一种基于光交换的重构光控相控阵雷达接收机

摘要

本发明公开了一种基于光交换的重构光控相控阵雷达接收机，包括天线阵列、低噪声放大器、波控计算机、激光器、第一波分复用器、光调制器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机、第二波分复用器以及光电探测器；本发明将波分复用方法与全光波长交换方法有机结合，在具备传统光控相控阵雷达优势的基础上，还实现了子阵的动态重构，能够满足传统光控相控阵雷达无法实现的同时多目标全空域跟踪；该雷达接收机简单易行，性能可靠且具备成本优势。

说明书

技术领域

本发明涉及光控相控阵雷达技术领域，尤其是涉及一种基于光交换的重构光控相控阵雷达接收机。

背景技术

利用现代电子技术实现的相控阵天线，相对传统机械扫描雷达天线，其反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性等方面的性能具有很大的优越性。相控阵天线是通过特定的馈电方式，智能化的控制以及调整阵元的幅度和相位使波束赋形无惯性、灵活扫描，进而大幅度地提高信息获取和更新速率等。在相控阵天线系统中，波束扫描是通过调整辐射单元之间的相位关系而形成，因此在单元之间获得必需的相位关系所需的信号分配方式是一个关键。然而，相控阵天线单元的全电子控制还存在许多问题，主要在于相控阵天线由于受到孔径渡越时间的限制，只能在相对较窄的信号带宽下进行扫描，从而限制了其宽带与宽角度扫描方面的性能，这严重制约了相控阵天线在复杂环境和高性能领域的应用。

天线多波束的形成方法有多种，如Blass方法、Buter多波束矩阵方法、全数字多波束(DBF)方法及子天线阵级方法等，对于在接收天线中常的DBF和子天线阵方法而言，全数字多波束方法的优点是性能高，易实现连续滑动扫描，缺点是通道数多，成本高；子天线阵级方法优点是降低复杂性、节省经费，缺点是子阵技术会引起副瓣电平抬高和工作带宽变窄。

当今发展极其迅速的以半导体激光器、集成光学、光纤技术为核心的光子技术最有可能给微波相控阵雷达系统带来技术突破，解决此难题。光纤作为最理想的信号传输媒质，具有极低的传输损耗(普通单模光纤的传输损耗为0.2dB/公里以内)、重量轻、体积小、效率高以及抗电磁辐射与各种电磁干扰能力等优点；此外，光纤还具有极其巨大的信号带宽能力，光纤通信传输系统的单路波长信号传输速率可以高达上百Gbit/s，借助于密集波分复用技术，一根光纤可以传输高达上百T bit/s容量的信号。

利用光纤与光子器件来实现雷达天线接收单元的光信号真延迟OTTD的微波光子波束形成，可以克服相控阵天线波束倾斜而带来的工作带宽瓶颈效应，给微波相位阵列雷达系统提供非常高的工作带宽。在数十GHz微波频带范围内，光控相位阵列可以取得几乎平直的信号系统响应。同时光波环境下，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雷达波束的快速扫描，提高系统性能；利用光纤开关以及波长路由等光子器件容易实现光控波束形成网络的快速切换与重构，满足光控相控阵波束的空间多波束、波束形状捷变及子阵重组等灵活控制功能的需要。

发明内容

为了解决传统的相控阵天线的波束倾斜与工作带宽的瓶颈效应问题，本发明提供了一种基于光交换的重构光控相控阵雷达接受机，能够提供非常高的工作宽带，便于实现雷达波束的快速扫描，提高系统性能。

一种基于光交换的重构光控相控阵雷达接收机，包括天线阵列、低噪声放大器、波控计算机、激光器、第一波分复用器、光调制器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机、第二波分复用器以及光电探测器；天线阵列接收空间的雷达信号，并传给低噪声放大器进行雷达信号放大，光调制器将放大的雷达信号调制到经多波长阵列激光器发射且经第一波分复用器分解的多个通道光载波上，载有雷达信号的光载波经过可编程光延时线延迟调整后再经过可编程光衰减器功率调整，然后输送到全光波长交换机进行波长交换，得到多组重构子阵，重构子阵的信号经第二波分复用器重组后输送到光电探测器转化为射频信号，该射频信号经过中频与基带解调完成雷达信号接收；波控计算机控制可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机。

