基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成方法及网络系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成方法及网络系统，属于集成光子技术和微波光子技术领域。该系统包括一个克尔光频梳产生模块，调制模块，多路光延时网络模块和解调模块。该方法首先由克尔光频梳产生模块产生一个宽带相干光频梳信号，通过波分复用器分束成多路光信号，利用电光调器阵列将外部多路天线阵元接收到的微波信号调制到光信号上，然后经过光延时网络模块对多路光信号的相位和幅度进行调控，最终合束为一路光信号，经由光电探测器解调出微波信号。本发明专利技术可提高光学波束形成网络的集成化水平，实现大宽带、多通道、宽角的性能，可促进光控相控阵天线芯片化、集成化的发展。集成化的发展。集成化的发展。

【技术实现步骤摘要】
基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成方法及网络系统


[0001]本专利技术属于集成光子技术和微波光子
，具体涉及一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成网络系统。

技术介绍

[0002]近年来，现代雷达探测系统向着高频段、大带宽、远距离、小目标的方向不断发展。受限于机械结构与扫描惯性，传统机械式扫描天线难以满足机动性、小型化、高功率、快速扫描等需求。而相控阵天线采用阵元分散阵面排布，通过移相器和衰减器改变每个阵元馈电的幅度和相位，可实现天线波束的大范围、快速扫描，有效摆脱机械结构的限制。另外，空间功率合成使得相控阵天线可以实现超大的接收孔径，并通过很多台中小功率发射机的并行工作实现超大的总发射功率，能够有效探测远距离小目标，极大地拓展雷达的探测范围。
[0003]为了提高雷达的目标分辨识别能力，相控阵天线必须具备超宽带、宽角扫描的能力。通常，相控阵天线采用微波移相器实现天线阵元的馈相。然而，在提升瞬时工作带宽后，基于微波移相的相控阵天线会面临两个限制——“孔径效应”和“孔径渡越时间”。这是由于微波移相器仅能提供恒定的信号相移值，其大小不随信号频率改变而变化。另外，由于每个移相器的信号延时基本相同，天线两端的阵元接收到的被探测目标回波信号在时间维度上也会出现偏差，导致信号不能同时相加。在相控阵中引入实时延迟技术进行移相处理，可以为天线不同频点信号提供梯度相位，保证宽带波束空间指向的同一性，同时补偿信号的时间差，有效解决“孔径效应”和“孔径渡越时间”问题。而微波延迟线具有固有技术缺陷，不能很好满足应用需求。采用光纤延迟线实现光域延迟移相和信号分配/叠加，不仅能够保证相控阵天线的超宽带工作和宽角扫描能力，而且能够有效降低链路插入损耗、提高相控阵天线抗干扰和电磁兼容性，获得更高的系统可靠性和更小的系统重量与体积。
[0004]光波束形成网络通常可以分为基于级联开关的波束形成网络和基于色散元件的波束形成网络两类。级联开关波束形成网络方案的基本原理是通过控制光开关的状态选择真实时间延迟线的长度以获取需要的延时，即通过光程切换实现光控波束形成功能。该方案技术成熟、结构简单，可用光纤作为光真延迟线，通道延时完全由光通道长度决定，理论上可以实现任意延时。但波束形成与扫描时间则取决于光开关的切换控制时间。而基于光色散特性的光控波束形成技术是将待发射/接收调制到多个不同波长的光载波上，不同波长的调制光信号在特定的色散介质或元件经历不同的光程，从而产生不同的光延迟。常见的色散介质主要包括色散光纤和阵列光栅等。在多波长信号处理的场合，用色散控制光延迟的方式能实现更高的延迟精度控制，有利于提升系统的信号处理能力。然而，这些色散介质不可避免地存在一定的时延抖动，这会恶化真延时调控精度。
[0005]利用光纤等的分立光学器件进行光控波束形成存在体积大、功耗高、难以集成的缺陷。而现代电子系统在小型/集成化方面的迫切发展需求，开发片上集成式光控波束形成网络是当前的研究主流。这种方案可以极大地减小器件和系统的尺寸，降低功耗，同时具有较高的大规模量产潜力，有效降低光控波束形成网络系统的成本。多波长光源阵列是相控
阵天线中光控波束形成网络的重要功能单元，目前通常由多个单激光器或多波长光源构成。但这些多波长激光光源会存在光载波数量有限、成本高、体积大以及功耗高等缺点，无法满足现代光控相控阵天线系统芯片化、集成化的发展需求。

