偏振调制微波光子信号处理

微波光子信号处理具有带宽大、调谐性好、对电磁干扰不敏感、易于实现并行系统等优点,在过去数十年中受到了学术界的重视。相比于传统的电光相位调制和电光强度调制,偏振调制将待调制信息转换到光的一个二维参量（偏振）上,从而在实现信号处理时可提供更多的自由度和灵活性。在偏振调制器后连接一个检偏器,通过调节检偏器的检偏角去掉偏振调制的一个维度,即可实现相位调制和强度调制,因而任何基于相位调制和强度调制的微波光子信号处理都能基于偏振调制实现。同时,将偏振调制器的输出分成多路,每一个支路上都插入一个检偏器,则基于一个偏振调制器就可同时实现多个调制方式,从而进一步实现并行信号处理或多功能一体信号处理。此外基于单边带偏振调制,可利用非常简单的装置实现幅相无耦合的微波移相器,进而实现相位编码、复抽头系数滤波器、光控相控阵等信号产生或处理功能。本文建立了偏振调制的基本数学模型,并对基于偏振调制的多种微波光子信号处理功能进行了原理分析。     

微波光子雷达组网技术

雷达组网是目前雷达领域的研究热点之一。通过对空间区域进行多角度、多频段、多域协同探测,雷达组网能够获取目标的多维度信息,并利用数据的融合处理进一步地提升系统的目标探测与识别性能。随着系统对信号质量、信息传输链路带宽以及系统同步精度等需求的日益增长,基于微波光子技术实现信号产生、传输和处理的雷达组网正逐渐获得研究者的关注。本文分析了微波光子雷达组网关键技术的工作原理,介绍了近年来国内外微波光子雷达组网的发展现状,并探讨了其未来的演进方向。     

微波光子集成及前沿展望（特邀）

微波光子学是一门融合了微波技术和光子技术的交叉学科,是研究光波和微波在媒质中的相互作用以及在光频域实现微波信号的产生、处理、传输及接收的微波光波融合系统。由于现有的微波光子系统大多由分立器件组成,在体积、功耗、稳定性、成本等方面仍有待提升,因此集成化是微波光子技术发展的必然趋势。文中探讨了微波光子集成技术面临的主要科学与技术问题,总结了该技术的发展现状和前沿研究进展,并对其未来发展前景进行了展望。     

基于微波光子倍频与去斜接收的宽带阵列雷达 （特邀）

微波光子雷达利用光子学方法实现雷达信号的产生与处理,具有突出的宽带工作能力,能显著提升雷达距离分辨率。为了提升雷达角度分辨能力并实现灵活波束控制,将微波光子雷达技术与阵列技术相结合是必然的发展趋势。目前研究较多的宽带阵列雷达采用光真延时技术克服宽带波束倾斜问题,通常面临复杂度高、灵活性差、延时精度有限等问题。近年来,基于微波光子倍频与去斜接收的宽带雷达收发架构得到了广泛关注,基于此技术构建的阵列雷达,在实现宽带工作的同时具备实时数字补偿与处理功能,为宽带阵列雷达的发展提供了新的思路。文中针对作者在此方面的最新研究进展进行了综述,在阐明基于微波光子倍频与去斜接收实现宽带雷达收发机理的基础上,介绍了构建宽带相控阵雷达的方法以及实现数字波束扫描与成像的性能。然后,将阵列形式扩展至多输入多输出（MIMO）形式,介绍了基于光波分复用技术实现宽带微波光子MIMO雷达的方法,并分析了微波光子MIMO雷达在目标探测与成像方面的性能。     

基于光注入半导体激光器的宽带雷达信号产生及应用（特邀）

由于具有动力学特性丰富、体积小和易集成等优点,基于半导体激光器的信号产生技术已成为高性能微波光子信号产生的优选方案之一。半导体激光器在合适的外光注入条件下能够工作在单周期振荡态,可突破本征弛豫振荡频率的限制,产生频率大范围可调的微波信号;进一步动态地控制注入参数,能够生成宽带可重构的微波调频信号,在雷达领域具有重要的应用前景。文章首先介绍了基于光注入半导体激光器的宽带微波信号生成机理并实验产生了大时宽带宽积的微波线性调频信号,其中心频率、带宽、时宽和工作频段均可灵活调谐;然后,构建了延时匹配光电反馈环路,提升了宽带微波调频信号的频谱纯度和梳齿信噪比等性能参数;最后,基于该高性能宽带微波调频信号发生器构建了微波光子雷达验证系统,分析了其在目标探测与成像方面的性能。     

