本發(fā)明涉及到微波光子領(lǐng)域以及現(xiàn)代脈沖雷達(dá)領(lǐng)域，具體涉及基于微波光子技術(shù)的寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)需要發(fā)射一類時間與帶寬都比較大的脈沖。在接收到雷達(dá)脈沖回波后進行匹配濾波處理。經(jīng)過匹配濾波處理后的脈沖將被壓縮，通過對壓縮后的回波進行處理分析，可以獲得目標(biāo)的距離和速度信息。在雷達(dá)系統(tǒng)中，最終可以獲得的目標(biāo)位置的分辨率(Range resolution)與發(fā)射脈沖的帶寬成正比，目標(biāo)的多普勒速度分辨率(Doppler resolution)則與脈沖的時間長度成正比，因此這類脈沖需要同時具有較大的時間以及帶寬。為實現(xiàn)這一點，所發(fā)射的脈沖波形往往為線性啁啾脈沖或二相編碼脈沖。

使用傳統(tǒng)的電子學(xué)方式產(chǎn)生的線性啁啾脈沖或二相編碼脈沖往往帶寬受到限制，很難達(dá)到GHz以上。這主要是受限于電子倍頻混頻器件帶寬的限制。采用微波光子學(xué)技術(shù)，可以突破這一限制，產(chǎn)生很大帶寬的線性啁啾脈沖，可以有效的提升脈沖壓縮雷達(dá)的距離分辨率。Zeitouny于2005年首次提出了使用微波光子技術(shù)產(chǎn)生寬帶現(xiàn)行啁啾脈沖的方法。(Zeitouny,Avi,et al."Optical generation of linearly chirped microwave pulses using fiber Bragg gratings."IEEE photonics technology letters 17(2005):660-662.)這種方法使用了一對色散量不同的光纖布拉格光柵以及一個光延時線，在被分為兩路的超短光脈沖中分別引入了不同的啁啾和延時，最后在光電探測時發(fā)生干涉，產(chǎn)生了線性啁啾脈沖。

然而，在線性啁啾脈沖應(yīng)用到雷達(dá)系統(tǒng)中，又出現(xiàn)了新的問題：距離-多普勒耦合現(xiàn)象。當(dāng)存在多普勒失配時，雷達(dá)接收到的回波信號經(jīng)過匹配濾波器時并不能正確的反應(yīng)目標(biāo)的位置。因為目標(biāo)的移動速度導(dǎo)致的多普勒頻移會同時引起時間軸上，輸出脈沖的峰值移動，從而導(dǎo)致對輸出目標(biāo)距離探測失準(zhǔn)。為解決這種問題，可以采用一對互補的啁啾脈沖，構(gòu)成雙啁啾信號來進行發(fā)射，達(dá)到消除失準(zhǔn)的目的(K.Iwashita,T.Moriya,N.Tagawa,and M.Yoshizawa,“Doppler measurement using a pair of FM-chirp signals,”in Proc.IEEE Symp.Ultrason.,Honolulu,HI,USA,Oct.2003,pp.1219–1222.)。

目前Dan Zhu等人使用了微波光子學(xué)的方式來產(chǎn)生雙啁啾的脈沖信號。(Zhu,Dan,and Jianping Yao."Dual-Chirp Microwave Waveform Generation Using a Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator."IEEE Photonics technology letters 27.13(2015):1410-1413.)他們使用了一個信號發(fā)生器來產(chǎn)生單啁啾的脈沖。將此單啁啾脈沖和一個射頻單頻信號同時輸入到雙平行調(diào)制器進行調(diào)制，探測后，在輸出端得到了X波段，頻率為2GHz的雙啁啾脈沖。然而這種方法需要一個高頻率的射頻源(10GHz)射頻信號源，同時所產(chǎn)生的脈沖帶寬受到電子信號發(fā)生器的限制，依舊無法達(dá)到較高的帶寬，也無法實現(xiàn)很高的距離分辨率。

因此，為了達(dá)到較高的距離分辨率，并消除距離-多普勒耦合對雷達(dá)探測的影響，寬帶雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器是一種在脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)中所需要的重要設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)雷達(dá)脈沖發(fā)生設(shè)備帶寬較小，中心頻率較低，難以調(diào)諧等缺點，提供一種基于微波光子技術(shù)的寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的解決方案是：

