基于微波光子辅助鉴相的到达角测量装置

摘要

本发明公开了一种基于微波光子辅助鉴相的到达角测量装置，包括：天线阵、光源、鉴相模块、偏振分离模块、平衡探测模块、数据处理模块，其中鉴相模块为环路中串接有双偏振双驱动马赫增德尔调制器的Sagnac环结构，用于将天线阵所接收的两路微波信号分别相位调制于所述光脉冲序列的两个正交偏振态上，并令正、反向传播的调制光信号在Sagnac环结构的输出口形成干涉；偏振分离模块用于进行偏振态分离；平衡探测模块用于对分离出的两路水平和两路垂直偏振态光信号进行平衡探测，分别得到调制到水平和垂直偏振态上的微波信号的相位；数据处理模块根据得到的相位信息计算得出到达角。相比现有技术，本发明可对到达角进行高精度探测，且结构简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种到达角测量装置。

背景技术

测量微波信号的到达角(为简便起见，下文简称测角)可以确定目标物体的位置，在通信、雷达等多个领域的应用中均十分重要。例如，在室内定位时，通过测量低功耗蓝牙信号的方向信息来提高室内定位精度；在无人驾驶领域，可以提供障碍物在汽车位置的具体方向；在电子对抗领域，测角可引导武器攻击、提供预警信息、提供辐射源方向和位置等情报。现有测角方法可分为振幅法、时差法、相位法。时差法和相位法相比振幅法精度更高，基本原理是采用多个天线接收，比较不同天线接收到的信号的延时或相位差，将得到的延时差或相位差转为路程差，在已知两个接收天线间距离的条件下，可以计算得到微波信号的到达角。传统电域处理是通过混频器得到两个信号的相位差；采用基于微波光子技术的振幅法时，将接收到的微波信号调制到光载波上，再通过探测光电探测器拍频后的功率大小来判断相位差。以上技术得到的角度误差往往小于2°。当下，得益于飞秒激光器的发明，其超窄的脉冲宽度使得微波光子鉴相器在测量相位时具有极高的精度，远优于传统电域方法。目前微波光子鉴相器在测距方面已有应用，且精度很高，可达到亚纳米量级(Na Y,JeonC G,Ahn C,et al.Ultrafast,sub-nanometre-precision and multifunctional time-of-flight detection[J].Nature Photonics,2020,14(6):355-360.)，意味着其相位探测精度在10

鉴相器在测角应用中尚未有应用。采用现有的鉴相结构，若需测角，需要搭建两套鉴相器系统，并且需要对两套系统的光路进行校准，导致结构复杂，操作繁琐。如何简化鉴相结构，成为了在实际应用中利用微波光子辅助对达到角进行高精度探测需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于微波光子辅助鉴相的到达角测量装置，可对到达角进行高精度探测，且结构简单。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于微波光子辅助鉴相的到达角测量装置，包括：

天线阵，包括至少两根用于分别接收微波信号的接收天线；

光源，用于提供脉宽为飞秒量级的光脉冲序列，且天线阵所接收微波信号的频率为所述光脉冲序列重频的整数倍；

鉴相模块，其为环路中串接有双偏振双驱动马赫增德尔调制器(DP-DMZM)的Sagnac环结构，用于将天线阵所接收的两路微波信号分别相位调制于所述光脉冲序列的两个正交偏振态上，并令正、反向传播的调制光信号在Sagnac环结构的输出口形成干涉，从而令相位调制转变为强度调制，相位信息转变为强度信息；偏振分离模块，用于将Sagnac环结构输出的两路光信号中的两个正交偏振态分离出来；

平衡探测模块，包括两个慢速平衡光电探测器，用于分别对偏振分离模块分离出的两路水平偏振态光信号和两路垂直偏振态光信号进行平衡探测，分别得到调制到水平偏振态上和垂直偏振态上的微波信号的相位；

数据处理模块，根据得到的相位信息计算得出到达角。

进一步地，该装置还包括：

发射模块，用于发射微波信号；

同步模块，用于实现所发射微波信号与所述光脉冲序列之间的同步。

优选地，所述鉴相模块为经由光纤顺次首尾连接的2×2光耦合器、第一偏振控制器、双偏振双驱动马赫增德尔调制器、第二偏振控制器、π/2相移晶体所构成的Sagnac环结构，且在该Sagnac环结构一个输出端的外侧连接有光环形器。

优选地，所述鉴相模块为经由光纤顺次首尾连接的3×3光耦合器、第一偏振控制器、双偏振双驱动马赫增德尔调制器、第二偏振控制器所构成的Sagnac环结构。

优选地，所述光源为锁模激光器。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

一、本发明突破了传统电域鉴相的带宽限制，利用光脉冲的超窄脉宽特性，提高了鉴相精度，从而提高了测角的精度；

二、本发明利用了光的正交偏振态，相比于其他微波光子鉴相技术，可以同时探测两个微波信号的相位，且两鉴相过程相互独立，测角时不需要搭建第二个鉴相器，简化了系统结构；

三、本发明在鉴相双微波时，光脉冲经过的路程是等长的，不需要复杂的校准过程，操作更加简便。

附图说明

图1为本发明到达角测量装置一个具体实施例的结构示意图；

图2为鉴相模块的一种具体实现结构；

图3为鉴相模块的另一种具体实现结构；

图4为鉴相模块的一个输出端，在正交偏振态上光脉冲受调制的示意图；

图5为DP-DMZM的内部结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于微波光子技术，用光脉冲对微波信号的相位进行精确探测，并利用光的正交偏振态实现同时对两路微波信号的相位进行独立的探测，从而在大幅提高到达角测量精度的同时，简化系统结构和测量校准过程。

