一种双波段双斜率频率捷变线性调频信号产生装置及方法

本发明属于微波光子学、微波信号产生，具体为一种面向电子战通感一体系统的双波段双斜率频率捷变线性调频信号产生装置及方法。

背景技术：

1、通信感知一体技术能够显著提升频谱、能源以及硬件资源的利用效率，降低不同功能之间的互干扰，产生融合增益，因此在近年来备受关注。由于能够促进通信与感知功能的深度融合，共享波形技术成为通信感知一体中的重要技术。线性调频信号具有优越的脉冲压缩性能与抗多径衰落的能力，在雷达与扩频通信系统中均得到成熟应用。因此，基于线性调频信号的通感一体共享波形得到广泛的研究。然而，随着现代战争对高速率通信与高精度感知的需求日益迫切，促使通感一体波形向高频段、大带宽发展。依托于频率合成器和数模转换器等电子器件的传统信号产生技术由于采样时钟速率、工作带宽等受限，难以直接产生高频宽带的射频信号。同时，电子器件之间的相互干扰需要采取电磁屏蔽措施得以抑制，这将进一步增加系统体积与功耗；另外，宽带信号在电缆波导等介质中幅相一致性差，且存在较大的传输损耗。而微波光子技术利用光学手段可以实现对高频宽带信号的直接产生、灵活处理和低损传输，并且具有抗电磁干扰能力。因此，利用微波光子技术产生通感一体线性调频信号在几年来发展迅速。1)"h.nie,f.zhang,y.yang,and s.pan,photonics-based integrated communication and radar system,2019internationaltopical meeting on microwave photonics(mwp),chendu,china,oct.2019,pp.1-4"中设计出一种幅度调制线性调频信号的光学产生和处理方案，在信号产生端对输入线性调频信号进行光域倍频和幅度调制，光电探测后可得到载频和带宽扩展为输入信号四倍的幅度调制线性调频信号。信号接收端可实现对接收回波信号的光域去斜处理，获得目标距离信息，通信信号采用包络检波实现解调；2)"周逸潇,赵尚弘,李轩等.面向通雷一体化的啁啾调制倍频lfm产生研究[j].中国激光,2022,49(07):86-96"中，提出一种啁啾极性调制的线性调频信号的光学产生方案，二进制信息通过线性调频信号的正负斜率表征。该方案可实现载频和带宽四倍频，目标探测和通信解调均可通过脉冲压缩实现，此外产生的正负斜率的信号还可用于高动态目标的测速。3)"yixiao z,shanghong z,xuan l,et al.photonic-aiddual-formats lfm signals generator for joint radar-communication system[j].optik,2022,270:170004."中设计出一种双调制格式lfm信号产生方案，其中的bpsk-lfm信号采用了脉内编码技术，提升了通信速率，并结合减小调制相移和直接序列扩频，在获得更好通信性能的同时，降低对探测感知性能的影响。4)"liang d,cheny.photonics-enabledjoint communication-radar system with improved detection performanceand looser symbol length limitation based on resampling and phasecompensation[j].optics&laser technology,2023,165:109638."中采用mpsk-lfm信号，通信速率得到进一步提升，并在接收端通过降采样和相位补偿技术，在雷达成像时消除通信调制的影响。

2、以上方案均存在着一定的局限：方案(1)中产生的幅度调制线性调频信号存在包络起伏，限制了雷达作用距离；方案(2)中采用的啁啾极性lfm信号只能进行脉间调制，信号的通信速率与雷达最大不模糊距离相互矛盾；方案(3)与方案(4)均采用脉内调制psk-lfm信号提升通信速率，并降低通信性能对于感知功能的影响，但均无法实现高动态目标的测速。另外，上述方案均未考虑产生信号的抗干扰能力，这使得在电子战环境下，应用受限。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双波段双斜率频率捷变线性调频信号产生装置，包括双波长激光源1、马赫曾德调制器2、环形器3、光纤布拉格光栅4、第一电控可调谐光延时线5a、第二电控可调谐光延时线5b、第一光电探测器6a、第二光电探测器6b、线性调频信号源7、第一数字控制信号源8a、第二数字控制信号源8b；其中

