一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置
阅读说明：本技术 一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置 (Optical beam forming pre-emphasis device based on optical fiber dispersion ) 是由 林桂道 范晶晶 张昀 余博昌 陈奇 于 2020-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置,包括天线阵面通道、激光器、电光调制器、预加重延时线、波分复用器、光纤放大器、光分路器、色散光纤、光电探测器；天线阵面每一通道接收的微波信号经电光调制器调制到激光器产生的相应波长的光载波上,经过预加重延时线进入波分复用器,每一通道的预加重延时线产生不同的延时,用于各通道在不同接收角度下产生延时的预加重,波分复用器将所得的光信号复用到一根光纤传输,并经光纤放大器放大后通过光分路器,将复用的多波长光信号等功率分配到多路中,形成不同的波束指向,最终由光电探测器实现光信号到微波信号的转化。本发明结构简单、体积小、重量轻、成本低、系统能耗低、综合效能高。(The invention discloses an optical beam forming pre-emphasis device based on optical fiber dispersion, which comprises an antenna array surface channel, a laser, an electro-optic modulator, a pre-emphasis delay line, a wavelength division multiplexer, an optical fiber amplifier, an optical splitter, a dispersion optical fiber and a photoelectric detector, wherein the antenna array surface channel is connected with the laser; microwave signals received by each channel of the antenna array surface are modulated onto optical carriers with corresponding wavelengths generated by a laser through an electro-optical modulator, the optical carriers enter a wavelength division multiplexer through a pre-emphasis delay line, different delays are generated by the pre-emphasis delay line of each channel and are used for generating delayed pre-emphasis under different receiving angles of each channel, the wavelength division multiplexer multiplexes the obtained optical signals to an optical fiber for transmission, the multiplexed multi-wavelength optical signals are distributed to multiple paths in an equal power mode through an optical splitter after being amplified by an optical fiber amplifier, different beam directions are formed, and finally, the conversion from the optical signals to the microwave signals is realized through a photoelectric detector. The invention has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low cost, low system energy consumption and high comprehensive efficiency.)
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，特别是一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置。
背景技术
传统相控阵雷达天线采用微波移相方法，在宽角度扫描的情况下，受波束指向倾斜及天线孔径渡越时间的影响，很难获得大的瞬时信号带宽，而光控相控阵天线通过光纤真延时波束形成技术(简称光波束形成技术)为解决上述问题提供了良好的解决方案，受到了广泛的关注，其中一种在工程上比较实用的技术是基于光纤色散的光波束形成技术，该技术在光波束形成时主要有两种方式：一种方式是如Ronald D.Esman等人在文献《Fiber-optic Prism True Time-Delay Antenna Feed》所述，是基于可调谐激光器波长扫描的实现方式，该方式是由可调谐激光器产生的光波通过电光调制器被微波信号调制后，经光分路器进入不同的光纤，每一路光纤都是由一段高色散光纤和一段零色散光纤组成，但是每路高色散光纤的长度不同，选定中心波长λ0，调节各路光纤的长度使各路延时相等，此时天线阵面产生的波束方向与阵面是垂直的。在形成波束正负角度时是通过改变可调谐激光器的波长实现的，当λ＜λ0时，各路光纤的延时增加，波束方向为斜向上方，形成正角度；当λ＞λ0，波束将向下方传输，形成负角度。另一种方式是基于多波长激光源阵列来实现的，该方式是将微波信号经电光调制器调制到各路光波后，通过波分复用器复用到一根光纤，然后再由光分路器分到不同光路中，每一光路由不同长度的色散光纤组成，不同长度的色散光纤具有不同的延时量，可形成不同的波束。
