进行移相，以输出相位可调谐、幅度稳定的射频信号，并将该射频信号发送至所述测向模块；
[0110]
所述测向模块通过调整各所述微波光子移相器的移相值，实现对目标区域的空间扫描，对扫描得到的射频信号进行求和后计算其输出功率，根据多个最大输出功率计算所述辐射源信号的来波方向，所述来波方向包括方位角以及俯仰角。
[0111]
在其中一实施例中，各所述微波光子移相器包括激光器、分束器、双平行马赫曾德尔调制器、相位调制器、合束器以及光电转换器；
[0112]
所述激光器用于生成波长、功率均可调的光载波信号，并通过所述分束器分为两路光载波支路信号；
[0113]
所述双平行马赫曾德尔调制器用于将所述天线阵元接收的每一路信号调制到其中一路光载波支路信号上，并通过调整直流偏置电压生成抑制载波单边带信号；
[0114]
所述相位调制器用于对另一路光载波支路信号调整直流偏置电压生成相位可调的光载波信号；
[0115]
所述合束器将抑制载波单边带信号以及相位可调的光载波信号进行耦合后，再将耦合后的信号通过所述光电转换器进行拍频得到所述射频信号。
[0116]
在其中一实施例中，所述双平行马赫曾德尔调制器包括两个射频输入端口以及三个直流偏置电压端口，将所述天线阵元接收的每一路信号分别进行0
°
和90
°
相移分为两路射频信号输入到所述平行马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口，并调整三个直流偏置电压值完成电光转换。
[0117]
在其中一实施例中，所述射频信号可实现-180
°
到180
°
的连续相位调谐。
[0118]
在其中一实施例中，其特征在于，所述抑制载波单边带信号表示为：
[0119][0120]
在上式中，e0、ω0分别为所述光载波信号的幅度和角频率，j1为一阶贝塞尔函数，β为双平行马赫曾德尔调制器中马赫曾德尔调制器的调制系数，ωe为天线阵元接收的每一路信号的角频率。
[0121]
在其中一实施例中，所述相位可调的光载波信号表示为：
[0122][0123]
在上式中，e0、ω0分别为所述光载波信号的幅度和角频率，θ表示相位偏移，且v
π3
为相位调制器的半波电压，v
dc
为可进行调节的偏置电压。
[0124]
在其中一实施例中，将所述合束器将抑制载波单边带信号以及相位可调的光载波信号进行耦合后得到：
[0125][0126]
将耦合后得到的信号通过所述光电转换器进行拍频得到所述射频信号，所述射频信号表示为：
[0127][0128]
在其中一实施例中，所述均匀圆形的天线阵列接收到的阵列信号表示为：
[0129]
x(t)＝as(t) n(t)
[0130]
在上式中，x(t)为n
×
1维接收信号向量，n(t)为n
×
1维加性噪声信号向量，s(t)为q
×
1维空间信号向量，a＝[a
1 a2ꢀ…ꢀaq
]为n
×
q维导向矢量阵，而均匀圆形的天线阵列的导向矢量表示为：
[0131][0132]
在上式中，表示均匀圆形的天线阵列半径与信号波长比，αi,βi为辐射源的来波方向，其中αi为方向角，βi为俯仰角，表示两个相邻天线阵元之间的夹角。
[0133]
在其中一实施例中，在通过各所述微波光子移相器对阵列信号的相位进行移相后，也就是进行加权后，再进行求和得到：
[0134]
y(t)＝w
t
x(t)
[0135]
在上式中，x(t)表示阵列信号，而w
t
表示天线阵列的加权矢量；
[0136]
而天线阵列输出信号的平均功率为：
[0137][0138]
在上式中，为天线阵列接收信号的自相关矩阵，m为信号的采样点数。
[0139]
在其中一实施例中，在计算辐射源信号的来波方向时为：求解天线阵列输出信号的平均功率最大值时，天线阵列的导向矢量所对应的方向角和俯仰角。
[0140]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。
[0141]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0142]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。