2、双波长激光源1，其输出双波长连续被激光；

3、线性调频信号源7，其输出线性调频电信号；

4、马赫曾德调制器2，其接收线性调频信号源7输出的线性调频电信号，并接收双波长激光源1输出的双波长连续被激光，对其进行调制电光调制后输出线性调频光信号；

5、环形器3，其接收马赫曾德调制器2输出的线性调频光信号，输出传输方向固定的线性调频光信号；其还接收光纤布拉格光栅4反射的光信号，并输出另一固定传输方向的光信号；

6、光纤布拉格光栅4，其接收环形器3输出的线性调频光信号，对固定带宽内的光信号进行反射，对固定带宽外的光信号进行透射；

7、第一数字控制信号源8a和第二数字控制信号源8b，其输出多进制脉冲编码信号；

8、第一电控可调谐光延时线5a，其接收光纤布拉格光栅4投射的光信号和第一数字控制信号源8a输出的多进制脉冲编码信号，对其进行延时，输出延时后的第一延时光信号；

9、第二电控可调谐光延时线5b，其接收环形器3输出的光纤布拉格光栅4反射光信号和第二数字控制信号源8b输出多进制脉冲编码信号，对其进行延时，输出延时后的第二延时光信号；

10、第一光电探测器6a与第二光电探测器6b，其分别接收第一电控可调谐光延时线5a和第二电控可调谐光延时线5b输出的第一、第二延时光信号，分别进行光电探测，分别输出正斜率与负斜率的频率捷变线性调频信号。

11、还提供一种双波段双斜率频率捷变线性调频信号产生方法，其基于上述双波段双斜率频率捷变线性调频信号产生装置，具体如下；

12、双波长激光源1输出的双波长连续光进入到马赫曾德调制器2；

13、马赫曾德调制器2的直流偏置工作在最小传输点，用于产生双波长光信号的正负1阶光边带，并抑制偶数阶光边带，更高阶奇数光边带由于功率较低忽略不计；马赫曾德调制器2产生的4个1阶光边带信号输入到环形器3中，并经由环形器3输入至光纤布拉格光栅4；

14、合理设置线性调频信号源7输出信号的载频与带宽，使得马赫曾德调制器2输出光信号时，光谱中间的两个1阶光边带位于光纤布拉格光栅的透射通带内，外侧的两个1阶光边带位于透射通带之外；

15、透射通带内的两个1阶光边带输入到第一电控可调谐光延时线5a，透射通带外的两个1阶光边带信号被光纤布拉格光栅4反射后由环形器另一端口输出，输入到第二电控可调谐光延时线5b中；

16、第一电控可调谐光延时线5a与第二电控可调谐光延时线5b分别在第一数字控制信号源8a与第二数字控制信号源8b的驱动下对各自输出的光信号引入时变的时延，实现对第一光电探测器6a和第二光电探测器6b输出的线性调频信号起始频率的控制；

17、第一光电探测器6a与第二光电探测器6b分别接收来自第一电控可调谐光延时线5a与第二电控可调谐光延时线5b的输出的第一、第二延时光信号，对其分别拍频得到两路频率捷变线性调频信号，这两信号载频不同，斜率相反；

18、假设双波长激光源1输出的双波长连续光由公式(1)表示：

19、e0(t)＝ein[exp(j2πf1t)+exp(j2πf2t)] (1)

20、其中，e0(t)表示双波长激光源输出光信号，f1、f2、ein分别为输出双波长光信号对应各波长的频率和幅度，t表示时间；假设线性调频信号源7输出的线性调频信号的时宽与重复周期均为t，该信号由公式(2)表示：

21、slfm(t)＝vlfm cos(2πfif(t-mt)+πk(t-mt)2), mt＜t＜(m+1)t (2)

