微波光子宽带雷达信号产生及接收中关键技术研究

摘要

在现代脉冲雷达系统领域，为了实现高分辨率的探测，需要产生和处理具有大时间带宽积的宽带信号。然而，雷达系统带宽会受到器件带宽的限制，存在所谓的“电子瓶颈”。在此背景下，使用具有低损耗、高带宽和抗电磁干扰等优良特性的微波光子技术来产生和处理宽带波形，是一项具有战略意义和重大研究价值的课题。本文研究了微波光子雷达射频前端中宽带信号的产生技术和模数转换技术。宽带信号产生方面，分别研究了线性啁啾信号、相位编码信号以及双啁啾信号的产生技术，针对基于频率-时间映射原理的宽带信号产生，分析了线性啁啾信号产生的条件。另外，也提出并实验验证了产生相位编码信号和双啁啾信号的几种新方案。模数转换技术方面，针对光子时间拉伸系统，首次提出并分析了系统中存在的频率啁啾现象。另外，还针对基于频域编码的光子模数转换系统，首次提出了其中存在的时间-频率不确定性问题。
　　本研究主要内容包括：⑴针对基于频率-时间映射的线性啁啾信号产生，提出比“远场条件”更为宽松的条件，提升了信号的时间带宽积，并得到实验验证。根据分析，新条件下系统所能产生的线性啁啾信号的时间带宽积极限显著提升，将有利于提升雷达系统的距离分辨率。这一新的系统条件对基于频率-时间映射的线性啁啾信号产生方案的设计具有重要的参考价值。⑵针对雷达系统中距离-多普勒耦合效应引起的测距模糊问题，提出一种全新的光子宽带双啁啾信号产生方案，消除测距模糊，并得到仿真和实验验证。这种方案基于级联调制器结构，可以使用低频线性啁啾信号产生具有4倍时间带宽积的双啁啾信号，从而在消除距离-多普勒耦合效应影响的基础上，进一步提升了雷达系统的距离分辨率。⑶针对用于高速模数转换的光子时间拉伸技术，首次提出输出信号中存在的，由双边带调制引起的频率啁啾现象，并通过仿真验证。通过对系统理论模型的推导，得到了频率啁啾的解析表达式，理论与仿真结果相吻合。同时，也给出了利用单边带调制消除频率啁啾的方案，并通过仿真验证其有效性。由于频率啁啾现象将影响模数转换的精度，这一研究成果对光子时间拉伸系统的设计具有重要的参考价值。⑷针对基于频域编码的光子模数转换技术，根据时间-频率不确定性原理，给出信号带宽和调制系数必须满足的条件，并得到仿真和实验验证。据我们所知，这是首次提出时间-频率不确定性对这一类ADC的影响。在对ADC有效比特位分析的基础上，我们对这一影响进行了量化，并最终得到系统正常工作所需遵循的条件。

目录

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致谢

缩略词表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 微波光子技术

1.3 微波光子宽带雷达信号产生技术研究现状

1.4 微波光子模数转换技术研究现状

1.5 本文的主要学术贡献及创新点

第2章 基于频率-时间映射的宽带信号产生研究

2.1 光子学线性啁啾信号和相位编码信号产生技术

2.2 基于频率-时间映射的线性啁啾信号产生

2.3 基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生

2.4 本章小结

第3章 宽带双啁啾信号产生技术研究

3.1 距离-多普勒耦合效应与双啁啾信号

3.2 基于啁啾光脉冲干涉的宽带可调谐双啁啾信号发生

3.3 基于级联调制器的大时间带宽积双啁啾信号产生

3.4 本章小结

第4章 光子时间拉伸技术研究

4.1 光子时间拉伸技术的基本原理与研究进展

4.2 系统的理论模型

4.3有效比特位数分析

4.4 双边带调制引起的频率啁啾现象

4.5 本章小结

第5章 基于频域编码的光子ADC研究

5.1 基于非线性效应和频域编码的光子ADC

5.2 时间-频率不确定性原理

5.3 时频不确定性对基于频域编码的光子ADC性能的影响

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果及项目支持