一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法及装置与流程

1.本发明涉及微波光子信号处理领域，尤其涉及一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法及装置，适用于电子战等电子信息系统的信号接收。


背景技术：

2.基于微波光子技术的电子战系统具有宽带性、高速性、并行性、小巧性和抗电磁干扰等特性，是未来宽带化、小型化电子信息系统实现的重要技术路径之一，已经受到了行业内的广泛关注。其中，灵活的波束形成技术是电子战系统不可或缺的关键功能单元，能够提供显著的增益和空间选择性，为系统的灵敏度、瞬时带宽等指标带来明显益处。
3.当前，基于神经网络的波束形成方案主要局限于射频领域，例如基于径向基神经网络、基于广义回归神经网络、基于tank-hopfield神经网络等，上述方案由于电子迁移速率的限制，难以实现超宽带、灵活的波束形成网络。因此，上述方案在宽带电子战等信息系统中应用受限。
4.而光学波束形成技术由于具备大带宽、真延迟等特性，能够较好解决射频波束形成中的带宽瓶颈问题。当前，大多数光学波束形成方案主要基于多波长色散体制来实现的，该方法利用不同波长信号在色散介质中的延迟不同，接着通过光域上的波分复用方法将不同方向上的信号进行延迟加权，再经过光电转换实现微波域的波束形成。光学波束形成的优势之一是保证宽带化的同时，可以显著降低系统的器件规模。
5.但是，上述传统光学波束形成方案灵活性不足，当波长和色散介质固定后难以实现波束调节及自适应调零，在应对复杂多变的电磁信息环境中凸显出技术短板与瓶颈。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，并针对微波光子电子战等宽带电子信息系统的大带宽、大动态接收处理需求，本发明提出一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法及装置，结合了神经网络的灵活性和光学波束形成的宽带性等优点，在宽带电子战等电子信息系统中具有重要意义与应用价值。
7.本发明采用的技术方案如下：一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法，包括以下步骤：s1. 波分复用：将n个不同波长的激光器作为光源，分别通过n个光学调制器将射频信号调制到激光载波上，形成n个波长不同的微波光子信号，并通过第一波分复用器合为一路波分复用信号；s2. 波分解复用：将经光纤传输的所述波分复用信号输入至光子神经网络的输入层，通过波分解复用器进行信号的波长分离；s3. 延迟调谐：将所述波长分离后的信号输入至光子神经网络的隐层，通过n*m个微环形成的微环组对输入层到隐层的权重系数进行调整，实现各个波长信号的独立延迟调谐；
s4. 正负加权：将所述延迟调谐后的信号通过n个平衡探测器控制权重系数的正负加权效果；s5. 非线性激励：将所述正负加权后的信号通过非线性激励单元进行非线性激励，并调制到光载波上；s6. 线性叠加：将所述非线性激励后的信号输入至光子神经网络的输出层，通过第二波分复用器再次合为一路，再通过光电探测器转换为射频信号，同时在射频域中进行线性叠加运算，形成波束方向图。
8.进一步地，步骤s1中，所述第一波分复用器内部的波长与激光器的波长相匹配。
9.进一步地，步骤s3中，所述延迟调谐的方法包括：通过热效应或电极加电的方式控制微环相关参数以对各个波长信号进行独立延迟调谐，所述微环相关参数包括微环长度。
10.进一步地，步骤s3中，所述权重系数的调整算法包括最小二乘法和hopfield神经网络。
11.进一步地，步骤s4中，所述通过n个平衡探测器控制权重系数的正负加权效果的方法包括：将所述延迟调谐后的信号输入至平衡探测器的上支路，并将未延迟调谐的参考信号输入至平衡探测器的下支路，当上支路信号大于下支路信号时，将所述权重系数设置为正数；当上支路信号小于下支路信号时，将所述权重系数设置为负数。
12.一种基于光子神经网络的自适应波束形成装置，包括：n个激光器，被配置为提供n个不同波长的激光载波；n个光学调制器，被配置为将射频信号调制到激光载波上形成微波光子信号；第一波分复用器，被配置为将多路微波光子信号合为一路波分复用信号；波分解复用器，被配置为对波分复用信号进行波长分离；微环组，被配置为基于n*m个微环进行信号延迟，控制光子神经网络输入层到隐层的权重系数；n个平衡探测器，被配置为调节隐层节点权重系数的正/负符号；n个非线性激励单元，被配置为构造激励函数对信号进行非线性激励；第二波分复用器，被配置为将多波长信号合为一路；光电探测器，被配置为将光信号转换为射频信号，同时在射频域中进行线性叠加运算，形成波束方向图。
