论文部分内容阅读
调频连续波（Frequency-modulated continuous-waves,FMCW）雷达是通过对连续波进行频率调制,根据发射信号和回波信号的频率差、相位差来获取目标信息的一种雷达体制。FMCW雷达因具备系统结构简单、体积较小、重量较轻、成本较低、无距离盲区、以及不易被截获等众多优势,逐渐成为雷达领域的研究热点。FMCW雷达的测量距离决定于发射FMCW信号的扫频周期,而其距离分辨率则取决于发射FMCW信号的扫频带宽。因此,为了实现FMCW雷达对远距离目标的高分辨探测,要求发射FMCW信号应具有大的时间带宽积（Time-bandwidth product,TBWP）。早期的FMCW信号的获取是基于压控振荡器或者数字合成器等电子设备,在电学域中产生。受电子设备带宽限制,所产生的FMCW信号中心频率较低,带宽较小。为了提高FMCW信号的性能,基于光子学的空间-时间映射、频率-时间映射（Frequency-to-time mapping,FTM）和光外差拍频等多种FMCW信号的光电子产生技术相继被提出。尽管采用这些技术可使产生的FMCW性能得到提升,但在可调性、结构复杂度,或集成化等方面尚存在改进的空间。特别地,基于在光注入下、处于单周期（Period-one,P1）动力学态的分布式反馈半导体激光器（DFB-SL）的FMCW信号产生技术因其独特的优势而受到业界的额外关注。但目前该技术仍然存在一些问题:如在该方案中,基于一个马赫曾德尔调制器（MZM）对注入光的强度实现调制的方案,所产生的FMCW信号的扫频带宽相对较小。此外,在雷达探测中,除了要求对目标的距离进行精确探测外,还需要对其速度进行探测。而采用双线性调频连续波（即双线性啁啾微波（dual-linear chirp microwave,dual-LCM））信号作为FMCW雷达信号,可以同时实现对目标距离和速度的探测。目前产生dual-LCM信号的方法包括基于对单或双啁啾基带信号进行再调制的产生方法,以及基于双光注入DFB-SL的产生方法等。尽管采用这些方法可以灵活地选择载波频率,但在产生信号的扫频带宽、频率可调谐性以及信号的线性度等方面还有待提升。本文围绕上述FMCW产生方案中所存在问题,提出了一种基于两个MZMs级联对DFB-SL的注入光进行调制以获取高质量的FMCW信号的光子学方案,并对所产生的FMCW信号性能进行了理论和实验研究;同时,基于调制光注入DFB-SL和光外差技术相结合,实验获取了高质量的dual-LCM信号。本文具体研究内容如下:1.提出了一种基于级联调制光注入DFB-SL产生高质量的FMCW信号的光子学方案,并对其性能进行了理论研究。文中首先研究了激光器在连续光注入下的P1振荡特性,分析了频率失谐和注入强度对P1振荡频率的影响,研究结果表明:通过改变注入强度和频率失谐,可以使产生P1振荡频率在大范围连续可调。在此基础上,利用两个MZMs级联对DFB-SL的注入光强度进行调制以产生FMCW信号,详细分析了各参数对FMCW信号性能的影响。最后,将所得结果与采用单个MZM对DFB-SL注入光强度进行调制所产生FMCW信号的理论研究结果进行了比较。结果显示:采用级联调制光注入产生的FMCW信号具有更大的带宽。另外,对利用光反馈提高FMCW信号梳状对比度的有效性进行了分析。2.实验验证了基于级联调制光注入DFB-SL获取高质量FMCW信号的光子学方案,并讨论了系统参数对FMCW信号性能的影响。首先,实验研究了激光器在外部光注入下产生的P1动力学态特性,并详细地分析了产生的P1振荡频率随注入强度和频率失谐的变化情况。研究结果表明:当频率失谐固定时,产生的P1振荡频率f0随着注入强度的增加呈近似线性增加。因此,通过调节注入强度,可以实现频率f0的连续可调谐性。在此基础上,采用两个MZMs级联对注入光强度进行调制,实验上观测了级联调制光注入DFB-SL所产生的FMCW信号的特性,详细讨论了注入强度、频率失谐和调制系数对FMCW信号的带宽和梳状对比度的影响。研究结果表明:通过合理地调节的注入参数和调制参数,可以产生带宽达到25.89 GHz的FMCW信号;进一步引入光反馈,在合适的反馈强度下FMCW信号的梳状对比度可得到显著提高。实验研究结果与理论预计吻合。3.提出并实验验证了基于调制光注入下DFB-SL和光外差技术相结合产生高质量的dual-LCM信号的光子学方案。在该方案中,将可调激光器（TL）输出的连续波光分成两部分,其中一部分连续光经过由锯齿波信号驱动的MZM调制后,注入到DFB-SL中产生一个单线性啁啾微波（single linearly chirped microwave,single-LCM）信号。另一部分连续光经过由正弦信号驱动的相位调制器（PM）调制后产生调制光边带,采用可调滤波器（TOF）选择一个高阶边带作为参考光信号。通过对参考光信号与调制光注入DFB-SL输出的single-LCM信号进行光外差处理,可以获得具有相同或互补啁啾的dual-LCM信号。在实验中,首先研究了在连续光注入DFB-SL的输出与调制边带进行光外差拍频产生的微波频率的特性,并详细分析了注入参数对微波频率的影响。实验结果表明:通过简单地调整注入参数和加载在PM上正弦信号的频率,可以使产生的dual-LCM信号的中心频率在大范围内连续可调。在此基础上,将锯齿波信号加载在MZM上对注入DFB-SL的光强进行调制,进而产生具有相同（或互补）啁啾的dual-LCM信号。实验中,通过对锯齿波信号进行修正,使产生dual-LCM信号的线性度明显提高。此外,还详细讨论了注入参数和调制参数对生成的dual-LCM信号带宽的影响。实验结果表明:在合适的注入参数和调制参数下,使产生的具有相同啁啾的dual-LCM信号在10μs周期内的单个频段带宽可以达到19.36 GHz,对应的TBWP为1.936×10~5,产生的具有互补啁啾的dual-LCM信号的单个频段的带宽可以达到16.98 GHz,对应的TBWP可达1.698×10~5。