宽带射频信号幅相控制方法、模块及光控波束形成装置

1.本发明涉及微波光子雷达技术领域，尤其涉及一种宽带射频信号幅相控制方法。


背景技术：

2.雷达是人类感知世界的重要手段，广泛应用于军事和民用领域。传统的雷达技术是基于电子器件实现的，受电子器件的限制，传统雷达的带宽已经不能满足当下大带宽、高速率的通信需求。此外，传统雷达采用电移相器实现天线阵列的波束形成，该法适用于窄带信号。宽带条件下，采用移相器会出现波束倾斜的现象。微波光子技术的出现为雷达的发展提供了新的思路，同时可以有效的解决波束倾斜问题。
3.光控波束形成是微波光子雷达的关键技术之一，它是利用光波控制微波(光控射频技术)，即利用微波光子链路在光域实现对射频信号的延时(相位)和幅度的控制，从而实现雷达波束的扫描控制。光控波束形成的关键部分是光真延时模块和光幅度控制单元，理论上它能有效克服宽带信号时阵列天线波束倾斜的问题。但实际应用时，光控波束形成系统仍然面临着幅相耦合导致波束畸变以及延时相位受外界影响导波束致指向偏转的问题。
4.近几十年来，光控波束形成系统已经产生了大量的研究结果，可以分为基于光路切换的方案和基于波长选择的方案。大多数现有的方案普遍使用光衰减器来控制信号的幅值，然而因为光衰减器本身特点，在调节衰减大小时必然引入一段延时，且延时变化非线性难以补偿。h.matsuzawa等人(参见文献[t.akiyama,h. matsuzawa,e.haraguchi,h.sumiyoshi,and r.suzukit,“spatial light modulatorbased optically controlled beamformer for variable multiple-spot beam antenna,”inproc.ieee int.top.meet.microw.photon.,singapore,2011,pp.401-404.])使用两个空间光调制器单独调节光信号的幅度和相位从而降低耦合幅度和相位的大小。然而，该系统最后需要将空间光束注入光纤，存在能量泄漏的现象，这将造成不等的功率损失，即各链路存在未知的幅度调控。另外，空间光系统对系统稳定性的要求很高，系统关键部件的抖动必然引入耦合幅相。且由于空间光调制器的尺寸限制，相关技术很难集成。另外有研究表明相控阵系统中存在幅相耦合时，其方向图的波束指向会发生偏转，主瓣能量分散到旁瓣上，边带抑制比恶化。因此，有必要寻求有效的幅相耦合抑制技术。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种宽带射频信号幅相控制方法，可在对宽带射频信号的幅度和相位进行精准控制的同时，实现对幅相耦合的有效抑制。
[0006]
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007]
一种宽带射频信号幅相控制方法，令调制有所述宽带射频信号的线偏振调制光信号通过级联的若干段保偏光纤和检偏器，然后进行光电探测；通过调整进入各段保偏光纤的线偏振调制光信号的偏振方向对准相应保偏光纤的快轴或慢轴的不同组合来实现对光
电探测所输出宽带射频信号的相位进行控制，并通过调整进入检偏器的线偏振调制光信号的偏振方向与检偏器检偏轴之间的角度来实现对光电探测所输出宽带射频信号的幅度进行控制。
[0008]
优选地，所述若干段保偏光纤的快轴与慢轴间的延时差为定值，或者按照等差递增，或者按照二倍递增。
[0009]
优选地，利用分别接在各段保偏光纤输入端的一组非光纤挤压扭曲式的偏振控制器，或一组开关状态切换所引入的延时变化与幅度变化为定值的偏振开关，来调整进入各段保偏光纤的线偏振调制光信号的偏振方向对准相应保偏光纤的快轴或慢轴的不同组合。
[0010]
优选地，利用接在检偏器的输入端的偏振控制器来调整进入检偏器的线偏振调制光信号的偏振方向与检偏器检偏轴之间的角度，或者通过旋转检偏器的检偏轴来调整进入检偏器的线偏振调制光信号的偏振方向与检偏器检偏轴之间的角度。
[0011]
进一步地，在光电探测之前还对所述线偏振调制光信号进行更大尺度的延时处理，以对光电探测所输出宽带射频信号的相位进行更大范围的控制。
[0012]
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
[0013]
一种宽带射频信号幅相控制模块，包括：
[0014]
调制单元，用于生成调制有所述宽带射频信号的线偏振调制光信号；
[0015]
相位控制单元，用于对宽带射频信号的相位进行控制，其包括级联的若干段保偏光纤以及用于调整进入各段保偏光纤的线偏振调制光信号的偏振方向对准相应保偏光纤的快轴或慢轴的不同组合的第一调整部件；
[0016]
幅度控制单元，用于对宽带射频信号的幅度进行控制，其包括与所述若干段保偏光纤级联的检偏器以及用于调整进入检偏器的线偏振调制光信号的偏振方向与检偏器检偏轴之间的角度的第二调整部件；
