基于微波光子技术的频率分集阵列实现机理研究

For the radiation patterns of traditional phased arrays are limited to range-independent directivity, it is difficult for the radar to reject the non-desirable range–dependent interferences from the same direction of arrival. By introducing a small frequency shift at the element level, namely frequency diversity, the range-dependent beam steering is achieved. Though performing well, traditional frequency diverse array(FDA) requires mixers and amplifiers with the amount comparable to the array scale. Moreover, the devices are narrow band inherently. The relatively independent mixing process leads to the deterioration of signal coherency and the requirement of time sequence control. Therefore, microwave photonic technology is introduced in this project for its advantages in high frequency, wide bandwidth and parallel processing. By beating of two coherent optical frequency comb, the frequency shift of a whole array is produced in one trial. The method can adapt to wide bandwidth, with excellent coherency. According to this method, two scientific issues of general importance are as follow: the low noise flat frequency comb generation based on optoelectronic oscillator; and the development and accurate regulation of the stepped frequency based on the beat of frequency comb. The successful implementation of the project could promote the progress of FDA to higher frequency, simplified architecture and flexible processing. The method presented offers new research thought in improving the processing resolution of both communication and radar systems.

传统相控阵的波束指向在距离维是恒定的，难以抑制角度接近、距离不同的干扰或杂波。通过在相邻阵元上对发射信号附加一个小频率偏移，即频率分集，能够产生弯曲指向的波束。尽管性能优越，典型的频率分集阵列需使用与阵列规模相当的混频和放大器实现频率偏移，可适应带宽窄，并且相对独立的混频过程会引入相干性能恶化和时序控制问题。由于微波光子技术在高频率、大带宽、并行处理方面的先天优势，本项目将研究基于微波光子技术的频率分集阵列实现机理。通过将两路光频率梳相干拍差，能够实现阵列信号的一次性频率偏移处理，适应带宽宽、信号相干性好。围绕这一核心，本项目凝练出了两个具有一般意义的科学问题：基于光电振荡器的低噪声、高平坦度光频梳产生机理和基于光频梳拍差的步进移频信号产生和调控机理。该项目的成功实施能够推动频率分集阵列向频率更高、架构更简、处理更灵活的方向发展，为提升通信和雷达系统的高分辨率处理能力提供新的解决思路。

自2006年频率分集阵列的概念出现以来，该阵列迅速成为科学界的研究热点。尽管频率分集阵列具备波束与距离相关的特性，但随之引入同步要求高、混频器件多、硬件架构复杂等诸多问题。因此，本项目结合光频率梳宽带并行拍差的方法，以期简化频率分集阵列系统架构，支撑未来新型阵列化应用。本项目的主要研究内容和重要结果如下：.①.基于谐振环路的光频率梳产生机理.为了在高性能光频率梳产生的同时兼顾中心频率、步进频率的灵活调谐能力，项目先后仿真分析了基于DPMZM的单边带调制器和基于MZM和PM级联调制器的光频率梳的实现机理，并对基于DPMZM循环移频的光频率梳进行了实验测试，在3.37dB的平坦度下产生的频率梳齿数大于18根。能够满足梳齿平坦度±2dB,梳齿数量大于16根的指标要求。梳齿拍差得到信号的相位噪声为-100.09dBc/Hz@10kHz。.②.高精度步进频率调控机理研究.采用基于相干光频率梳拍差的方法同时产生并行多通道微波信号，两路光频率梳的梳齿间隔略有不同，则各通道输出的微波信号将存在一定的频率偏移。由于激光波长稳定性在kHz量级，要保证±0.5kHz的频率精度，两路光频率梳必须采用同源激光。结合仿真分析，通过实验验证了4.7GHz~11.7GHz、频率步进1GHz下的8通道频率分集信号产生能力，达到了中心频率X波段时频率调谐范围≥1GHz、频率精度优于±0.5kHz的指标要求。.③.基于光频率梳拍差的频率分集阵列工作机理研究.以8通道频率分集阵列为例，分析了频率分集阵列在距离、时间和角度上的周期性特征，并对频率分集阵列的波束扫描特性进行了分析，仿真分析表明频率分集阵列能够实现波束指向±30°范围内高精度调谐的能力。.④本项目在完成了最初设定的研究目标和考核指标基础上，拟制专著1本，发表论文12篇，其中，SCI论文1篇，EI论文7篇。申请国家发明专利8项（授权1项），培养中级职称工程师2名。