CN110350966B - 基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置及方法，在发送端，第一相位调制器用于将第一天线接收的微波信号转换为光信号，电耦合器用于将第二天线接收到的微波信号与低频高功率锯齿波信号耦合，第二相位调制器将耦合后的电信号转换为光信号；光耦合器将转换得的两路光信号进行耦合，光滤波器用于滤除耦合后的光信号载波和一个边带，滤波后的光信号经单模光纤传输出去；在接收端，光电探测器将接收的光信号进行光电转换，低速示波器用于采集低速电信号并发送给数字信号处理模块，最后计算微波信号的到达角度。本发明使用微波光子技术测量了射频信号的到达角度，结构简单、可调谐性好，可应用于雷达系统、无线通信等重要方面。

Description

基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光子技术和微波测量领域，具体为一种基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置及方法。

背景技术

无源定位技术已广泛应用于移动通信、雷达和电子战系统、医疗保健、交通和自动化控制以及航空航天领域。而微波信号的到达角度是无源定位技术的重要参数。目前，到达角度参数测量主要使用电学方法。然而，随着人们生活水平的提高，以及对高速、大容量通信增长式的需求，传统电学方法正面临着严峻的挑战。近年来，微波光子技术迅速发展，为微波信号的测量提供了一个新的思路。相比于电学方法，微波光子技术具有体积小、重量轻、低损耗、宽带宽、抗电磁干扰等特性，越来越受到人们的青睐。

就目前研究进展而言，采用光子技术实现到达角度测量主要有以下几种方案：

(1)使用真时延单元或差分群时延模块产生微波光子陷波滤波器，接收端通过测量陷波滤波器的位置从而得出微波信号的到达角度。

(2)首先将接收到的微波信号的相位映射到光边带的功率，然后通过检测边带功率的变化从而得到微波信号的到达角度。

(3)首先将接收到的高频微波信号通过微波光子下变频技术转换为中频信号，然后通过测量中频信号的相位信息从而得到微波信号的到达角度。

方案(1)只适用于宽带微波信号的测量，因为测量范围和微波信号的带宽息息相关；方案(2)测量精度受限于激光器的功率波动或调制器的偏压漂移；方案(3)只适用于单频微波信号。此外，远程天线单元与中心处理单元相较甚远，因此需要将接收到的信号经一段光纤传到中心处理单元，以上方案均未考虑由光纤传输引入的相位变化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够测量射频信号的到达角度，结构简单、可调谐性好的基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置及方法。技术方案如下：

一种基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置，包括发送端的可调谐光源、第一相位调制器、第二相位调制器、光滤波器和单模光纤，以及接收端的光电探测器和低速示波器；在发送端，第一相位调制器将第一天线接收的微波信号进行电光转换，电耦合器将第二天线接收到的微波信号首先与低频高功率锯齿波信号进行耦合，第二相位调制器将耦合后的电信号进行电光转换；光耦合器将转换得的两路光信号进行耦合，光滤波器将耦合后的光信号滤除光载波和一个边带，滤波后的光信号经单模光纤传输出去；在接收端，光电探测器将接收的光信号进行光电转换，低速示波器采集转换得到的电信号并发送给数字信号处理模块计算微波信号的到达角度。

一种基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：第一天线1接收的微波信号经第一相位调制器实现电光转换，其输出光场表示为：

其中，E₀和ω_c分别为输入光载波的幅度和角频率，m₁＝V₁/V_π1为第一相位调制器的调制指数，V₁为接收微波信号的幅度，V_π1为第一相位调制器的半波电压；J_n为第n阶贝塞尔函数，n＝0,1；ω为接收微波信号的角频率；

第二天线2接收到的微波信号首先与低频高功率锯齿波信号耦合，然后加载到第二相位调制器实现电光转换，输出的光场表示为：

其中，φ(t)为由锯齿波引入的相位，V_max为锯齿波的峰峰值，T为锯齿波的周期，m₂＝V₂/V_π2为第二相位调制器的调制指数，V₂为接收信号的幅度，V_π2为第二相位调制器的半波电压；