现有的基于光纤色散的光波束形成技术存在以下问题：
(1)基于可调谐激光器波长扫描的实现方式，需要高精度的可调谐激光器，成本较高，其次，波束形成是多通道波束形成体制，由各路光纤内信号相干叠加产生，在中心波长时需要调节各路延时相等，在高精度延时调节时难度较大。
(2)基于多波长激光源阵列的实现方式，该方式不需要高精度的可调谐激光器，且波束形成是单通道波束形成体制，一路光纤信号可形成一个波束，对色散光纤长度精度要求较低，但在光波束形成正负角度扫描时，需要正负色散系数的两种光纤，为此会带来两方面问题，第一光纤种类变多，使得系统复杂；第二由于正色散系数光纤色散系数较小，需要的光纤长度相对于大色散系数的负色散光纤会增加十几倍，会使系统重量和体积相应变大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、重量轻、成本低、系统能耗低、综合效能高的光波束形成预加重装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置，其特征在于，包括顺次设置的天线阵面通道、激光器、电光调制器、预加重延时线、波分复用器、光纤放大器、光分路器、色散光纤、光电探测器；
天线阵面上每一通道接收的微波信号经电光调制器调制到激光器产生的相应波长的光载波上，然后经过预加重延时线进入波分复用器，天线阵面的m个通道对应m个不同波长的光载波，每一通道的预加重延时线产生不同的延时，波分复用器将经过调制和预加重延时的光信号复用到一根光纤传输，光信号经光纤放大器放大后通过光分路器，将复用的多波长光信号等功率分配到n路中，由每一路的色散光纤实现不同的延时量，形成不同的波束指向，最终由光电探测器实现光信号到微波信号的转化，m、n为正整数。
进一步地，所述天线阵面通道数量m根据实际情况进行调整，相应的，不同波长的激光器数量、电光调制器数量及波分复用器通道数量与m保持一致。
进一步地，所述预加重延时线位于电光调制器与波分复用器之间，每一通道的预加重延时线产生不同的延时，用于阵面天线各通道在不同接收角度下产生延时的预加重，相邻通道间预加重延时线差值与天线阵面最大扫描角度下相邻通道间引入的延时间隔大小相等，符号相反，实现由阵面天线正负角度的接收到光波束形成时单一正角度或者负角度的接收。
进一步地，所述光分路器通道数量n根据实际波束形成需求数量进行调整。
进一步地，所述色散光纤用于光波束的形成，每一通道色散光纤形成一个波束，根据需求采用正色散系数光纤或负色散系数光纤。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)与基于可调谐激光器波长扫描的实现方式相比，不需要高性能的可调谐激光器，成本相对较低，并且光波束形成是单通道波束形成体制，对光纤长度的控制精度相对较低；(2)在实现正负角度接收时不再需要同时采用两种正负色散系数的光纤，在保持光波束形成性能的同时，简化了系统结构，降低了系统损耗、体积、重量等，综合效能得到提升。
附图说明
图1是本发明一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置的结构框图。
图2是本发明实施例中天线阵面±30°扫描角度示意图。
图3是本发明实施例中预加重延时前天线阵面各扫描角度下通道延时曲线图。
图4是本发明实施例中预加重延时后天线阵面各通道延时及对应扫描角度曲线图。
图5是本发明实施例中预加重延时前天线阵面扫描方向曲线图。
图6是本发明实施例中预加重延时后天线阵面扫描方向曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置，包括天线阵面通道、激光器、电光调制器、预加重延时线、波分复用器、光纤放大器、光分路器、色散光纤、光电探测器；
天线阵面上每一通道接收的微波信号经电光调制器调制到激光器产生的相应波长的光载波上，然后经过预加重延时线进入波分复用器，天线阵面的m个通道对应m个不同波长的光载波，每一通道的预加重延时线产生不同的延时，用于阵面天线各通道在不同接收角度下产生延时的预加重，波分复用器将经过调制和预加重延时的光信号复用到一根光纤传输，光信号经光纤放大器放大后通过光分路器，将复用的多波长光信号等功率分配到n路中，由每一路的色散光纤实现不同的延时量，形成不同的波束指向，最终由光电探测器实现光信号到微波信号的转化。
由于各通道信号在进入色散光纤前已经过前端预加重延时线的预加重，后端由色散光纤形成的波束接收角度相对于阵面天线产生了一定的偏转，实现由阵面天线正负角度的接收到光波束形成时单一正角度或者负角度的接收，此时色散光纤只需能实现正角度或者负角度接收即可，光波束形成时不再同时需要正负色散系数的色散光纤。
进一步地，所述天线阵面通道数量m可根据实际情况进行调整，相应的不同波长的激光器数量、电光调制器数量及波分复用器通道数量与其保持一致。
进一步地，所述预加重延时线位于电光调制器与波分复用器之间，其可为固定长度的光纤延时线，也可为可调光纤延时线，每一通道的预加重延时线产生不同的延时，用于阵面天线各通道在不同接收角度下产生延时的预加重，相邻通道间预加重延时线差值与天线阵面最大扫描角度下相邻通道间引入的延时间隔大小相等，符号相反，实现由阵面天线正负角度的接收到光波束形成时单一正角度或者负角度的接收。
