光學產生雷達脈沖壓縮信號的裝置的制作方法

本發明涉及微波技術領域及光子技術領域，尤其涉及一種光學產生雷達脈沖壓縮信號的裝置。

背景技術：

隨著雷達技術的不斷發展，對雷達的作用距離、分辨能力和測量精度等的要求也越來越高。初期的脈沖雷達,發射的是固定載頻的脈沖，其距離分辨力反比于發射脈沖寬度。要增加作用距離，就要求加大發射脈沖寬度，這樣必然會降低距離分辨力。自從40年代提出匹配濾波理論和50年代初伍德沃德提出雷達模糊原理之后，人們認識到要使雷達系統作用距離遠，又具有高的測距、測速精度和好的距離、速度分辨力，發射信號必須是大帶寬、長脈沖的形式，即雷達信號應具有大的時寬帶寬乘積。

脈沖壓縮雷達通過發射寬脈沖以提高發射信號的平均功率，保證足夠的最大作用距離，同時保證其測速精度和速度分辨力，而在接收時則采用相應的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高測距精度和距離分辨力，從而較好地解決了作用距離和分辨能力之間的矛盾。脈沖壓縮技術產生的脈沖信號時寬帶寬積可以遠大于1，基于脈沖壓縮技術的脈沖壓縮雷達同時具有作用距離遠、高測距、測速精度和好的距離、速度分辨力，成為了現代雷達的首選技術。具有大時寬帶寬積的信號通常被稱作脈沖壓縮信號，相位編碼或線性調頻信號是脈沖壓縮雷達系統中最常用的脈沖壓縮信號。

隨著雷達技術的不斷發展，現代雷達系統的工作頻率也在向更高的頻段不斷發展，如毫米波雷達，工作頻率通常選在30～300ghz范圍內。傳統的電域生成相位編碼或頻率調制的微波信號方式受電子器件速率瓶頸和帶寬的限制，對于高頻信號的生成成本極高或者不能生成，且時寬帶寬積受限，系統的可重構性和頻率可調性差，難以滿足高頻雷達技術的實際需求。通過光學方法生成相位編碼或線性調頻的雷達脈沖壓縮信號，可以克服電域生成方法的缺點，生成極高頻率的信號的同時達到極大的時寬帶寬積，且系統具有可重構性和頻率可調性。

已經有很多研究成果涉及到通過微波光子方法生成雷達脈沖壓縮信號。早期的基于空間光調制器的方法具有很高的靈活性和可重構性，但由于光在自由空間傳輸，系統十分復雜且損耗很高。為了克服這些缺點，可以通過基于全光纖的方案實現。通過光學頻譜整形和頻域到時域映射的方法可以實現脈沖壓縮信號的生成，但是通過該方法生成的信號時間長度受限，往往小于1微秒，限制了該方法的使用范圍。為了生成長時間長度的脈沖壓縮信號，出現了基于單個偏振調制器、基于單個馬赫曾德爾調制器、基于單個雙平行馬赫曾德爾調制器和基于偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器和平衡探測的相位編碼信號生成方法，但是這些方法只能生成二進制的相位編碼信號，難以生成多進制或線性調頻的脈沖壓縮信號。為了生成任意調制方式的脈沖壓縮信號，出現了基于偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器和光帶通濾波器的脈沖壓縮信號生成方法，但是該方法使用了光學帶通濾波器，這使得系統的穩定性和頻率可調諧范圍受到了極大的限制。另外一種產生任意調制方式的脈沖壓縮信號的方法是通過控制兩個相干光波長的相位關系實現的，這樣的方法需要通過偏振復用器件或者光學濾波器器件受限將兩個光波長在偏振域或空間域分開，再通過偏振調制或相位調制器對兩個光波長引入受編碼信號控制的相位差，然后將兩個光波長耦合起來通過光電檢測即可以生成任意調制方式的脈沖壓縮信號。這種方法的缺點主要在除了使用產生兩個相干光波長的光學調制器外，還需要使用光學濾波、相位調制或偏振調制等設備，造成系統復雜度較高，成本較高。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決背景技術中所存在的問題而提出的一種光學產生雷達脈沖壓縮信號的裝置，利用該裝置可以產生二進制、四進制或者多進制的相位編碼微波信號或線性調頻微波信號，產生的脈沖壓縮信號的頻率可調范圍大，只受到偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器帶寬的限制，生成的脈沖壓縮信號具有極大的時寬帶寬積。