步骤2：将两路光信号经光耦合器进行耦合，然后经光滤波滤除光载波和一个边带，滤波后的光信号经一段单模光纤传输，传输后的光信号表示为：

其中，

i＝1,2是由光纤色散引起的相位；

步骤3：传输后的光信号经光电探测器实现光电转换，转换后的电信号表示为：

其中，I₀和I₁分别为直流项和低频信号项的幅值；

由于锯齿波的频率远远小于接收的微波信号的频率，故

将直流项通过隔直器滤掉，则上式简化为：

通过从0到2π扫描相位的方式的得到微波信号的相位。

本发明的有益效果是：本发明使用微波光子技术测量了射频信号的到达角度，结构简单、可调谐性好，可应用于雷达系统、无线通信等重要方面。

附图说明

图1为本发明的一种基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量的方法结构示意图。

图2为本发明测量的光谱图，虚线为滤波前的光谱图，实线为滤波后的光谱图。

图3为本发明的实验结果图：图(a)为测量的10us锯齿波的时域波形图；图(b)为使用矢量网络分析仪测试输入信号为10GHz单频信号的移相器时，相移与电压的关系图；图(c)为测量不同电压加载到移相器时的时域波形图；图(d)为本方案得到的相移值与理论相移值(矢量网络测试仪测量的)的关系图。

图4为本发明的实验结果图：图(a)为所加载的线性调频信号的频谱图；图(b)为不同电压加载到移相器时的测量时域波形图；图(c)为本方案得到的相移值与理论相移值(矢量网络测试仪测量的)的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。图1为本发明基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置的结构示意图，包括发送端的可调谐光源100、第一相位调制器101、第二相位调制器102、光滤波器103和单模光纤104，以及接收端的光电探测器105和低速示波器106；在发送端，第一相位调制器101将第一天线1接收的微波信号107进行电光转换，电耦合器110将第二天线2接收到的微波信号108首先与低频高功率锯齿波信号109进行耦合，第二相位调制器102将耦合后的电信号进行电光转换；光耦合器111将转换得的两路光信号进行耦合，光滤波器103将耦合后的光信号滤除光载波和一个边带，滤波后的光信号经单模光纤104传输出去；在接收端，光电探测器105将接收的光信号进行光电转换，低速示波器106采集转换得到的电信号并发送给数字信号处理模块计算微波信号的到达角度。

测量方法包括以下步骤：

步骤1：发送端，第一天线1接收的微波信号107经第一相位调制器101实现电光转换，其输出光场可以表示为：

其中，E₀和ω_c分别为输入光载波的幅度和角频率，m₁＝V₁/V_π1为第一相位调制器的调制指数，V₁为接收微波信号的幅度，V_π1为第一相位调制器的半波电压，J_n为第n阶贝塞尔函数。

第二天线2接收到的微波信号108首先与低频高功率锯齿波信号109耦合，然后加载到另一个第二相位调制器102实现电光转换，输出的光场可表示为：

其中，t为时间，φ(t)为由锯齿波引入的相位，

为由两根天线接收到微波信号的相位，V_max为锯齿波的峰峰值，T为锯齿波的周期，m₂＝V₂/V_π2为第二相位调制器的调制指数，V₂为接收信号的幅度，V_π2为第二相位调制器的半波电压。

步骤2：两路光信号经光耦合器耦合，然后经光滤波器103滤除光载波和一个边带，滤波后的光信号经一段单模光纤传输104，传输后的光信号可表示为：

其中，

是由光纤色散引起的相位。

步骤3：接收端，传输后的光信号经光电探测器105实现光电转换，转换后的电信号可表示为：

其中，I₀和I₁分别为直流项和低频信号项的幅值。

实验中，锯齿波的频率远远小于接收的微波信号的频率，因此可以得出

且直流项可以通过隔直器滤掉，此上式可以简化为：

由上式可以看出，微波信号的相位差转换到低频信号，且与φ(t)息息相关，因此，可以通过从0到2π扫描相位的方式的得到微波信号的相位。

图2为滤波前和滤波后的光谱图，其中光谱仪的测量精度为0.02nm。从中可以看出，滤波后的负一阶边带与光载波的功率比为17dB，与正一阶边带的功率比为33dB，表明产生了载波抑制单边带信号。