[0017]
光电探测器，用于对经过相位控制单元和幅度控制单元后的线偏振调制光信号进行光电探测。
[0018]
优选地，所述若干段保偏光纤的快轴与慢轴间的延时差为定值，或者按照等差递增，或者按照二倍递增。
[0019]
优选地，所述第一调整部件为分别接在各段保偏光纤输入端的一组非光纤挤压扭曲式的偏振控制器，或一组开关状态切换所引入的延时变化与幅度变化为定值的偏振开关。
[0020]
优选地，所述第二调整部件为接在检偏器的输入端的偏振控制器，或者为可令检偏器的检偏轴旋转的部件。
[0021]
进一步地，在光电探测器之前还接有可对所述线偏振调制光信号进行更大尺度延时处理的粗调单元，用于对光电探测器所输出宽带射频信号的相位进行更大范围的控制。
[0022]
一种光控波束形成装置，包括多个并联的幅相控制模块，所述幅相控制模块为以上任一技术方案所述宽带射频信号幅相控制模块。
[0023]
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
[0024]
本发明基于偏振维度实现了相控阵的幅相控制，利用保偏光纤两种偏振模式传输速度不同实现信号的延时(相位)控制，其延时差与光纤长度和拍长有关，为信号的相位控制增添一个选择维度，使ps量级的延时差(甚至更小)更容易获取；在幅相调节过程中，由器
件引入的幅相耦合可以忽略，具有良好的幅相耦合抑制效果。。
附图说明
[0025]
图1为本发明光控波束形成装置的结构原理示意图；
[0026]
图2为精调单元的结构原理示意图，其中(a)、(b)分别为结构图、原理图；
[0027]
图3为幅度控制单元的结构原理示意图，其中(a)、(b)分别为结构图、原理图；
[0028]
图4为本发明光控波束形成装置一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0029]
针对现有光控波束形成系统所采用的幅相控制方案所存在的幅相耦合问题，本发明的解决思路是利用光波的偏振态实现抑制幅度耦合的较高精度的延时控制、抑制相位耦合的幅度控制，以适应光控波束形成系统中高精度的延时控制的需求，减小系统中由幅度调节模块引入的耦合相位对波束指向的影响，以实现抑制相位耦合的幅度控制和抑制幅度耦合的较高精度的光延时控制，使得能量更多的集中到主瓣，并能够有效抑制主瓣指向偏转与压低旁瓣电平。
[0030]
本发明所提出的宽带射频信号幅相控制方法，具体如下：
[0031]
令调制有所述宽带射频信号的线偏振调制光信号通过级联的若干段保偏光纤和检偏器，然后进行光电探测；通过调整进入各段保偏光纤的线偏振调制光信号的偏振方向对准相应保偏光纤的快轴或慢轴的不同组合来实现对光电探测所输出宽带射频信号的相位进行控制，并通过调整进入检偏器的线偏振调制光信号的偏振方向与检偏器检偏轴之间的角度来实现对光电探测所输出宽带射频信号的幅度进行控制。
[0032]
本发明所提出的宽带射频信号幅相控制模块，包括：
[0033]
调制单元，用于生成调制有所述宽带射频信号的线偏振调制光信号；
[0034]
相位控制单元，用于对宽带射频信号的相位进行控制，其包括级联的若干段保偏光纤以及用于调整进入各段保偏光纤的线偏振调制光信号的偏振方向对准相应保偏光纤的快轴或慢轴的不同组合的第一调整部件；
[0035]
幅度控制单元，用于对宽带射频信号的幅度进行控制，其包括与所述若干段保偏光纤级联的检偏器以及用于调整进入检偏器的线偏振调制光信号的偏振方向与检偏器检偏轴之间的角度的第二调整部件；
[0036]
光电探测器，用于对经过相位控制单元和幅度控制单元后的线偏振调制光信号进行光电探测。
[0037]
上述技术方案中，所述若干段保偏光纤的快轴与慢轴间的延时差可根据实际需要设置，例如可设为定值，或者设为按照等差递增，或者按照二倍递增。
[0038]
优选地，所述第一调整部件为分别接在各段保偏光纤输入端的一组非光纤挤压扭曲式的偏振控制器(例如玻片式偏振控制器)，或一组开关状态切换所引入的延时变化与幅度变化为定值的偏振开关。这样，在偏振调节过程中引入的幅相耦合完全可以忽略。
[0039]
优选地，所述第二调整部件为接在检偏器的输入端的偏振控制器，或者为可令检偏器的检偏轴旋转的部件。
[0040]
为了实现更大范围的相位(光时延)控制，还可进一步在光电探测器之前连接对所
述线偏振调制光信号进行更大尺度延时处理的粗调单元，例如可调光延时线或其它光控真延时方案，用于对光电探测器所输出宽带射频信号的相位进行更大范围的控制。
[0041]