基于微波光子技術(shù)的寬帶雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器，鎖模激光器與光分路器通過光纖相連，光分路器輸出分為三路：第一路通過第一光學(xué)色散器件；第二路依次通過第二光學(xué)色散器件以及電控光纖延時線；第三路通過第三光學(xué)色散器件；各路中器件通過光纖相連，并且三路最終均接入到光合波器的輸入端，光合波器的輸出端口通過光纖連接到高速光電探測器的光輸入端口，高速光電探測器和射頻高通濾波器通過射頻線纜相連接，最終產(chǎn)生的脈沖由射頻高通濾波器的輸出端口輸出。

在此寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器中，鎖模激光器和光分路器通過光纖線纜連接，將鎖模激光器發(fā)射的超短光脈沖分為三路，分別在不同的光學(xué)色散器件中經(jīng)歷不同的色散，并使用電控光延時線調(diào)節(jié)其中一路的延時。隨后三路脈沖通過光纖線纜輸入到光合波器中耦合為一路。合波器輸出端與高速光電探測器相連接，使三路脈沖發(fā)生相互干涉和光電轉(zhuǎn)換。高速光電探測器輸出的射頻信號經(jīng)過射頻高通濾波器后摒除不需要的低頻成分，最終產(chǎn)生所需要的寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖。

所述的三路中的光學(xué)色散器件具有不同的色散量，且具有相同的傳輸延時。三路中光學(xué)色散器件的色散量呈現(xiàn)一定的數(shù)量關(guān)系。

所述的第一光學(xué)色散器件、第二光學(xué)色散器件、第三光學(xué)色散器件的色散量符合以下數(shù)量關(guān)系：光學(xué)色散器件的色散量絕對值大于光學(xué)色散器件的色散量絕對值，且光學(xué)色散器件的色散量絕對值大于光學(xué)色散器件的色散量絕對值；光學(xué)色散器件與光學(xué)色散器件色散量之間的倒數(shù)差的絕對值等同于光學(xué)色散器件與光學(xué)色散器件色散量之間的倒數(shù)差的絕對值。即：若三路色散量分別為則需滿足且最終輸出脈沖的帶寬由的值決定。

所述的電控光延時線具有可調(diào)諧的延時。最終輸出脈沖的中心頻率有此延時量決定。所述的射頻高通濾波器的中心頻率需與由電控光延時線的延時量決定的中心頻率相匹配。

所述的光分路器、光合波器以及高速光電探測器的工作頻帶需要包含鎖模激光器的3dB帶寬范圍。所述的光電探測器的輸出帶寬需要大于所設(shè)計的雙啁啾脈沖的最大頻率值。這一頻率值有光色散器件的色散量間相對關(guān)系，以及可調(diào)光延時線的延時共同決定。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述雷達(dá)脈沖發(fā)生器的基于微波光子技術(shù)的寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖控制方法，具體為：鎖模激光器產(chǎn)生超短光脈沖分路后，在第一光學(xué)色散器件、第二光學(xué)色散器件、第三光學(xué)色散器件中經(jīng)歷不同的色散產(chǎn)生啁啾，并由電控光延時線產(chǎn)生不同的延時，最后經(jīng)過光合波器和高速光電探測器時相互干涉，最終產(chǎn)生寬帶雙啁啾雷達(dá)脈沖，射頻高通濾波器用以去除最終產(chǎn)生脈沖的低頻成分，只保留所需的雙啁啾脈沖。

最終產(chǎn)生的寬帶雙啁啾雷達(dá)脈沖的中心頻率由電控光延時線延時量和第二光色散器件色散量的比值決定。最終產(chǎn)生的寬帶雙啁啾雷達(dá)脈沖的帶寬由第一光學(xué)色散器件與第二光學(xué)色散器件之間的色散量倒數(shù)差的絕對值決定。

與傳統(tǒng)的雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器相比，本發(fā)明使用微波光子技術(shù)產(chǎn)生啁啾脈沖，具有大帶寬，高中心頻率，可調(diào)諧等特點，是一種可應(yīng)用于高性能脈沖壓縮雷達(dá)的實用方案。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于微波光子技術(shù)的寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明提供的基于微波光子技術(shù)的寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器的工作原理示意圖。

