CN108414958A - 微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真方法。本发明天线单元划入计算机域进行仿真，而对所述微波光子信号处理支路进行实物测量；该方法包括：步骤1、根据待仿真的微波光子阵列信号处理系统所属类别，在计算机中生成各微波光子信号处理支路的激励信号组；步骤2、根据激励信号组，实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应；步骤3、在计算机中将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果。本发明还公开了一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真装置。本发明可以支持宽带下的各种线性、非线性信号处理功能，并在保证较高仿真可靠性的同时，降低系统的实验研究难度。

Description

微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真方法、装置

技术领域

本发明属于微波光子学领域，涉及以光控宽带微波波束形成为基础功能的多功能微波光子阵列信号处理系统，特别涉及一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真方法。

背景技术

微波光子信号处理是一种在光域处理微波信号的技术。借助光子技术传输损耗低、抗电磁干扰、承载带宽大等等诸多优势，微波光子信号处理已成为提升微波系统性能的重要手段。随着光控微波移相、延时等技术的成熟，国内外已有许多方案将多路微波光子信号处理支路并联起来构成光控微波波束形成网络，以实现阵列天线的主瓣扫描等方向图重构功能。与此同时，为减少微波光子信号处理中的光/电、电/光转换次数，诸如上下变频、分倍频等更复杂的非线性信号处理功能也逐渐与移相、延时等基础的线性信号处理功能整合进单一的微波光子信号处理支路中，将光控微波波束形成推进到多功能微波光子阵列信号处理的新发展阶段。然而，随着多功能微波光子阵列信号处理系统复杂度的提高，其研究的难度也在加大。由于微波光子信号处理支路中涉及了微波和光波两个频段的电磁波，二者的绝对频率相差4个数量级，现有的微波光子信号处理仿真技术远未达到天线仿真的成熟度，这在仿真大带宽下的非线性信号处理与非线性光和微波相互作用时尤其明显。另一方面，因为多功能微波光子阵列信号处理系统涉及天线阵列与空间电磁场的交互，系统级的全实物实验测量需要在微波暗室中进行，实验成本和实施难度较大。同时，现有的实物测量方法多在频域进行，即通过扫频测量系统的频率响应。这种方法可以很好地测量实现线性、准线性信号处理系统的特性，但无法表征信号的非线性响应与系统的非线性信号处理功能。

因此，需要一种新型的研究方法以更加全面地分析多功能宽带微波光子阵列信号处理系统，同时实现研究过程的简化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真方法，可以支持宽带下的各种线性、非线性信号处理功能，并在保证较高仿真可靠性的同时，降低系统的实验研究难度。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真方法，所述微波光子阵列信号处理系统是以光控宽带微波波束形成为基础功能的宽带多功能微波光子阵列信号处理系统，其包括多条并行的微波光子信号处理支路和与各支路一一对应的多个天线单元，所述方法将所述天线单元划入计算机域进行仿真，而对所述微波光子信号处理支路进行实物测量；该方法具体包括以下步骤：

步骤1、根据待仿真的微波光子阵列信号处理系统所属类别，在计算机中生成各微波光子信号处理支路的激励信号组；微波光子阵列信号处理系统的类别包括：

类别1）信号由天线接收后进行处理；

类别2）信号处理或产生后由天线发射；

类别3）信号由天线接收后进行处理再由天线发射；

对于类别1）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中模拟待仿真的电磁场景及天线阵列，并以各天线所接收到的信号作为所述激励信号组；

对于类别2）的微波光子阵列信号处理系统，以输入待仿真的微波光子阵列信号处理系统的激励波形作为所述激励信号组；

步骤2、根据所述激励信号组，实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应；

步骤3、在计算机中将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果。

优选地，对于非线性微波光子信号处理功能与非线性响应，通过在时域直接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为时域形式；

将所述时域形式的激励信号转化为模拟信号后，送入待测量的微波光子信号处理支路；

获取待测量微波光子信号处理支路的输出信号，即获得待测量的微波光子信号处理支路的时域形式的响应。

优选地，对于线性、准线性微波光子信号处理功能与线性响应，通过在频域间接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为频域形式；

扫频测量所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数；

将所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数与其频域形式的激励信号相乘，即得到该微波光子信号处理支路频域形式的响应。

优选地，所述将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果，具体如下：

对于类别1）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将微波光子信号处理支路的响应相加，得到和信号；对于类别2）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将所模拟的各天线的激励信号设置为对应微波光子信号处理支路在给定激励信号下通过实测得到的响应，再通过对天线阵的电磁仿真，得到待仿真微波光子阵列信号处理系统所辐射电磁场在空间中的分布。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真装置，所述微波光子阵列信号处理系统是以光控宽带微波波束形成为基础功能的宽带多功能微波光子阵列信号处理系统，其包括多条并行的微波光子信号处理支路和与各支路一一对应的多个天线单元，所述仿真装置包括：