进一步地，所述光分路器通道数量n可根据实际波束形成需求数量进行调整。
进一步地，所述色散光纤用于光波束的形成，每一通道色散光纤可形成一个波束，可根据设计需求采用正色散系数光纤或负色散系数光纤。
本发明结构简单、体积小、重量轻、成本低、系统能耗低、综合效能高。与基于可调谐激光器波长扫描的实现方式相比，不需要高性能的可调谐激光器，成本相对较低，并且光波束形成是单通道波束形成体制，对光纤长度的控制精度相对较低；与原有基于多波长激光源阵列的实现方式相比，在实现正负角度接收时不再需要同时采用两种正负色散系数的光纤，在保持光波束形成性能的同时，简化了系统结构，降低了系统损耗、体积、重量等，综合效能得到提升。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例
图1为本实施例一种基于光纤色散的光波束形成预加重装置的结构框图，该结构以天线阵面为16个通道，8个光波束形成通道为例。如图1所示，该实施方案装置天线阵面通道(分别为通道1、通道2、…，通道16)、激光器(波长分别为λ1、λ2、…，λ16)、电光调制器、预加重延时线(分别为预加重延时线1、预加重延时线2、…，预加重延时线16)、波分复用器、光纤放大器、光分路器、色散光纤和光电探测器。
天线阵面上每一通道接收的微波信号经电光调制器调制到激光器产生的相应波长的光载波上，然后经预加重延时线进入波分复用器，天线阵面的16个通道分别对应16个不同波长的光载波，每一通道的预加重延时线用于产生不同的延时，用于阵面天线各通道在不同接收角度下产生延时的预加重，波分复用器将经过调制和预加重延时的光信号复用到一根光纤传输，光信号经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后通过光分路器，将复用的多波长光信号等功率分配到9路中，由每一路的色散光纤实现不同的延时量，形成不同的波束指向，最终由光电探测器实现光信号到微波信号的转化。由于各通道信号在进入色散光纤前已经过前端预加重延时线的预加重，后端由色散光纤形成的波束接收角度相对于阵面天线也产生了一定的偏转，实现由阵面天线正负角度的接收到光波束形成时单一正角度或者负角度的接收，此时色散光纤只需能实现正角度或者负角度接收即可，光波束形成时不再同时需要正负色散系数的色散光纤。
具体计算示例如下：
结合图2，设阵面天线通道间距为d＝8.33mm，阵面天线接收角度为-30°～30°，以-30°和30°两个接收角度为例进行计算。
(1)接收角度为-30°
设此时天线阵面相邻通道间的延时差为τ
其中c为真空中的光速。此时通道2相对于通道1延时为τ，通道3相对于通道2延时为τ，其它相邻通道以此类推。微波信号经电光调制器调制到光载波后，经预加重延时线进行延时预加重，预加重延时线的延时间隔τ1设置为
此时各相邻通道间由预加重延时线引入的延时差为通道2相对于通道1延时为τ1，通道3相对于通道2延时为τ1，其它相邻通道以此类推。光信号经过预加重延时线后，各相邻通道间的延时差为τ2为天线阵面间距引入的延时与预加重延时线引入的延时之和，即
设相邻通道间延时差为τ2时的接收角度为θx，由相邻通道间延时差计算公式可得：
此时θx为0°，即此时波束指向相当于0°，实际天线阵面接收角度为-30°。
各通道光信号经波分复用器后经掺铒光纤放大器放大后进入光分路器，光分路器后端由不同长度的色散光纤构成。由色散延时原理可知，相邻通道间由色散光纤引入的延时τ3为
τ3＝D·Δλ·L
D为色散光纤的色散系数，Δλ为相邻通道间的激光器波长间隔(波长λ1＜λ2＜…＜λ16，Δλ＞0)，L为色散光纤的长度。
光波束形成时要求
τ3＝-τ2
即由色散光纤引入的相邻通道间的延时来补偿由天线阵面通道间引入的延时与预加重延时线引入的延时之和。
此时进入色散光纤的相邻通道间的延时差为
τ3＝-τ2＝0
故由零色散系数光纤即D＝0时可形成波束指向0°的接收。
(2)接收角度为30°
设此时天线阵面相邻通道间的延时差为τ′
其中c为真空中的光速。此时通道2相对于通道1延时为τ，通道3相对于通道2延时为τ，其它相邻通道以此类推。微波信号经电光调制器调制到光载波后，经预加重延时线进行延时预加重，预加重延时线的延时间隔τ1为
此时各相邻通道间由预加重延时线引入的延时差为通道2相对于通道1延时为τ1，通道3相对于通道2延时为τ1，其它相邻通道以此类推。光信号经过预加重延时线后，各相邻通道间的延时差为τ′2为天线阵面间距引入的延时与预加重延时线引入的延时之和，即
设相邻通道间延时差为τ′2时的接收角度为θ′x，由相邻通道间延时差计算公式可得：
此时θ′x为90°，即此时波束指向相当于90°，实际天线阵面接收角度为30°。
此时经色散光纤光波束形成时要求
τ3＝-τ′2
由色散光纤延时原理可知，此时要求负色散系数(D＜0)的光纤长度为：
其它阵面接收角度同理可得，通过上述计算可知，通过预加重延时技术，可将天线阵面负接收角度转换为相当于0°到正角度波束指向，后端采用色散光纤波束形成时，除0°指向需采用零色散光纤外，只需采用负色散光纤即可，不再需要同时采用正负色散系数两种光纤。
图3是预加重延时前天线阵面各扫描角度下通道延时曲线图，图4是预加重延时后天线阵面各通道延时及对应扫描角度曲线图，图5是预加重延时前天线阵面扫描方向曲线图，图6是预加重延时后天线阵面扫描方向曲线图。由图3～图6可以看出，本发明装置在实现正负角度接收时不再需要同时采用两种正负色散系数的光纤，在保持光波束形成性能的同时，简化了系统结构，降低了系统损耗、体积和重量，提高了综合效能。
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