實現本發明目的的具體技術解決方案是：

一種光學產生雷達脈沖壓縮信號的裝置，其特征在于：該裝置包括激光器、編碼信號發生器、微波信號發生器、偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器、直流電源、光電探測器、起偏器及偏振控制器，所述偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器設置在激光器的出射光路上；偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的輸出端與偏振控制器的輸入端連接，偏振控制器的輸出端與起偏器的輸入端連接，起偏器的輸出端與光電探測器連接；所述偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器內集成了兩個子雙平行馬赫-曾德爾調制器，兩個子雙平行馬赫-曾德爾調制器輸出的光信號經過正交偏振復用耦合在一起在偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的輸出端輸出，子雙平行馬赫-曾德爾調制器由一個主馬赫-曾德爾調制器和兩個子馬赫-曾德爾調制器組成，其中一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個射頻輸入端口連接微波信號發生器、另一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個射頻端口連接編碼信號發生器；所述直流電源連接偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的直流偏置端口。

所述子雙平行馬赫-曾德爾調制器具有相同的結構和性能。

所述子雙平行馬赫-曾德爾調制器具有獨立的射頻信號輸入端口和直流偏置輸入端口。

所述連接微波信號發生器的子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個子馬赫-曾德爾調制器工作在最小傳輸點，主馬赫-曾德爾調制器工作在正交傳輸點。

所述連接編碼信號發生器的子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個子馬赫-曾德爾調制器分別工作在最大傳輸點和最小傳輸點，主馬赫-曾德爾調制器工作在正交傳輸點。

所述輸入偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩路微波信號相差85-95°。

所述偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器一個偏振主軸與起偏器主軸夾角20-70°。

本發明產生雷達脈沖壓縮信號，包括以下步驟：

1)從激光器發出的波長為λ的光波注入到偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器中；

2)微波信號發生器產生的頻率為ωs相位差為85-95°的兩路微波信號分別輸出偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器其中一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個射頻輸入端口；

3)編碼信號發生器產生的編碼信號s(t)分為兩路分別輸入偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器另一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個射頻輸入端口；

4)通過直流電源產生的偏置電壓使注入微波信號的子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個子調制器工作在最小傳輸點，主調制器工作在正交傳輸點，光信號經過該子雙平行馬赫-曾德爾調制器的調制，實現了對入射光載波的移頻；通過直流電源產生的偏置電壓使注入編碼信號的子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個子調制器分別工作在最大傳輸點和最小傳輸點，主調制器工作在正交傳輸點，光信號經過該子平行馬赫-曾德爾調制器的調制實現了對光載波進行編碼信號的相位調制；

5)偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器輸出的光信號通過偏振控制器輸入起偏器，調節偏振控制器，使起偏器主軸的方向與偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器一個主軸成20-70°角；6)起偏器輸出的光信號通過光電探測器拍頻得到頻率為ωs的脈沖壓縮信號，脈沖壓縮信號由輸入編碼信號s(t)決定，當輸入編碼信號為n電平階梯信號時，可以生成n進制相位編碼信號，當輸入為拋物線函數信號時，可以生成線性調頻信號。

本發明可以生成二進制、四進制或者多進制的相位編碼微波信號或者線性調頻微波信號，簡化現有的實現相同功能的脈沖壓縮信號生成方式，能夠應用于未來高頻段雷達系統或者多功能雷達系統中。