—激励信号组生成单元，用于根据待仿真的微波光子阵列信号处理系统所属类别，在计算机中生成各微波光子信号处理支路的激励信号组；微波光子阵列信号处理系统的类别包括：

类别1）信号由天线接收后进行处理；

类别2）信号处理或产生后由天线发射；

类别3）信号由天线接收后进行处理再由天线发射；

对于类别1）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中模拟待仿真的电磁场景及天线阵列，并以各天线所接收到的信号作为所述激励信号组；

对于类别2）的微波光子阵列信号处理系统，以输入待仿真的微波光子阵列信号处理系统的激励波形作为所述激励信号组；

—响应测量单元，用于根据所述激励信号组，实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应；

—融合单元，用于在计算机中将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果。

优选地，对于非线性微波光子信号处理功能与非线性响应，响应测量单元通过在时域直接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为时域形式；

将所述时域形式的激励信号转化为模拟信号后，送入待测量的微波光子信号处理支路；

获取待测量微波光子信号处理支路的输出信号，即获得待测量的微波光子信号处理支路的时域形式的响应。

优选地，对于线性、准线性微波光子信号处理功能与线性响应，响应测量单元通过在频域间接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为频域形式；

扫频测量所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数；

将所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数与其频域形式的激励信号相乘，即得到该微波光子信号处理支路频域形式的响应。

优选地，融合单元通过以下方法将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果：

对于类别1）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将微波光子信号处理支路的响应相加，得到和信号；对于类别2）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将所模拟的各天线的激励信号设置为对应微波光子信号处理支路在给定激励信号下通过实测得到的响应，再通过对天线阵的电磁仿真，得到待仿真微波光子阵列信号处理系统所辐射电磁场在空间中的分布。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1、与全实物的实验研究相比，本方案将微波光子阵列信号处理系统里不可或缺但不是研究重点的天线部分划入计算机域通过仿真研究，在保持了完整的系统级研究的同时简化了实验研究的过程，降低了实验研究的成本。

2、与全仿真研究相比，本方案通过实物实验研究了微波光子信号处理支路的特性，克服了现阶段光电综合系统参数多、仿真可信度不够高的缺点。

3、可在时域激励并测量微波光子信号处理支路，突破了常用频域扫频测量方法难以涉及的非线性信号处理功能以及非线性响应，适应了微波光子阵列信号处理系统的多功能发展趋势。

附图说明

图1为第一类微波光子阵列信号处理系统的结构示意图；

图2为第一类微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真流程；

图3为第二类微波光子阵列信号处理系统的结构示意图；

图4为第二类微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真流程；

图5为第三类微波光子阵列信号处理系统的结构示意图；

图6为第三类微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真流程；

图7为时域直接激励测量微波光子信号处理支路响应的原理示意图；

图8为频域间接激励测量微波光子信号处理支路响应的原理示意图；

图9为具体实施例中微波光子阵列信号处理系统的结构示意图；

图10为具体实施例中各天线的端口激励信号波形；

图11为具体实施例中所激励电磁场在空间分布的仿真结果。

具体实施方式

本发明半实物仿真方法所针对的微波光子阵列信号处理系统是以光控宽带微波波束形成为基础功能的宽带多功能微波光子阵列信号处理系统，其包括多条并行的微波光子信号处理支路和与各支路一一对应的多个天线单元。本发明的发明思路是将所述天线单元划入计算机域进行仿真，而对所述微波光子信号处理支路进行实物测量。该方法具体包括以下步骤：

步骤1、根据待仿真的微波光子阵列信号处理系统所属类别，在计算机中生成各微波光子信号处理支路的激励信号组；微波光子阵列信号处理系统的类别包括：

类别1）信号由天线接收后进行处理；

类别2）信号处理或产生后由天线发射；

类别3）信号由天线接收后进行处理再由天线发射；

对于类别1）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中模拟待仿真的电磁场景及天线阵列，并以各天线所接收到的信号作为所述激励信号组；

对于类别2）的微波光子阵列信号处理系统，以输入待仿真的微波光子阵列信号处理系统的激励波形作为所述激励信号组；

步骤2、根据所述激励信号组，实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应；

步骤3、在计算机中将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果。

其中，对于非线性微波光子信号处理功能与非线性响应，通过在时域直接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为时域形式；