超低相噪光电振荡器及其频率综合技术研究

该文提出一种基于级联相位调制器的注入锁定光电振荡器及其频率综合系统。该文提出的光电振荡器利用相位调制实现调制器输出光谱展宽并保持光纤中传播功率恒定,降低光纤非线性效应引入的强度噪声。采用双输出MZI级联平衡探测器的结构完成相位调制到强度调制的转化,提高系统的信噪比,实现频率为9.9999914 GHz、边模抑制比大于85 dB、10 kHz频偏相位噪声为–153.1 dBc/Hz的超低相位噪声信号输出。此外,还基于所提出的超低相位噪声光电振荡器构建了宽带、高性能频率综合系统。联合DDS和PLL的混合锁相技术,所提出频率综合器的输出频率成功覆盖5.9～12.9 GHz,相位噪声达到–130 dBc/Hz@10 kHz,杂散抑制比优于65 dB,跳频时间小于1.48 μs。      

面向雷达应用的微波光子信号产生技术

信号源是雷达发射机与接收机的关键组成部分,其性能直接影响着雷达的探测能力。基于电子技术的信号产生在信号载频、带宽以及噪声等特性方面受到限制,难以满足未来高性能雷达对高载频、大带宽、低噪声信号源的需求。新兴的微波光子技术能利用光子学手段产生高质量微波信号,在雷达信号产生领域具有广阔的应用前景。本文主要介绍利用微波光子技术产生雷达信号的研究进展,包括基于光电振荡器的高性能本振信号产生、线性调频信号产生和相位编码信号产生。通过对以上技术的分析发现,基于微波光子技术的微波信号产生具有带宽大、抗干扰等突出优点,是解决当前雷达信号产生技术瓶颈的有效手段。     

基于光子芯片的微波光子混频器 （特邀）

提出了一种由光生本振单元和波长分离调制单元组成的微波光子混频方法,并在绝缘体上硅材料上设计实现了上述波长分离调制芯片。该芯片集成了硅基相位调制器、微环滤波器、光电探测器、光耦合器和光栅耦合器。实验搭建了基于该波长分离调制芯片的微波光子次谐波混频系统,结果表明,该微波光子混频器可以将6~16 GHz的RF信号变频到33~23 GHz。此外,针对实验系统中残留的混频杂散,分别提出了增加微环滤波器抑制比降低泄露光生本振强度和引入光移相器修正泄漏光生本振相位两种解决方案。通过仿真验证可知,引入光移相器的方法更为简单,更适合于光子集成芯片。     

基于微波光子I/Q去斜接收的宽带线性调频雷达成像系统

该文提出一种新的基于微波光子I/Q去斜接收的宽带线性调频雷达成像系统方案。发射机利用微波光子倍频技术产生宽带线性调频信号,接收机利用偏分复用-双驱动马赫曾德尔调制器,将回波信号同时输入到两个不同偏振态的调制器上,并通过调节对应调制器的偏置电压在两偏振态之间引入90°相位差,从而实现微波光子I/Q去斜接收。此雷达在具备实时高分辨探测能力的同时,能区分参考点两侧的目标,解决了现有微波光子雷达接收机采用光子混频去斜接收中受镜频干扰导致距离向模糊的问题。该文首先论证了采用I/Q去斜接收的必要性,随后介绍了所提出的微波光子雷达结构与原理,最后开展了目标探测与逆合成孔径雷达成像的实验研究。该雷达工作在K波段,带宽为8 GHz。结果表明该系统可以有效解决镜频干扰引起的距离向模糊。      

基于光波分复用网络的分布式多目标定位系统

该文研究了基于光波分复用网络的分布式多目标定位系统,引入混沌光电振荡器实现宽带正交波形产生,引入光波分复用网络将分布式发射和接收单元的宽带信号传输回中心站进行信号处理,基于TOA (Time Of Arrival, 到达时间)定位方法实现对多目标的精确定位。多个光载波在中心站产生,中心站的资源可支撑复杂的高精度目标定位算法,远端发射和接收单元结构简单。进行了原理验证实验,构建了2个发射机、2个接收机的实验定位系统,基于混沌光电振荡器产生了频率范围为3.1～10.6 GHz的正交混沌波形。实现了对2个目标的2维定位,最大误差为7.09 cm,并对系统架构的可重构性进行了实验验证。