面向分布式相参雷达的微波光子信号产生与传输研究

发布时间：2020-05-16 02:45

【摘要】：雷达的灵敏度与其天线孔径的平方成正比。随着雷达灵敏度的不断提高,天线的尺寸越来越大。然而大孔径天线不仅机动性差难以灵活部署,而且制作和维护难度大、成本高。为此,林肯实验室提出了分布式相参雷达的概念,该雷达通过相参收发将多个物理上分离的子雷达等效为一个大孔径雷达,提高了雷达的灵敏度,避免了大尺寸天线带来的问题。分布式相参雷达的关键技术之一是各子雷达本振信号的高精度同步。然而,目前的同步技术难以满足要求。因此,论文针对实现高精度本振同步的难题,研究了低相噪微波本振信号的产生和光纤稳相传输技术。论文利用微波光子鉴相器从锁模激光器中提取低相噪本振信号,并结合基频频综和镜频抑制混频技术研制了宽带的捷变频低相噪信号源,然后利用共轭微波混频技术和锁相环技术实现了本振信号的光纤稳相传输,最终实验实现了四个分布式子孔径的相参合成,可用于未来的分布式相参雷达系统。论文提出了基于偏振调制的微波光子鉴相方法,通过数值仿真和实验研究了其鉴相特性及影响其性能的系统和器件参数。利用此鉴相方法构建锁相环将压控振荡器锁定于锁模激光器的重复频率以产生稳定的微波本振信号,仿真分析了限制所产生微波信号相噪的因素。仿真结果表明锁模激光器的噪声、微波光子鉴相器的噪底和压控振荡器的相噪分别会限制所产生微波信号不同频偏处的相噪。实验结果验证了这个结论。因此,在分析锁模激光器噪声的基础上,论文采用光纤延时线作为参考稳定了锁模激光器的重复频率,大大降低了所产生微波信号近载频端的相噪。所产生的10 GHz信号相位噪声在10 Hz频偏处为-80 dBc/Hz,在10 kHz频偏处为-145 dBc/Hz,到10 MHz频偏处时迅速滚降到-165 dBc/Hz。此外,针对雷达中常用的跳频技术和频率分集技术对多频本振的需求,论文以重复频率稳定的锁模激光器为基准源,利用微波光子鉴相器从中提取低相噪微波信号,并结合灵活的直接数字频率合成技术和镜频抑制混频技术,研制了X波段的宽带低相噪捷变频微波信号源。该信号源的频率切换精度和切换时间分别为135 pHz和135 ns,并且所有输出频率在1 kHz频偏内的相位噪声相同,即在10 Hz频偏处为-80 dBc/Hz,在1 kHz频偏处为-125 dBc/Hz。当在10 Hz到10MHz的区间积分时,该信号源的积分时间抖动在9.1 fs以内。最后,提出了一种基于共轭微波混频的光纤稳相传输技术,仅需要两次微波混频,实验实现了微波信号经光纤稳相传输20 km后相位抖动在2.86?以内;并进一步优化系统设计,利用预失真共轭混频技术实现稳相传输,避免了辅助信号源的使用,实验中微波本振信号经光纤稳相传输20 km后相位抖动在2.52?以内。提出了一种基于锁相环的光纤稳相传输技术,采用微波光子移相器和可调光延时线作为执行器,实验实现了信号传输6 km后相位抖动在2?以内。利用上述技术实验实现了四个分布式子孔径的相参合成,并保持长期稳定。
【图文】：

雷达,战略预警,陆基,相控阵

第一章绪论1.1 引言自从在二战中得以应用以来，雷达(Radar)技术不断发展进步，性能不断提升的同时应用领域也越来越广。一方面雷达结构设计日趋精巧、紧凑，能实现商业化大批量单片雷达硬件系统集成，能在近百平方厘米的面积上实现信号产生、信号接收、信号处理、天线等功能模块的集成。这样成本低、尺寸小、重量轻的雷达模块作为全天候传感器逐渐渗透我们生活的方方面面，是社会进入智能化时代不可或缺的硬件基础。例如，毫米波雷达模块用于汽车高级辅助驾驶可实现自适应巡航、紧急制动、前向防撞等功能。另一方面雷达体系日趋庞大、功能复杂多样，能同时执行目标探测、识别、捕获、跟踪及导弹制导等多种任务[1]，是各国必不可少的国之重器以及现代战争决胜千里的神兵利器。

相参雷达,相参,工作模式

含两个相控天线阵列，分别位于发射楼(高 32 米)的两斜坡面上。该相控天线阵呈直径为 22.1米的圆形，其上分布 2677 个交叉偶极子天线，如图 1.1 所示。类似的，还有俄罗斯“沃罗涅日-DM”型战略预警雷达和中国的陆基战略预警雷达(110单脉冲超远程精密跟踪雷达和7010大型战略预警相控阵雷达)。以上大口径雷达系统监控范围广，是导弹防御系统的核心。但巨大的天线孔径以及相应的伺服控制系统，导致这些雷达系统复杂、体积庞大、重量大，只能固定在特定的站点工作，机动性差，，难以灵活机动部署，容易受到敌方攻击，战场生存能力差。大孔径雷达机动性差难以灵活部署、制造及维护困难且成本高等固有特点大大限制了大孔径雷达的发展及应用。为此，美国导弹防御局在 2003 年发起了一项关于高级雷达传感器的研究，以期能够应对未来弹道导弹的威胁。多方研究机构参与了这项研究，其中包括麻省理工学院林肯实验室在内的多家研究实验室、工业部门和政府军方机构。在此背景下，林肯实验室提出了分布式全相参雷达作为下一代新体制弹道导弹防御(BMD)雷达，以解决大孔径雷达机动性、成本、维护等方面的难题[4-6]。林肯实验室对分布式相参雷达的概念进行了外场实验验证，取得了与预期一致的实验结果[7]，验证了分布式相参雷达的可行性。1.2 分布式相参雷达及其关键技术
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.51

【参考文献】