技术实现思路

[0006]为了解决技术背景中所存在的问题，本专利技术提出了一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成方法及网络系统。本专利技术利用微谐振腔的克尔效应产生大带宽、多梳齿、可集成的克尔光频梳，并将其作为多波长相干光源，可以满足波束形成网络的大带宽、多波段、多通道、小体积、小功耗、低复杂度等要求，实现光控相控阵天线波束形成网络系统的片上集成，极大地缩小光控相控阵天线的体积，且能够保证大宽带、多通道、宽角性能，为芯片化、集成化光控相控阵天线提供了一个有效的技术路线。
[0007]为了实现以上目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成网络系统，包括：克尔光频梳产生模块，用于生成一个相干宽带光频梳信号，作为光控波束形成网络的多波长光源，并通过波分复用器将多波长光源分束成多路光信号；调制模块，通过电光调制器阵列将外部多个天线阵元的微波信号分别调制到多路光信号上；多路光延时网络模块，用于提供不同的延迟和衰减，实现对信号相位和幅度的调控，并将多路光信号合束；解调模块，通过光电探测器将波束形成后的调制光信号下变频，输出微波信号。
[0008]进一步地，所述克尔光频梳产生模块包括单色激光器、微谐振腔和波分复用器；单色激光器用于产生泵浦激光，单色激光器的输出端与微谐振腔输入端相连，微谐振腔的输出端与波分复用器相连，分束成多路信号后与电光调制器阵列的输入端口相连。
[0009]进一步地，所述克尔光梳产生模块产生的克尔光频梳为主梳态克尔光频梳、亮孤子态克尔光频梳、暗孤子态克尔光频梳、孤子晶体态克尔光频梳四种形式之一。
[0010]进一步地，克尔光频梳产生模块产生克尔光频梳的方式为以下三种之一：方式一：单色激光器产生的连续波激光进入微谐振腔，产生克尔光频梳信号；方式二：单色激光器产生的连续波激光进入微环谐振腔，对微谐振腔进行热调谐或压电陶瓷调谐，实现光频梳信号的生成；方式三：无光隔离器的单色激光器产生的连续波激光进入微谐振腔，基于后向瑞利散射效应实现单色激光器与微谐振腔的锁定，通过调控单色激光器与微谐振腔之间的相位，实现启钥式克尔光频梳的生成。
[0011]进一步地，所述微谐振腔的材质为氮化硅、铌酸锂薄膜、氟化镁或二氧化硅，微谐振腔的结构为微环、微盘或微球，微谐振腔的品质因数范围为106~109，微谐振腔的色散设计为正常色散或反常色散。
[0012]进一步地，所述多路光延时网络模块对多路光信号提供不同的延迟和衰减，进而对信号的相位和幅度进行调整；多路光延时网络模块中的每一路均包括多个级联的光开关、不同长度的延迟线、可调光衰减器，利用切换光开关状态选择不同的延迟通道，进而实现不同的信号延迟，利用调控可调光衰减器实现每一路信号的幅度均衡。
[0013]进一步地，所述多路光延时网络模块的光开关为热光开关、磁光开关或声光开关，延迟线为延迟波导或微环。
[0014]一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成方法，包括以下步骤：（1）单色激光器产生连续波激光，输入微谐振腔中，利用微谐振腔的克尔效应生成具有等频率间隔的宽带克尔光频梳；（2）宽带克尔光频梳进入波分复用器，宽带克尔光频梳信号分束成多路光信号；（3）多路光信号进入电光调制器阵列，调节其直流偏置电压，将多个天线阵元接收到的射频信号分别调制到多路光信号上；（4）多路调制光信号分别输入光延时网络模块的多个通道中；（5）多路光延时网络模块利用光开关选择不同长度的光延时线，对多路光信号提供不同的时间延迟，调控各路光信号的相位和幅度，并合束成一路信号；（6）多路光延时网络模块输出光信号输入光电探测器；（7）光电探测器用于将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成网络系统，其特征在于，包括：克尔光频梳产生模块，用于生成一个相干宽带光频梳信号，作为光控波束形成网络的多波长光源，并通过波分复用器将多波长光源分束成多路光信号；调制模块，通过电光调制器阵列将外部多个天线阵元的微波信号分别调制到多路光信号上；多路光延时网络模块，用于提供不同的延迟和衰减，实现对信号相位和幅度的调控，并将多路光信号合束；解调模块，通过光电探测器将波束形成后的调制光信号下变频，输出微波信号。2.根据权利要求1所述的一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成网络系统，其特征在于，所述克尔光频梳产生模块包括单色激光器、微谐振腔和波分复用器；单色激光器用于产生泵浦激光，单色激光器的输出端与微谐振腔输入端相连，微谐振腔的输出端与波分复用器相连，分束成多路信号后与电光调制器阵列的输入端口相连。3.根据权利要求2所述的一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成网络系统，其特征在于，所述克尔光梳产生模块产生的克尔光频梳为主梳态克尔光频梳、亮孤子态克尔光频梳、暗孤子态克尔光频梳、孤子晶体态克尔光频梳四种形式之一。4.根据权利要求2所述的一种基于克尔光频梳的超宽带多通道波束形成网络系统，其特征在于，克尔光频梳产生模块产生克尔光频梳的方式为以下三种之一：方式一：单色激光器产生的连续波激光进入微谐振腔，产生克尔光频梳信号；方式二：单色激光器产生的连续波激光进入微环谐振腔，对微谐振腔进行热调谐或压电陶瓷调谐，实现光频梳信号的生成；方式三：无光隔离器的单色激光器产生的连续波激光进入微谐振腔，基于后向瑞利散射效应实现单色激光器与微谐振腔的锁定，通过调控单色激光器与微谐振腔之间的相位，实现启钥式克尔光频梳的生成。5.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晓东，刘安妮，安东，马向，齐合飞，张磊，刘彦丹，李少波，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：