将所述时域形式的激励信号转化为模拟信号后，送入待测量的微波光子信号处理支路；

获取待测量微波光子信号处理支路的输出信号，即获得待测量的微波光子信号处理支路的时域形式的响应。

对于线性、准线性微波光子信号处理功能与线性响应，通过在频域间接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为频域形式；

扫频测量所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数；

将所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数与其频域形式的激励信号相乘，即得到该微波光子信号处理支路频域形式的响应。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

第一类微波光子阵列信号处理系统如图1所示，主要由接收天线阵列、多条微波光子信号处理支路组成，多应用于微波接收前端中。其主要处理目标是从空间中捕获来自目标方向的信号，同时抑制来自其他方向的干扰，然后对捕获到的信号进行如滤波、下变频等处理以便后续的存储与分析。如图2所示，对这类系统进行半实物仿真时，首先需要在计算机中构建出一个空间电磁环境，其中有预期被接收的信号，也有根据仿真需要添加的干扰。之后，利用电磁场仿真软件或其他方式计算天线阵列中各天线单元输出端口的时域波形或频谱，并将其作为各微波光子阵列信号处理支路的激励信号组。之后进行实物实验，搭建各微波光子阵列信号处理支路并测量其在相应激励信号下的响应。最后再计算机中整合各支路的测量结果，完成仿真。值得注意的是，当多个微波光子阵列信号处理支路具有一个单独的共用输出时，对各支路的测量推荐采用时域直接测量的方式，并且多个支路应当同时激励以反映在信号叠加过程中可能出现的非理想情况。

第二类微波光子阵列信号处理系统主要由多条微波光子信号处理支路和发射天线阵列构成，如图3所示。其主要处理目标是将信号经过如倍频、上变频等处理后向目标方向辐射，多应用于微波发射前端。如图4所示，对这类系统进行半实物仿真时，首先需要根据仿真目标在计算机中确定各微波光子阵列信号处理支路的激励信号。之后进行实物实验，搭建各微波光子阵列信号处理支路并测量其在相应激励信号下的响应。下一步进入计算机仿真环节，即在电磁仿真环境中构建天线阵列的模型，并以实验测得的各微波光子阵列信号处理支路的响应信号作为天线的激励。则电磁仿真结果所得的在天线阵激励下的空间电磁场分布即为所需的仿真结果，其往往通过方向图来体现。

第一、第二类微波光子阵列信号处理系统可组合成具有收发两组天线阵的第三类系统，如图5所示。其应用背景是微波光子宽带转发。其半实物仿真的流程图如图6所示，具体内容与第一、第二类微波光子阵列信号处理系统类似，此处不再赘述。

由于本发明所针对的是宽带多功能微波光子阵列信号处理系统，其处理功能在滤波、延时、移相、幅度控制等线性运算之外还可能包括上下变频、分频、倍频等操作，故本发明提供了时域和频域两种测量微波光子阵列信号处理支路的方法。

在时域直接激励并测量响应方法可表征信号的线性与非线性响应，适用于含有上下变频、分频、倍频等非线性信号处理功能的微波光子阵列信号处理支路。其原理如图7所示，首先，从在计算机中生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的信号，并将其转化为时域形式g _n (t)。然后，将该时域信号通过数模转换器、任意波形发生器或类似装置转化为模拟信号，并送入待测量微波光子信号处理支路的电信号输入口。用示波器、模数转换器或类似装置捕获待测量微波光子信号处理支路的输出信号，即获得时域形式的响应r _n (t)。

如果所需测量的微波光子阵列信号处理支路仅含有增益控制、延时、移相、滤波等线性信号处理功能，并且忽略其中的非线性效应时，可采用频域间接激励并测量响应方法。其原理如图8所示，首先，从在计算机中生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的信号，并将其转化为频域形式G _n (ω)。然后，用微波矢量网络分析仪扫频测量该微波光子信号处理支路的幅相响应函数H _n (ω)。最后将G _n (ω)与H _n (ω)相乘，即得到该微波光子信号处理支路频域形式的响应R _n (ω)

下面将结合一个简单的具体实施例介绍一下本发明的半实物仿真方法。图9显示了一个具有4条支路的微波光子阵列信号处理系统的结构示意图。该系统可通过控制各支路间的相对延时，将一个2×2天线阵的辐射主瓣偏转至所需要的方向。显然，该系统属于前述第二类系统，即将信号处理后由天线向空间发射。由于该系统中的4条支路共用一个电信号输入口，故在实验测量前只需确定1个激励信号。实验测得的4条支路的响应如图10所示。可见，各支路的输出信号间已经有了一定的相对时延。为得到最终的仿真结果，现将所测得的4路响应信号分别作为2×2天线阵中4个天线的激励，并在此条件下用全波电磁仿真软件计算天线阵所辐射电磁场的空间分布。最后得到的电磁场空间分布如图11所示。可见，阵列的辐射主瓣已从阵列所在xOy平面的法向偏离了一定的角度。