22、其中，slfm(t)表示线性调频信号源7输出的信号，vlfm为信号幅度、fif为信号的初始频率、k为信号的斜率、m表示信号的周期数，t表示线性调频信号的时宽；

23、调节马赫曾德调制器2的直流偏置使其工作在最小传输点，则其输出光信号由公式(3)表示：

24、

25、其中，emzm(t)表示马赫曾德调制器2的输出光信号，m1＝πvlfm/vπ为马赫曾德调制器2的调制系数，vπ为马赫曾德调制器2的半波电压，快时间t’表示t-mt；经雅克比展开后，该光信号改写为公式(4)：

26、

27、其中，jn()为n阶一类贝塞尔函数；

28、马赫曾德调制器2的输出光信号随后进入到光环形器3和光纤布拉格光栅4中，在光栅透射通带中的光边带信号通过光纤布拉格光栅4输入到第一电控可调谐光延时线5a中，剩余光边带信号被反射输入到第二电控可调谐光延时线5b中，透射和反射的光边带信号由公式(5)表示：

29、

30、其中，ethrough(t’)和ereflect(t’)分别表示从光纤布拉格光栅4透射和反射的光边带信号；

31、假设第一数字控制信号源8a与第二数字控制信号源8b输出的数字控制信号分别为sa(t)和sb(t)，sa(t)和sb(t)，其均为多进制脉冲信号，脉宽为t的整数分之一，并与slfm(t)保持同步，令sa(t)和sb(t)的脉宽为τ0，且τ0＝t/n，n表示线性调频信号脉宽对于多进制脉冲脉宽的倍数；第一电控可调谐光延时线5a与第二电控可调谐光延时线5b的输出光信号由公式(6)表示：

32、

33、其中，e5a(t)和e5b(t)分别表示第一电控可调谐光延时线5a与第二电控可调谐光延时线5b的输出光信号，τ(sa(t))与τ(sb(t))分别为两延时线5a、5b引入到输出光信号上的延时；假设数字控制信号源8a、8b输出的多进制脉冲信号与电控可调谐延时线5a、5b对应的引入时延之间的关系由公式(7)表示：

34、

35、其中，τ(s(t))表示电控可调谐延时线引入的延时，s(t)表示输入到电控可调谐延时线5a、5b中的多进制脉冲信号；经过光电转换后，第一光电探测器6a与第二光电探测器6b的输出电信号表示为公式(8)：

36、

37、其中，i6a(t)、i6b(t)分别表示第一光电探测器6a与第二光电探测器6b的输出光电流，双波长光信号的频率差δf＝f2-f1，τ(sa(t))表示电控可调谐延时线引入的延时量，产生线性调频信号的子区间序数m∈{0,1,2,3}，延时补偿系数lm＝0或1，且lm的取值由公式(9)所示：

38、

39、根据公式(8)和(9)得知，当数字控制信号的取值不同时，第一光电探测器6a与第二光电探测器6b的输出线性调频信号的初始频率不同，且n的取值却大，输出线性调频信号的初始频率的变换取值越多；

40、在对应时间区间内，第一光电探测器6a与第二光电探测器6b输出信号在各时间区间的起始频率受到数字控制信号取值的控制；因此，通过在各个时间区间中对数字控制信号进行变化调整，即能够相应地改变输出线性调频信号的起始频率，从而产生频率捷变线性调频信号。

41、本发明利用光学方法产生双波段双斜率频率捷变线性调频信号。对比依托于电子技术的传统方法，该方案具有光学方法的一系列优势，如瞬时带宽大、调制速率高、抗电磁干扰等。相较于其他经数字调制的线性调频信号光学产生方案，本方案的信号产生方案可得到频率捷变信号，能够满足电子战条件下抗干扰需求，且产生双波段双斜率信号不仅可以提升通信速率和目标探测性能，还可以实现高动态目标的测速。本发明结构简单、稳定性强、可调谐性好，可应用于面向电子战的抗干扰双波段通感一体系统，对促进一体化系统的向小型化、集成化、高频宽带化有一定意义。