基于上述宽带射频信号幅相控制模块所建立的光控波束形成装置如图1所示，包括多个链路，每条链路结构相似，包括幅度控制单元、延时精调单元和延时粗调单元(图中及下文简称精调单元、粗调单元)。其中，幅度控制单元由偏振控制器和检偏器组成；延时精调单元由若干偏振控制器和保偏光纤级联组成；延时粗调单元的作用是对光信号的延时进行较大范围调整，可采用现有的各类光真延时技术实现，其主要分为两类：1、基于光开关切换光路传播路径的方案，如光开关与单模光纤级联法等；2、基于光波长变换控制传输时间的方案，如可调激光器或激光器阵列与色散器件组合法等。
[0042]
因光控波束形成系统每条链路组成相同，下面以其中某一条链路为例，对本发明技术方案的原理进行简要的介绍：
[0043]
首先，用电光调制器将射频信号(设频率为ωm)调制到光载波上(频率为ω0)。调制器输出的归一化光场可以表示为：
[0044][0045]
其中ω0是光载波的角频率，ф(t)是调制信号，γ是相位调制系数，假设调制信号为cos(ω
m t)来分析系统的频率响应。(1)式可以展开为：
[0046][0047]
其中jn为n阶第一类贝塞尔函数。基于小信号调制的前提，(2)式中的高阶边带(≥2)均可忽略。
[0048]
为简化推导，此处使用单边带调制模式进行说明。单边带调制信号表达式如下：
[0049][0050]
然后将信号注入延时精调单元。该模块由若干个延时单元组成，每个延时单元又由偏振控制器和一定长度的保偏光纤(pmf)组成，其结构如图2所示。偏振控制器能把注入的光信号的偏振态转变成想要的线偏振态。通过偏振控制器调节线偏光偏振方向，使其对准pmf的快轴或慢轴；也可以使用正交偏振开关，令开关的偏振方向严格对准保偏光纤的快、慢轴，开关切换引入的幅相变化应恒定，通常可忽略不计；也可以在幅度调节时通过调整线偏光偏振方向与检偏器的检偏轴间的夹角对光信号的幅度进行动态补偿。而线偏振光通过pmf的快、慢轴会获得不同的延时，分别为t1和t2(t2＝t1 δτ，δτ为快、慢轴之间的延时差)。光通过长为l、拍长为的保偏光纤，其快、慢轴的折射率为nf和ns，输出信号的延时差推导如下：
[0051][0052][0053]
由于光纤的传输损耗很小，而由偏振模式切换导致的幅度变化也有限,则信号的幅度变化可以忽略。图2中各延时单元的pmf的长度不等，其快、慢轴间的延时差分别为δτ、
2δτ、、
…
、2nδτ，n为精调单元中延时单元的数量；将延时精调单元基于信号的延时记为t1，此时输出的信号表达式为：
[0054][0055]
随后将信号注入幅度控制单元，如图3所示，该单元由偏振控制器和检偏器组成。通过偏振控制器调节线偏光的偏振方向，使得其与检偏器的检偏轴成α角 (也可以不需要偏振控制器，通过直接旋转检偏器的检偏轴也可以实现α角的调整)，得到的光场输出如下:
[0056]eout
＝ecosα
ꢀꢀ
(5)
[0057]
再将光波注入延时粗调单元，该单元的目的在于获得较大的延时。本发明用光开关切换路径的可调延时方案为例进行理论推导，如图4所示。该模块由n 1 光开关和2n单模光纤组成，第一个光开关实现三个状态的切换，0、τ、null 的切换，null节点的设定用于对每一路延时的校准。其后n-1个cross-bar光开关，每个开关实现2
n-1
τ(n＝1,2,3,
…
)与0延时差之间的切换。延时步进τ大于精调单元，将延时粗调单元给予信号的延时记为t2，则整个链路中延时模块的总延时可记为t(t＝t1 t2)。将光信号送入光电探测器进行平方律检波，输出光电流如下：
[0058][0059][0060]-2cos2αj0j1sinωm(t t)
ꢀꢀ
(6)
[0061]
忽略直流成分，式(6)可以简化为：
[0062]
i(t)
∝‑
2cos2αj0j1sinωm(t t)
ꢀꢀ
(7)
[0063]
从(7)式可以看出，输出频率为ωm的信号；调节光波注入检偏器的偏振方向，α在[0,π]范围内变化，输出信号的幅度-2cos2α会发生连续变化，且该信号的相位不发生改变。也即实现了低相位耦合的幅度控制。
[0064]
需要注意的是，上述方案中使用的偏振控制器为由双折射晶体制成的玻片式偏振控制器。因为玻片式偏振控制器在调节过程中仅仅会引入飞秒级的额外延时，对于微波信号而言，其相位变化可以忽略。如使用偏振开关则须保证切换偏振态后不引入幅度相位变化或者引入恒定的幅度相位变化以便实现硬件上的系统校准。
[0065]
另外，延时精调单元可用于校准延时粗调单元的误差，在正常工作前需对所有延时路径进行校准，校准后每一段延时路径的误差量可实时解算出来形成延时量-延时误差的映射表。依据该映射表可实时控制快速高精度延时器补偿步进延时器的固有延时误差，实现高精度延时控制。
[0066]
综上可知，本发明利用光波的偏振态实现了抑制幅度耦合的较高精度的延时控制和抑制相位耦合的幅度控制，可满足光控波束形成系统中高精度的延时控制需求，减小了系统中由幅度、相位调节模块引入的耦合项对波束指向的影响；同时为光控波束形成系统提供了一种新的可行方案和思路。