Claims (8)

1.一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真方法，所述微波光子阵列信号处理系统是以光控宽带微波波束形成为基础功能的宽带多功能微波光子阵列信号处理系统，其包括多条并行的微波光子信号处理支路和与各支路一一对应的多个天线单元，其特征在于，所述方法将所述天线单元划入计算机域进行仿真，而对所述微波光子信号处理支路进行实物测量；该方法具体包括以下步骤：

步骤1、根据待仿真的微波光子阵列信号处理系统所属类别，在计算机中生成各微波光子信号处理支路的激励信号组；微波光子阵列信号处理系统的类别包括：

类别1）信号由天线接收后进行处理；

类别2）信号处理或产生后由天线发射；

类别3）信号由天线接收后进行处理再由天线发射；

对于类别1）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中模拟待仿真的电磁场景及天线阵列，并以各天线所接收到的信号作为所述激励信号组；

对于类别2）的微波光子阵列信号处理系统，以输入待仿真的微波光子阵列信号处理系统的激励波形作为所述激励信号组；

步骤2、根据所述激励信号组，实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应；

步骤3、在计算机中将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，对于非线性微波光子信号处理功能与非线性响应，通过在时域直接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为时域形式；

将所述时域形式的激励信号转化为模拟信号后，送入待测量的微波光子信号处理支路；

获取待测量微波光子信号处理支路的输出信号，即获得待测量的微波光子信号处理支路的时域形式的响应。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，对于线性、准线性微波光子信号处理功能与线性响应，通过在频域间接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为频域形式；

扫频测量所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数；

将所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数与其频域形式的激励信号相乘，即得到该微波光子信号处理支路频域形式的响应。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果，具体如下：

对于类别1）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将微波光子信号处理支路的响应相加，得到和信号；对于类别2）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将所模拟的各天线的激励信号设置为对应微波光子信号处理支路在给定激励信号下通过实测得到的响应，再通过对天线阵的电磁仿真，得到待仿真微波光子阵列信号处理系统所辐射电磁场在空间中的分布。

5.一种微波光子阵列信号处理系统的半实物仿真装置，所述微波光子阵列信号处理系统是以光控宽带微波波束形成为基础功能的宽带多功能微波光子阵列信号处理系统，其包括多条并行的微波光子信号处理支路和与各支路一一对应的多个天线单元，其特征在于，所述仿真装置包括：

—激励信号组生成单元，用于根据待仿真的微波光子阵列信号处理系统所属类别，在计算机中生成各微波光子信号处理支路的激励信号组；微波光子阵列信号处理系统的类别包括：

类别1）信号由天线接收后进行处理；

类别2）信号处理或产生后由天线发射；

类别3）信号由天线接收后进行处理再由天线发射；

对于类别1）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中模拟待仿真的电磁场景及天线阵列，并以各天线所接收到的信号作为所述激励信号组；

对于类别2）的微波光子阵列信号处理系统，以输入待仿真的微波光子阵列信号处理系统的激励波形作为所述激励信号组；

—响应测量单元，用于根据所述激励信号组，实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应；

—融合单元，用于在计算机中将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，对于非线性微波光子信号处理功能与非线性响应，响应测量单元通过在时域直接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为时域形式；

将所述时域形式的激励信号转化为模拟信号后，送入待测量的微波光子信号处理支路；

获取待测量微波光子信号处理支路的输出信号，即获得待测量的微波光子信号处理支路的时域形式的响应。

7.如权利要求5所述装置，其特征在于，对于线性、准线性微波光子信号处理功能与线性响应，响应测量单元通过在频域间接激励的方式实际测量各微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应，具体如下：

在计算机中，从生成的激励信号组中挑选出与待测量的某一微波光子信号处理支路对应的激励信号，并将其转化为频域形式；

扫频测量所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数；

将所述微波光子信号处理支路的幅相响应函数与其频域形式的激励信号相乘，即得到该微波光子信号处理支路频域形式的响应。

8.如权利要求5所述装置，其特征在于，融合单元通过以下方法将微波光子信号处理支路在对应激励信号下的响应融合成微波光子阵列信号处理系统的仿真结果：

对于类别1）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将微波光子信号处理支路的响应相加，得到和信号；对于类别2）和类别3）的微波光子阵列信号处理系统，在计算机中将所模拟的各天线的激励信号设置为对应微波光子信号处理支路在给定激励信号下通过实测得到的响应，再通过对天线阵的电磁仿真，得到待仿真微波光子阵列信号处理系统所辐射电磁场在空间中的分布。