本發明利用偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的移頻特性和相位調制特性，將偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器輸出的偏振正交的被調制光載波信號和未調制的光一階邊帶信號經起偏器耦合后通過光電探測器檢測，即可以生成相位編碼或線性調頻的雷達脈沖壓縮信號。基于集成的調制器結構，性能穩定，產生的雷達脈沖壓縮微波信號頻率可調范圍大，具有大的時寬帶寬積，克服了傳統電域生成雷達脈沖壓縮信號方式受電子器件速率瓶頸和帶寬的限制、對高頻信號生成困難或者不能生成、時寬帶寬積受限、系統的可重構性和頻率可調性差等缺點。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為本發明實施例1輸入微波信號頻率為8ghz時，偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器一個偏振主軸上輸出的經載波頻移后光信號的光譜圖；

圖3為本發明實施例1輸入微波信號頻率為8ghz時，偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器另一個偏振主軸上輸出光載波信號的光譜圖；

圖4為本發明實施例1輸入微波信號頻率為8ghz時，起偏器輸出光信號的光譜圖；

圖5為本發明實施例1輸入微波信號頻率為8ghz，(a)編碼信號為二進制方波時，生成的二進制相位編碼微波信號波形圖(實線)，和由該波形恢復出的相位信息(虛線)；(b)編碼信號為四電平階梯信號時，生成的四進制相位編碼微波信號波形圖(實線)，和由該波形恢復出的相位信息(虛線)；

圖6為本發明實施例1輸入微波信號頻率為8ghz，(a)編碼信號為二進制偽隨機序列時，生成二進制相位編碼信號的自相關；(b)編碼信號為四進制偽隨機序列時，生成四進制相位編碼信號的自相關；

圖7為本發明實施例2輸入微波信號頻率為13ghz時，偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器一個偏振主軸上輸出的經載波頻移后光信號的光譜圖；

圖8為本發明實施例2輸入微波信號頻率為13ghz時，偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器另一個偏振主軸上輸出光載波信號的光譜圖；

圖9為本發明實施例2輸入微波信號頻率為13ghz時，起偏器輸出光信號的光譜圖；

圖10為本發明實施例2輸入微波信號頻率為13ghz，(a)編碼信號為二進制方波時，生成的二進制相位編碼微波信號波形圖(實線)，和由該波形恢復出的相位信息(虛線)；(b)編碼信號為四電平階梯信號時，生成的四進制相位編碼微波信號波形圖(實線)，和由該波形恢復出的相位信息(虛線)；

圖11為本發明實施例2輸入微波信號頻率為13ghz，(a)編碼信號為四進制偽隨機序列時，生成二進制相位編碼信號的自相關；(b)編碼信號為四進制偽隨機序列時，生成四進制相位編碼信號的自相關。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

參見圖1，本發明包括：激光器1、編碼信號發生器2、微波信號發生器3、偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器4、直流電源5、光電探測器6、起偏器7、偏振控制器8。激光器1的輸出端口與偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器4的光學輸入端相連。微波信號發生器3輸出的兩路微波信號與偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器4的兩個射頻入端相連，編碼信號發生器2輸出的兩路編碼信號與偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器4的另外兩個射頻輸入端口相連，直流電源5輸出的直流電壓信號與偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器4的直流輸入端口相連。偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器4的輸出端口與偏振控制器8的輸入端口相連，偏振控制器8的輸出端口與起偏器7的輸入端口相連，起偏器7的輸出端口與光電探測器6相連，在光電探測器6的輸出端口得到生成的雷達脈沖壓縮信號。

本發明產生雷達脈沖壓縮信號，具體步驟是：

步驟一、激光器產生工作波長λ為1551.87nm的連續光波，連續光波輸入到半波電壓為3.5v的偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器；

步驟二、微波信號發生器輸出頻率為ωs相差為90°的兩路微波信號，分別輸入偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器其中一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個射頻輸入端口；