圖中：鎖模激光器1、光分路器2、第一光色散器件3、第二光色散器件4、電控光延時線5、第三光色散器件6、光合波器7、高速光電探測器8、射頻高通濾波器9和輸出端口10。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步闡述和說明。本發(fā)明中各個實施方式的技術(shù)特征在沒有相互沖突的前提下，均可進行相應(yīng)組合。

圖1中展示了基于微波光子技術(shù)的寬帶可調(diào)諧雙啁啾雷達(dá)脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)。鎖模激光器1發(fā)射的脈沖為超短飛秒脈沖，經(jīng)過光分路器2后分為a、b、c三路。分別通過第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6，使得超短飛秒脈沖成為了啁啾脈沖。其中在b路中的脈沖還經(jīng)歷了電控光延時線5。因此，脈沖在a、b、c三路引入不同啁啾和延時。再隨后三路脈沖通過光合波器7合并為一路，并通過光纖連接到高速光電探測器8的光輸入端口中進行光電轉(zhuǎn)換。此過程中三路脈沖之間發(fā)生了相互干涉，產(chǎn)生了雙啁啾脈沖。高速光電探測器8和射頻高通濾波器9通過射頻線纜相連接，射頻高通濾波器9用以去除最終產(chǎn)生脈沖的低頻成分，只保留所需的雙啁啾脈沖。最終產(chǎn)生的脈沖由射頻高通濾波器9的輸出端口10輸出。

此系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。圖2種分別用點線、虛線和點劃線表示了a、b、c三路中，分別經(jīng)過不同的色散器件和延時器件后的啁啾脈沖的啁啾特性。圖中①～③含義為：①a路與b路脈沖相干涉產(chǎn)生輸出脈沖的正啁啾部分(頻率隨時間增加)，②b路與c路脈沖相干涉產(chǎn)生輸出脈沖的負(fù)啁啾部分(頻率隨時間減少)，③a路與c路脈沖相干涉產(chǎn)生輸出脈沖的低頻部分，被濾波器濾除。可以看出，三路光脈沖的啁啾率均不相同，啁啾率分別由第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6的色散量的倒數(shù)決定。在進入光電探測器探測后。a路脈沖與b路脈沖之間發(fā)生干涉，所產(chǎn)生的脈沖頻率為兩啁啾脈沖的頻率特性差值的絕對值?？梢钥闯?，這兩路脈沖干涉所產(chǎn)生的脈沖為頻率隨時間增大的正啁啾脈沖。同理b路脈沖與c路脈沖之間發(fā)生干涉，產(chǎn)生頻率隨時間減小的負(fù)啁啾脈沖。這一對正負(fù)啁啾脈沖啁啾率大小相同，且在時間上疊加，構(gòu)成雙啁啾脈沖。而a路脈沖與c路脈沖相干涉產(chǎn)生一個中心頻率為0的V型調(diào)頻脈沖，頻率較低，在系統(tǒng)中將被射頻高通濾波器9濾除。

在本實施例中，光分路器2和光合波器7可分別由1×3光耦合器以及3×1光耦合器實現(xiàn)。第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6可分別使用具有不同色散量的啁啾光纖布拉格光柵實現(xiàn)。若第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6的色散量分別為電控光延時線5的延時為τ,則最終產(chǎn)生脈沖的中心頻率f_center和帶寬B分別為：

$f_{center}=\mathrm{\τ}/2\mathrm{\π}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Φ}}}_b$

$B=\frac{1}{2\mathrm{\π}}(\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Φ}}}_b}-\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Φ}}}_a})\·\mathrm{\Δ}T$

其中ΔT為輸出脈沖寬度，由鎖模激光器1的脈沖寬度，第二光色散器件4的色散量以及電控光延時線5的延時量共同決定。

例如，若鎖模激光器1所產(chǎn)生的脈沖半高全寬為1ps，中心波長為1550nm。要產(chǎn)生一個中心頻率50GHz,帶寬30GHz的雙啁啾脈沖，第一光色散器件3、第二光色散器件4、第三光色散器件6的色散量應(yīng)分別為420ps²,426.3ps²以及432.8ps²。電控光延時線5的延時量為134ps。最終輸出脈沖寬度約為5.6ns。光分路器2以及光合波器7，高速光電探測器8均應(yīng)工作在C+L波段。光電探測器8的輸出帶寬應(yīng)大于65GHz，射頻高通濾波器9的截止頻率約為30GHz。

以上所述的實施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。