具体而言，本发明所提出的基于微波光子辅助鉴相的到达角测量装置，包括：

天线阵，包括至少两根用于分别接收微波信号的接收天线；

光源，用于提供脉宽为飞秒量级的光脉冲序列，且天线阵所接收微波信号的频率为所述光脉冲序列重频的整数倍；

鉴相模块，其为环路中串接有双偏振双驱动马赫增德尔调制器的Sagnac环结构，用于将天线阵所接收的两路微波信号分别相位调制于所述光脉冲序列的两个正交偏振态上，并令正、反向传播的调制光信号在Sagnac环结构的输出口形成干涉，从而令相位调制转变为强度调制，相位信息转变为强度信息；

偏振分离模块，用于将Sagnac环结构输出的两路光信号中的两个正交偏振态分离出来；

平衡探测模块，包括两个慢速平衡光电探测器，用于分别对偏振分离模块分离出的两路水平偏振态光信号和两路垂直偏振态光信号进行平衡探测，分别得到调制到水平偏振态上和垂直偏振态上的微波信号的相位；

数据处理模块，根据得到的相位信息计算得出到达角。

该装置可用于对发射微波信号或反射微波信号的目标进行被动探测，也可以在增加发射模块的基础上实现对目标的主动探测。

下面以实现主动探测为例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：

如图1所示，本实施例的到达角测量装置包括发射模块、同步模块、两根接收天线、光源、鉴相模块、偏振分离模块、平衡探测模块、数据处理模块；发射模块由微波源发射天线构成，微波源生成的微波信号通过发射天线发射出去；两根接收天线分别接收目标所反射的微波信号；光源用于提供脉宽为飞秒量级的光脉冲序列，且所接收微波信号的频率为光脉冲序列重频的整数倍，本实施例中的光源采用锁模激光器，其所产生的光脉冲序列通过同步模块实现与微波源所生成微波信号的同步；鉴相模块为环路中串接有DP-DMZM的Sagnac环结构，用于将天线阵所接收的两路微波信号分别相位调制于所述光脉冲序列的两个正交偏振态上，并令正、反向传播的调制光信号在Sagnac环结构的输出口形成干涉，从而令相位调制转变为强度调制，相位信息转变为强度信息；偏振分离模块由两个分别串接有偏振控制器的偏振分束器组成，用于将Sagnac环结构输出的两路光信号中的两个正交偏振态分离出来；平衡探测模块包括两个慢速平衡光电探测器，用于分别对偏振分离模块分离出的两路水平偏振态光信号和两路垂直偏振态光信号进行平衡探测，分别得到调制到水平偏振态上和垂直偏振态上的微波信号的相位；数据处理模块根据得到的相位信息计算得出到达角。

图2显示了鉴相模块的一个具体实施例，如图2所示，该鉴相模块为经由光纤顺次首尾连接的2×2光耦合器、第一偏振控制器、双偏振双驱动马赫增德尔调制器、第二偏振控制器、π/2相移晶体所构成的Sagnac环结构，并且需在2×2光耦合器的其中一个外侧端口上连接光环形器。这样的结构虽可以实现鉴相模块的功能，但结构较复杂，且晶体的稳定性受外界环境影响明显。

图3显示了鉴相模块的另一个具体实施例，如图3所示，该鉴相模块为经由光纤顺次首尾连接的3×3光耦合器、第一偏振控制器、双偏振双驱动马赫增德尔调制器、第二偏振控制器所构成的Sagnac环结构。相比图2所示结构，该结构具有结构简单，实现成本低的优点。

如图3所示，锁模激光器产生的光脉冲输入鉴相模块，经过3×3耦合器后，光脉冲被分为两路，两路信号相位相差2π/3，两路信号分别经由第一功分器、第二功分器分为两路后，分别输入双偏振双驱动马赫增德尔调制器中的两个双驱动马赫增德尔调制器；经过双偏振双驱动马赫增德尔调制器后，相向传播的两束光均被相位调制，但调制深度不同；调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，使得再经过3×3耦合器后，光脉冲在相应的偏振态上发生干涉，相位调制转为强度调制，在3×3耦合器的一个输出端，其强度调制的信号如图4所示；将3×3耦合器的两输出端均用偏振分束器将正交偏振态分开，将同为垂直偏振态的光输入一个平衡光电探测器，将同为水平偏振态的光输入另一个平衡光电探测器，两个平衡光电探测器的输出即分别为两个微波信号的相位信息；将得到的两个相位信息输入数据处理模块，经计算得到到达角。

为便于公众理解，下面对本发明技术方案的基本原理做进一步详细说明：

由于光脉冲的脉宽极窄，所以锁模激光器输出的可以写为：

其中A为脉冲幅度，f

其中，E

通过调节偏振控制器，将x偏振态的光输入一个平衡光电探测器中，由于探测器是慢速的，所以探测的是平均功率，其输出可以表示为：

由上式可以看到x偏振态上的微波信号的相位θ

通过两个天线接收发射回来的信号，通过上述方式得到相位信息θ