步驟三、調節直流電源設置該子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個子調制器的偏置電壓均為3.5v，主調制器的偏置電壓為1.75v，該子雙平行馬赫-曾德爾調制器的輸出為對入射光載波移頻后的光信號；

步驟四、編碼信號發生器輸出的編碼信號分為兩路分別輸入偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器另一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個射頻輸入端口；

步驟五、調節直流電源設置該子雙平行馬赫-曾德爾調制器的兩個子調制器的偏置電壓分別為3.5v和0，主調制器的偏置電壓為1.75v，該子雙平行馬赫-曾德爾調制器的輸出為相位調制了編碼信號的光載波信號；

步驟六、偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器輸出的光信號通過偏振控制器輸入起偏器，調節偏振控制器，使起偏器主軸方向與偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器一個主軸方向成45°角；

步驟七、起偏器輸出的光信號經過光電探測器實現光電轉換后得到頻率為ωs的脈沖壓縮信號。

實施例1

微波信號源輸出的微波信號頻率為8ghz，驅動偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器，該子雙平行馬赫-曾德爾調制器輸出光譜圖參見圖2。編碼信號發生器產生500mb/s的二進制方波信號或四電平階梯信號驅動偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的另一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器，其輸出光譜圖參見圖3。起偏器后的輸出光信號為圖2和圖3所示光信號的耦合，光譜圖參見圖4。光電探測器輸出為8ghz的相位編碼信號，及利用希爾伯特變換恢復出相位信息參見圖5。將編碼信號發生器產生的信號更改成128比特的500mb/s的二進制偽隨機序列或四進制偽隨機序列，光電探測器輸出為8ghz的128位二進制或四進制相位編碼信號，經過自相關運算，二進制相位編碼信號得到脈沖壓縮信號的脈沖壓縮比為136，峰值旁瓣比8.6db，四進制相位編碼信號得到脈沖壓縮信號的脈沖壓縮比為115，峰值旁瓣比7.1db，參見圖6。

實施例2

微波信號源輸出的微波信號頻率為13ghz，驅動偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器，該子雙平行馬赫-曾德爾調制器輸出光譜圖參見圖7。編碼信號發生器產生500mb/s的二進制方波信號或四電平階梯信號驅動偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器的另一個子雙平行馬赫-曾德爾調制器，其輸出光譜圖參見圖8。起偏器后的輸出光信號為圖7和圖8所示光信號的耦合，光譜圖參見圖9。光電探測器輸出為13ghz的相位編碼信號，及利用希爾伯特變換恢復出相位信息參見圖10。將編碼信號發生器產生的信號更改成128比特的500mb/s的二進制偽隨機序列或四進制偽隨機序列，生成13ghz的128位二進制或四進制相位編碼信號，經過自相關運算，二進制相位編碼信號得到脈沖壓縮信號的脈沖壓縮比為135，峰值旁瓣比7.8db，四進制相位編碼信號得到脈沖壓縮信號的脈沖壓縮比為116，峰值旁瓣比6.6db，參見圖11。

本發明利用了偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器對光信號的移頻特性和相位調制特性及光電探測原理實現了雷達脈沖壓縮信號的生成。產生的雷達脈沖壓縮信號頻率可調范圍大，具有大的時寬帶寬積，并且根據輸入編碼信號的不同可以實現各種進制的相位編碼信號或線性調頻信號的生成。

以上所述實施方案僅為本發明的較佳實施例而已，并非僅用于限定本發明的保護范圍，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在本發明公開的內容上，還可以做出若干等同變形和替換，調制器結構不限于集成的偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器，如使用兩個并聯的雙平行馬赫-曾德爾調制器加光學耦合器的結構也能實現同集成的偏振復用雙平行馬赫-曾德爾調制器相同的作用，激光器波長不限于1551.87nm，調制器半波電壓不限于3.5v，生成信號頻率不限于8ghz和13ghz，這些等同變形和替換以及頻率范圍和光信號偏振夾角范圍的調整也應視為本發明保護的范圍。