所述激光器为多波长阵列激光器，输出波长为光纤通信C波段的ITU波长，用于提供多个光载射频传输通道的光载波。

所述第一波分复用器用于将所述多波长阵列激光器的输出分解为若干个通道，每个通道仅包含一个ITU波长。

所述光调制器为马赫增德尔强度调制器或电吸收调制器，用于将天线接收到的雷达信号调制到每个通道的光载波上。

所述可编程光延迟线是由若干2进2出的数控光开关与若干光延迟线组成的二元光纤延迟线器件，每个通道连接一个所述可编程光延迟线器件，用于对不同通道之间的相对延时进行调整。

所述可编程光衰减器用于调节每个通道光信号的强度，结合所述可编程光延迟线共同调节每个通道的衰减和相位，实现波束赋形。

所述全光波长交换机为N进N出的全光波长交换矩阵。将N个输入通道按照波长分为m组，每组构成一个输入子阵。N个输出通道也被分为m个输出子阵，每个输出子阵包含的波长与波长数量与每个输入子阵包含的波长与波长数量相同，但每个输出子阵的波长可以通过全光波长交换机从所有输入子阵的所有波长中选择。所述输入子阵的每个通道与每个天线的物理位置一一对应，称为物理子阵，每个输出子阵对应的天线位置根据光交换的结果确定，称为重构子阵；全光波长交换机将物理子阵按照全光波长交换矩阵转换为重构子阵，每个重构子阵的光载波由所述第二波分复用器合路后输出。

所述光电探测器将每个重构子阵输出的光信号转换为射频信号输出。

所述波控计算机同时控制可编程光延迟线、可编程光衰减器以及全光波长交换机，以实现光控相控阵波束的控制与重构。

所述激光器、第一波分复用器、光调制器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、第二波分复用器、光电探测器、低噪声放大器的数目根据子阵的数目与天线阵列的数量确定，其中光调制器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、低噪声放大器的数目与天线阵列的数量相等；激光器、第一波分复用器、第二波分复用器的数目与子阵的数目相等。

所述一种基于光交换的重构光控相控阵雷达接收机，其实现子阵的动态重构的方法为：将每个天线接收到的射频信号分别调制到每个ITU波长上，以平方数个ITU波长为一组排列成一个物理子阵，在一个大的阵面空间上不断按照所述的物理子阵重排ITU波长。将所有物理子阵输入全光波长交换机，经处理后输出多组重构子阵，输出的每组重构子阵的波长与波长数目等于交换前物理子阵的波长与波长数目，只是其对应的物理空间发生了变化，从而实现子阵的动态重构。

这种基于波分复用光延时线方法的联合波控多波束结构的优势在于：

(1)光电融合的波控方法，可以有效降低传统电子相控阵的波束倾斜与工作带宽的瓶颈效应，相对于所有基元光控的全光相控阵，成本比较低，实现效果比较好，具有很大地实用的前景；