图3(a)为测量1MHz锯齿波信号的时域图，可以看出锯齿波的峰峰值为7.2V，大于2倍调制器的半波电压。为了模拟到达角度的变化，使用了电控移相器。图3(b)为使用矢量网络分析仪测量10G单频信号加载到移相器相位随电压的变化曲线图，可以看出，电压从0V到6.5V，对应的相位变化为0到180度。图3(c)为不同电压加载到移相器时，得到的时域波形图。可以看出，测量的时域波形图为周期小于1us的正弦信号，覆盖了一整个扫描周期，波形的头部和尾部的跳变是由锯齿波的下降时间引起的。图3(d)为本方案测量的相移值与理论值的对比图，可以看出，在0到180度范围的情况下，测量误差小于正负3.12度，对应到达角度范围为0到90度，误差小于正负2.27度。

为了验证该方案是否适用于宽带信号，可改变接收微波信号类型。把2GHz的线性调频信号混频到18GHz的载波上，图4(a)为测量的频谱图。使用相同的方法，得到了不同电压加载到移相器时的时域波形图和对应的测量结果，如图4(b)和4(c)所示。可以看出在0到180度的范围下，相位误差小于正负7.87度，对应的到达角度范围为0到90度，误差小于4.45度。

Claims (2)

1.一种基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量装置，其特征在于，包括发送端的可调谐光源(100)、第一相位调制器(101)、第二相位调制器(102)、光滤波器(103)和单模光纤(104)，以及接收端的光电探测器(105)和低速示波器(106)；在发送端，第一相位调制器(101)将第一天线(1)接收到的微波信号(107)转换为光信号，第二天线(2)接收到的微波信号(108)与低频高功率锯齿波信号(109)经电耦合器(110)耦合，经第二相位调制器(102)转换为光信号；光耦合器(111)用于耦合两路光信号，光滤波器(103)用于滤除耦合后的光信号的载波和一个边带，滤波后的光信号经单模光纤(104)传输；在接收端，光电探测器(105)将接收的光信号进行光电转换，低速示波器(106)采集转换得到的电信号并发送给数字信号处理模块计算微波信号的到达角度。

2.一种基于光子技术的宽带微波信号到达角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：第一天线接收的微波信号经第一相位调制器实现电光转换，其输出光场表示为：

其中，E₀和ω_c分别为输入光载波的幅度和角频率，m₁＝V₁/V_π1为第一相位调制器的调制指数，V₁为接收微波信号的幅度，V_π1为第一相位调制器的半波电压；J_n为第n阶贝塞尔函数，n＝0,1；ω为天线接收信号的角频率；

第二天线接收到的微波信号首先与低频高功率锯齿波信号耦合，然后加载到第二相位调制器实现电光转换，输出的光场表示为：

其中，t为时间，φ(t)为由锯齿波引入的相位，

为由两根天线接收到微波信号的相位，V_max为锯齿波的峰峰值，T为锯齿波的周期，m₂＝V₂/V_π2为第二相位调制器的调制指数，V₂为接收信号的幅度，V_π2为第二相位调制器的半波电压；

步骤2：将两路光信号经光耦合器进行耦合，然后经光滤波滤除光载波和一个边带，滤波后的光信号经一段单模光纤传输，传输后的光信号表示为：

其中，

是由光纤色散引起的相位；

步骤3：传输后的光信号经光电探测器实现光电转换，转换后的电信号表示为：

其中，I₀和I₁分别为直流项和低频信号项的幅值；

由于锯齿波的频率远远小于接收的微波信号的频率，故

将直流项通过隔直器滤掉，则上式简化为：

通过从0到2π扫描相位的方式的得到微波信号的相位

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