13.进一步地，所述第一波分复用器内部的波长与激光器的波长相匹配。
14.进一步地，所述微环组进行信号延迟的方法包括：通过热效应或电极加电的方式控制微环相关参数以对各个波长信号进行独立延迟调谐，所述微环相关参数包括微环长度。
15.进一步地，所述权重系数的调整算法包括最小二乘法和hopfield神经网络。
16.进一步地，所述平衡探测器调节隐层节点权重系数的正/负符号的方法包括：将延迟调谐后的信号输入至平衡探测器的上支路，并将未延迟调谐的参考信号输入至平衡探测器的下支路，当上支路信号大于下支路信号时，将所述权重系数设置为正数；当上支路信号小于下支路信号时，将所述权重系数设置为负数。
17.本发明的有益效果在于：（1）本发明利用微波光子在频率和带宽上的优势实现超宽带信号接收，利用光子
神经网络在灵活性、信号适应性上的优势实现高效的信号处理，因此同时具备大带宽和高灵活性等优势，对电子信息系统的升级和发展将具有突破性贡献。
18.（2）本发明可用于宽带电子战等电子信息系统的宽带信号接收，可用于电子对抗领域，实现对雷达信号的高效侦察。
附图说明
19.图1 实施例1的自适应波束形成装置示意图。
20.图2 实施例1的光子神经网络结构图。
21.图3 实施例2的8阵元光子神经网络波束形成系统示意图。
22.图4 实施例2中6ghz信号在10
°
方向的光学波束形成方向图。
23.图5 实施例2中18ghz信号在10
°
方向的光学波束形成方向图。
24.图6 实施例2中6ghz信号在3
°
方向的光学波束形成方向图。
25.图7 实施例2中18ghz信号在3
°
方向的光学波束形成方向图。
26.附图标记：1011~101n为激光器，1021~102n为光学调制器，1031、1032为波分复用器，104为波分解复用器，105为n*m微环组，1061~106n为平衡探测器，1071~107n为非线性激励单元，108为光电探测器。
具体实施方式
27.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例1本实施例提供了一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法及装置，利用微波光子在频率和带宽上的优势实现超宽带信号接收，并利用光子神经网络在灵活性、信号适应性上的优势实现高效的自适应信号处理。
29.如图1所示，本实施例的自适应波束形成装置包括n个激光器、n个光学调制器、2个波分复用器、1个波分解复用器、1个n*m微环组、n个平衡探测器、n个非线性激励单元以及1个光电探测器。优选地，非线性激励单元由激光器和非线性调制器构成。
30.如图2所示为本实施例的光子神经网络结构图，该神经网络分为三层，分别为：一个输入层，节点数为1，为波分复用微波光子信号；一个隐层，节点数为n，每个节点中包含m个微环、1个平衡探测器和一个非线性激励单元；一个输出层，节点数为1，为射频信号。
31.本实施例的自适应波束形成方法包括以下步骤：s1. 波分复用：将n个不同波长的激光器作为光源，分别通过n个光学调制器将射频信号调制到激光载波上，形成n个波长不同的微波光子信号，并通过第一波分复用器合为一路波分复用信号。
32.s2. 波分解复用：将经光纤传输的波分复用信号输入至光子神经网络的输入层，通过波分解复用器进行信号的波长分离，分离的个数由波长个数决定。
33.s3. 延迟调谐：将波长分离后的信号输入至光子神经网络的隐层，通过n*m个微环形成的微环组对输入层到隐层的权重系数进行调整，实现各个波长信号的独立延迟调谐。m*n微环组决定了输入层到隐层的权重系数，因此此处的训练是实现自适应光学波束形成的关键。
34.s4. 正负加权：将延迟调谐后的信号通过n个平衡探测器控制权重系数的正负加权效果。
35.s5. 非线性激励：将正负加权后的信号通过非线性激励单元进行非线性激励，并调制到光载波上。
36.s6. 线性叠加：将非线性激励后的信号输入至光子神经网络的输出层，通过第二波分复用器再次合为一路，再通过光电探测器转换为射频信号，同时在射频域中进行线性叠加运算，形成波束方向图。