(2)基于光波长分配重排以及光矩阵开关交换的多波束动态重构组阵与波控制方法，降低孔径渡越时间的限制，可以实现全空域的多目标波束形成与连续跟踪；

(3)充分利用光波分复用以及全光交换，网络结构灵活，组网成本低；

(4)每个光传输波长支路具有光功率幅度调节控制，可以实现波束合成的支路幅度加权，具有抑制旁瓣效果以及具备信号处理功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为物理子阵中所用的激光波长按空间相邻关系进行重排的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，基于光交换的重构光控相控阵雷达接收机，包括多波长阵列激光器、第一波分复用器、光调制器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机、第二波分复用器、光电探测器、天线阵列、低噪声放大器以及波控计算机；其中多波长阵列激光器、第一波分复用器、光调制器、可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机、第二波分复用器以及光电探测器组成光载射频链路；天线阵列接收空间的雷达信号，并传给低噪声放大器进行雷达信号放大，光调制器将放大的雷达信号调制到经多波长阵列激光器发射且经第一波分复用器分解的多个通道光载波上，接下来信号经过可编程光延时线延迟调整后再经过可编程光衰减器功率调整，然后输送到全光波长交换机进行波长交换，得到多组重构子阵，重构子阵的信号经第二波分复用器重组后输送到光电探测器转化为射频信号，该射频信号经过中频与基带解调完成雷达信号接收；波控计算机控制可编程光延迟线、可编程光衰减器、全光波长交换机，实现光控相控阵雷达种的真延时与子阵动态重构。

固定子阵结构或静态子阵结构的相控阵天线有很大的局限性，一方面对于波束扫描角度来说，考虑到实际应用时需要空间扫描尽可能大，每个子阵的扫描角势必需设计得足够大，这样大大增加了孔径效应，引起相控阵波束的倾斜以及工作带宽的降低；另一方面，对于多目标或多波束应用来说，由于目标的移动往往可能超出了某一子阵的物理角度范围，对于球形共面天线阵来说需要其他子阵来进行后续的跟踪控制，这涉及复杂的多波束管理控制、子阵切换触发与任务调度等问题。在实际对多目标跟踪的多波束天线应用中，如在全空域范围内采用特定的波束实现对固定目标的连续跟踪无疑是最简单有效的方案。因而子阵的动态重构，对于实现全空域的波束跟踪与控制是一个关键。

如图2所示，本发明一个实施例的方法如下：

36个天线基元按空间相邻区域分组到同一个物理子阵内，同一个物理子阵中每个天线基元的接收信号由电光调制器调制到不同波长的光载波上。不同物理子阵之间采用相同的一组光波长作为载波，将这组波长按6行6列的正方形规律重复编排，其编排方法如图3所示。

波控计算机控制每个通道的多字节可编程光延时线，通过快速切换光延时线中的光开关，使光延时线输入输出端接入不同长度的光纤，从而对不同通道的微波信号之间的相位进行调整；每个波长通道中设有光功率的控制，通过控制可编程光衰减器的衰减量实现对应通道内传输的微波信号的幅度加权，在子阵波束控制系统统一协调与控制下，起到抑制旁瓣、减小波束宽度等信号处理的作用。

经过幅度与相位加权的微波信号输送到全光波长交换机进行波长交换。根据全光波长交换矩阵的交换特性，任意物理端口输入可以无阻塞地严格意义上交换到任意的输出端口。所有物理子阵经延时与幅度控制后可以按波长特性交换到另一端的重构子阵，并按固定波长排列输出；例如在光开关矩阵的输出端口，让每36路输出对应于固定ITU波长顺序编排的输出，通过波长合路器合路后再经光电转换形成重构子阵，其每个重构子阵对应于特定的形成波束。这样，可以实现重构子阵对应非固定的物理子阵。每个重构子阵根据矩阵交换的控制实现其作用的物理阵的重组以及在整个天线阵列空间上的物理阵等效连续运动，如图3所示，矩阵开关切换之前，重构子阵对应实线框内的物理子阵，矩阵开关切换之后，重构子阵对应虚线框内的物理子阵。这种矩阵开关交换的方式，很容易实现全空域的扫描，对于多目标跟踪，可以分配按目标分配相应的重构子阵。利用光波分复用的波长分配基元组的波束控制的一个优势是波长可以物理空间上重用。

另外，多个重构子阵也可以协同工作或联合工作形成组合波束，实现复杂功能的测控跟踪。这种多波束动态重构子阵控制方法可以实现全空域的多目标波束形成与连续跟踪，大大降低孔径渡越时间的限制，提高相控阵天线工作带宽与扫描角度范围。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。