超宽带天线阵列信号的微波光子相干接收与处理的机理研究

Receiving systems which capture wide band electromagnetic signals are of great importance to the economy and military affairs. Considering the constraints of traditional super-heterodyne receivers, such as complex configuration of multi-stadge frequency conversion and severe wide band frequency correlation effect, this project will focus on the research of RF photonic coherent receiving and processing with signals from ultra-wide-band antennas array, investigating the principles and experiment approaches, and finally the desktop prototype machines, with the advantages of RF photonic techniques on wide-band processing capability, high signal performance, miniaturization and low power consumption. First, the validity of system principles and scheme will be verified by theoretic modeling and simulation. Then, relationship between system performance and key components will be investigated. In order to realize RF photonic coherent receiving with signals from ultra-wide-band antennas array, this project will solve several key problems, such as high quality tunable optical local oscillation generation, narrow-band high-precision optical filtering, high performance wide-band coherent photonic frequency conversion, phase distortion evaluation and suppression for multi-channel.

具有宽带电磁信号捕获能力的接收系统对于当今社会经济和军事等各方面都有重要的应用价值，本项目针对传统超外差接收机存在的多级变频结构复杂，宽带频率相关效应严重等局限，立足于微波光子处理技术在大带宽、高性能、小型化、低功耗等方面的优势，开展超宽带天线阵列信号的微波光子相干接收和处理技术研究，探索验证其机理和实现方法，开展桌面验证装置研制。首先，通过理论建模和仿真分析验证系统原理和方案的合理性，然后深入解析系统性能与主要环节之间的制约关系，梳理主要科学问题，突破高质量可调谐光本振产生、窄带高精度光子滤波、高性能宽带相干光子变频、多通道相位畸变评估及抑制等关键技术，进而实现超宽带天线阵列信号的高性能微波光子相干接收。

当今社会，无线通信、雷达、遥感、广播、测绘、电子对抗等领域都离不开电磁信号。然而由于电磁信号的开放性，导致了目前存在许多误用、滥用，甚至是非法使用。同时,电磁泄漏还有可能对通信系统等关键设备造成危害。因此，具有宽带电磁信号捕获能力的接收系统对于当今社会经济和军事等各方面都有重要的应用价值。本课题针对传统超外差接收机存在的多级变频结构复杂、宽带频率相关效应严重等局限，分别从信号产生、变频滤波以及阵列信号传输与接收处理三个层次展开深入研究，完成了基于微波光子技术的超宽带天线阵列信号相干接收和处理原理样机的研制。. 主要研究成果包括：针对微波光子相干接收系统中的信号产生，理论推导了光梳的平坦度与相关参数的内在制约关系，并攻克了载波抑制单边带调制中的频率跟踪技术，实现了频率为6~18GHz的快速调谐，为微波光子相干接收提供纯净、稳定、低噪声的本振光；接着，针对变频滤波技术，分别研究了多种调制链路中的宽带相干光子变频技术，并在强度调制链路中实现了镜频抑制和相位可调，解决了传统电子模数转换器件带宽不足的瓶颈问题；同时设计了带宽为630MHz、矩形系数优于2的光纤光栅滤波器，较好地抑制了下变频过程中的杂散信号，从而提高系统的动态范围；最后针对阵列信号传输与接收处理，研究了调制器半波电压的高精度测量方法，为优化系统电光转换效率提供了参考；攻克了多通道间的幅相畸变抑制技术，实现了温度变化20℃时，全频段范围内的信号相位稳定度为8.4°,解决了相干接收系统中通道路径的不一致性引起的信号幅相抖动噪声；开展了全系统的桌面验证以及原理样机开发，实现了系统灵敏度优于-80dBm的高性能微波光子相干接收与处理系统。本项目的开展为民用及军用中的电磁频谱信号的获取、监测、管控和排查提供了大带宽、高灵敏度的接收手段。