37.优选地，步骤s1中，第一波分复用器内部的波长与激光器的波长相匹配。
38.优选地，步骤s3中，延迟调谐的方法包括：通过热效应或电极加电的方式控制微环相关参数以对各个波长信号进行独立延迟调谐，微环相关参数包括微环长度。
39.优选地，步骤s3中，权重系数的调整算法包括最小二乘法和hopfield神经网络。
40.优选地，步骤s4中，通过n个平衡探测器控制权重系数的正负加权效果的方法包括：将延迟调谐后的信号输入至平衡探测器的上支路，并将未延迟调谐的参考信号输入至平衡探测器的下支路，当上支路信号大于下支路信号时，将权重系数设置为正数；当上支路信号小于下支路信号时，将权重系数设置为负数。
41.优选地，步骤s5中，加权之后的信号通过电光转换组件将电信号再次调制到波长不同的光载波上，由于光调制过程呈现非线性效应，可以在神经网络中模拟非线性激励函数。因此，隐层节点ui的输出可以表示为：其中，ai为第i个隐层节点的幅度权重系数，为第i个隐层节点的延迟权重系数，f(
·
)为隐层非线性激励函数，vi为输入层到隐层的权重系数，x为输入层节点数据，ci为直流偏移量。
42.非线性激励后的光信号通过波分复用器再次合为一路，此时信号流中具有n个波长，该波分复用信号进入光电探测器后转变为射频信号，同时在射频域中完成线性叠加运算，此时输出层的节点表达式为：其中，g(
·
)为输出层激励函数，wi为隐层到输出层权重系数，b为输出层直流偏移量。上式表示用光子神经网络模拟出了一个典型的波束形成功能，在该光子神经网络中，通
过热效应或者电极加电的方式来改变微环的相关参数即可对幅度权重系数ai和延迟权重系数进行调整，当结合最小二乘法、hopfield等算法来调节权重系数时，便可完成灵活、自适应的宽带波束形成功能。
43.实施例2本实施例在实施例1的基础上：本实施例利用matlab建立了8阵元光子神经网络波束形成系统，如图3所示。8个不同波长的激光器分别产生8束功率为13dbm的光载波进入到8个不同的强度调制器中，将8阵元天线接收到的射频信号调制到光域，生产微波光子信号，激光器的波长如表1所示，阵元间距为0.012m；接着，8路微波光子信号通过波分复用器合为1路，经过光纤传输后，再通过波分解复用器、8*3微环组、平衡探测器、电光转换、波分复用及光电探测器构成的光子神经网络，完成权重系数的调节和线性叠加，最后形成波束方向图。
44.表1 激光器波长参数设置如图4和图5分别为6ghz和18ghz信号在10
°
方向的光学波束形成方向图，当将幅度权重系数ai和延迟权重系数设置为如表2所示时，在-90
°
到﹢90
°
的空域范围内扫描中，6ghz和18ghz信号在10
°
方向上的增益最大，证明了该系统波束形成的效果，以及波束形成的宽带性。
45.表2 权重系数分配图6和图7分别为6ghz和18ghz信号在3
°
方向的光学波束形成方向图。当控制微环参数，将幅度权重系数ai和延迟权重系数调整为表3所示时，在-90
°
到﹢90
°
的空域范围内扫描，最大增益方向变为3
°
方向，证明了该系统波束形成的灵活可调性。
46.表3 权重系数分配
综上所述，本发明的自适应波束形成方法及装置具有以下特征：1）波束形成具备超宽带特性；2）波束形成具备灵活自适应特性；3）适用于宽带电子对抗系统的信号宽带侦察，宽带、灵活的波束形成是电子对抗系统等宽带电子信息系统的重要功能单元，在军事和民用领域具有重要意义与应用价值。
47.需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。

技术特征：
1.一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：s1. 波分复用：将n个不同波长的激光器作为光源，分别通过n个光学调制器将射频信号调制到激光载波上，形成n个波长不同的微波光子信号，并通过第一波分复用器合为一路波分复用信号；s2. 波分解复用：将经光纤传输的所述波分复用信号输入至光子神经网络的输入层，通过波分解复用器进行信号的波长分离；s3. 延迟调谐：将所述波长分离后的信号输入至光子神经网络的隐层，通过n*m个微环形成的微环组对输入层到隐层的权重系数进行调整，实现各个波长信号的独立延迟调谐；s4. 正负加权：将所述延迟调谐后的信号通过n个平衡探测器控制权重系数的正负加权效果；s5. 非线性激励：将所述正负加权后的信号通过非线性激励单元进行非线性激励，并调制到光载波上；s6. 线性叠加：将所述非线性激励后的信号输入至光子神经网络的输出层，通过第二波分复用器再次合为一路，再通过光电探测器转换为射频信号，同时在射频域中进行线性叠加运算，形成波束方向图。2.根据权利要求1所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法，其特征在于，步骤s1中，所述第一波分复用器内部的波长与激光器的波长相匹配。3.根据权利要求1所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法，其特征在于，步骤s3中，所述延迟调谐的方法包括：通过热效应或电极加电的方式控制微环相关参数以对各个波长信号进行独立延迟调谐，所述微环相关参数包括微环长度。4.根据权利要求1所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法，其特征在于，步骤s3中，所述权重系数的调整算法包括最小二乘法和hopfield神经网络。5.根据权利要求1所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法，其特征在于，步骤s4中，所述通过n个平衡探测器控制权重系数的正负加权效果的方法包括：将所述延迟调谐后的信号输入至平衡探测器的上支路，并将未延迟调谐的参考信号输入至平衡探测器的下支路，当上支路信号大于下支路信号时，将所述权重系数设置为正数；当上支路信号小于下支路信号时，将所述权重系数设置为负数。6.一种基于光子神经网络的自适应波束形成装置，其特征在于，包括：n个激光器，被配置为提供n个不同波长的激光载波；n个光学调制器，被配置为将射频信号调制到激光载波上形成微波光子信号；第一波分复用器，被配置为将多路微波光子信号合为一路波分复用信号；波分解复用器，被配置为对波分复用信号进行波长分离；微环组，被配置为基于n*m个微环进行信号延迟，控制光子神经网络输入层到隐层的权重系数；n个平衡探测器，被配置为调节隐层节点权重系数的正/负符号；n个非线性激励单元，被配置为构造激励函数对信号进行非线性激励；第二波分复用器，被配置为将多波长信号合为一路；光电探测器，被配置为将光信号转换为射频信号，同时在射频域中进行线性叠加运算，形成波束方向图。
7.根据权利要求6所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成装置，其特征在于，所述第一波分复用器内部的波长与激光器的波长相匹配。8.根据权利要求6所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成装置，其特征在于，所述微环组进行信号延迟的方法包括：通过热效应或电极加电的方式控制微环相关参数以对各个波长信号进行独立延迟调谐，所述微环相关参数包括微环长度。9.根据权利要求6所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成装置，其特征在于，所述权重系数的调整算法包括最小二乘法和hopfield神经网络。10.根据权利要求6所述的一种基于光子神经网络的自适应波束形成装置，其特征在于，所述平衡探测器调节隐层节点权重系数的正/负符号的方法包括：将延迟调谐后的信号输入至平衡探测器的上支路，并将未延迟调谐的参考信号输入至平衡探测器的下支路，当上支路信号大于下支路信号时，将所述权重系数设置为正数；当上支路信号小于下支路信号时，将所述权重系数设置为负数。

技术总结
本发明公开了一种基于光子神经网络的自适应波束形成方法及装置，其中装置包括N个激光器、N个光学调制器、2个波分复用器、1个波分解复用器、1个N*M微环组、N个平衡探测器、N个非线性激励单元以及1个光电探测器，方法包括波分复用、波分解复用、延迟调谐、正负加权、非线性激励、线性叠加等步骤。本发明利用微波光子在频率和带宽上的优势实现超宽带信号接收，利用光子神经网络在灵活性、信号适应性上的优势实现高效的信号处理，因此同时具备大带宽和高灵活性等优势，对电子信息系统的升级和发展将具有突破性贡献。具有突破性贡献。具有突破性贡献。


技术研发人员：陈智宇 钟欣 周涛 徐嘉鑫 刘静娴 鲜佩 谢爱平
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十九研究所
技术研发日：2023.08.21
技术公布日：2023/9/16