CN111464241B - 提高微波信号到达角精度的测量系统及测量方法 - Google Patents

提高微波信号到达角精度的测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高微波信号到达角精度的测量系统及测量方法：激光源连接光耦合器输入侧，光耦合器3端口连接一号偏振控制器，4端口连接二号偏振控制器，一号偏振控制器串联双平行马赫‑曾德尔调制器、一号低频光电探测器、一号低频频谱分析仪，二号偏振控制器串联三号双驱动马赫‑曾德尔调制器、二号低频光电探测器、二号低频频谱分析仪；一号双驱动马赫‑曾德尔调制器一端口连接二号天线，一端口经一号功率分配器连接一号天线；二号双驱动马赫‑曾德尔调制器一端口接地，一端口经二号功率分配器连接本机振荡器；三号双驱动马赫‑曾德尔调制器一端口经一号功率分配器连接一号天线，一端口经二号功率分配器连接本机振荡器。

Description

提高微波信号到达角精度的测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域和光通信技术领域，更具体地说，是涉及一种提高微波信号到达角精度的测量系统及测量方法。
背景技术
在现代国防电子战系统以及雷达系统中，测量微波信号的瞬时频率、强度和估算信号到达角有着广泛的应用。这些系统通常需要在高频率下运行并不受电磁干扰的影响。尽管电子元器件可以实现基本功能，但是由于其存在各种瓶颈，很难实现高频段微波信号到达角的测量。随着科技的进步，微波光子学克服了电子元器件对于技术的局限性。由于具有诸如瞬时带宽大、抗电磁干扰能力强、便携的尺寸、重量轻和低损耗等优点，微波光子技术被广泛用于微波产生、传输、微波信号测量和微波频谱的分析。
目前关于基于微波光子技术的微波信号到达角测量系统的报道有很多。基本测量原理是测量到达天线阵列各个天线单元的微波信号之间的相对时间延迟或相移。根据实现方式的不同，主要可以分为三种：(1)将两个天线接收的微波信号及其相位延迟分量加载到两个光电调制器，通过测量光载波功率获得的相移，从而得到到达角；(2)采用双平行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)或双驱动MZM构成的并行光延迟结构，通过抑制光载波，测量光边带功率来获得相位延迟，从而得到到达角；(3)将输入的高频微波信号降频为较低频率的中频(IF)信号。通过在光电检测之后在示波器上比较中频信号的相位来完成输入微波信号的到达角的测量。
通过测量光载波功率从而测量到达角的方法是基于一阶微波信号调制边带功率来确定的。但是，从实验结果可以看出，当在较大相位差情况下，随着相位差的变化，边带功率的变化很小。尽管商用光功率计的分辨率可以达到0.01dB，但实际上光纤线路由于激光源功率变化和调制器偏置漂移而具有轻微的功率波动。这种功率波动会导致较大的到达角测量误差。
此外，输出的一阶微波信号调制边带功率取决于调制系数，而调制系数又取决于接收到的微波信号幅度。所以测量光载波功率从而测量到达角的方法，往往需要提前测量输入信号幅度，也就是需要事先校准测量设备。
发明内容
为了解决当前微波信号到达角的测量瓶颈，本发明提出了一种基于双平行马赫-曾德尔调制器的微波信号到达角测量的简单方法，即一种提高微波信号到达角精度的测量系统及测量方法，可以解决上述问题，还具有测量多个微波信号到达角的能力。
本发明的目的可通过以下技术方案实现。
本发明提高微波信号到达角精度的测量系统，包括激光源、一号天线、二号天线，所述激光源输出端连接光耦合器输入侧1端口或2端口，所述光耦合器输出侧3端口连接一号偏振控制器输入端，所述光耦合器输出侧4端口连接二号偏振控制器输入端，所述一号偏振控制器输出端依次串联双平行马赫-曾德尔调制器、一号低频光电探测器、一号低频频谱分析仪，所述二号偏振控制器输出端依次串联三号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号低频光电探测器、二号低频频谱分析仪；
所述双平行马赫-曾德尔调制器由两个子MZM和一个主MZM构成，两个子MZM内嵌在主MZM的两个调制臂上，两个子MZM包括一号双驱动马赫-曾德尔调制器和二号双驱动马赫-曾德尔调制器，主MZM采用双驱动马赫-曾德尔调制器；所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器、主MZM、三号双驱动马赫-曾德尔调制器的电源输入端口分别连接一号直流偏置电压源、二号直流偏置电压源、三号直流偏置电压源、四号直流偏置电压源；
所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器的其中一个微波信号输入端口连接二号天线，另一个微波信号入端口经一号功率分配器与一号天线连接；所述二号双驱动马赫-曾德尔调制器的其中一个微波信号输入端口接地，另一个微波信号输入端口经二号功率分配器与本机振荡器连接；所述三号双驱动马赫-曾德尔调制器的其中一个微波信号输入端口经一号功率分配器与一号天线连接，另一个微波信号输入端口经二号功率分配器与本机振荡器连接。
本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
本发明提高微波信号到达角精度的测量方法，包括以下过程：
1)本机震荡信号被二号功率分配器平分成两个功率相等频率相同的信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器中的二号双驱动马赫-曾德尔调制器，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器；
2)激光源产生的连续光载波被光耦合器平分成两个功率相同波长相等的连续光载波，两个连续光载波的偏振方向分别被一号偏振控制器和二号偏振控制器调节，使得两个连续光载波均只有一个相同的偏振方向，从而使得两个连续光载波功率达到最大值；
3)一号天线和二号天线分别接收微波信号，两个微波信号存在相位差；一号天线接收的微波信号被一号功率分配器平分成两个功率相同频率相等的微波信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器中的一号双驱动马赫-曾德尔调制器，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器；二号天线接收的微波信号直接输送至一号双驱动马赫-曾德尔调制器；
4)一号偏振控制器输出的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在双平行马赫-曾德尔调制器中进行调制，双平行马赫-曾德尔调制器输出的调制信号在一号低频光电探测器上转换成电信号后，在fLO-fRF处产生中频信号，此中频信号被一号低频频谱分析仪检测到，并显示出其功率；其中，fLO为本机震荡信号频率，fRF为微波信号频率；
5)二号偏振控制器输出的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在三号双驱动马赫-曾德尔调制器中进行调制，三号双驱动马赫-曾德尔调制器输出的调制信号在二号低频光电探测器上转换成电信号后，在fLO-fRF处产生中频信号，此中频信号被二号低频频谱分析仪检测到，并显示出其功率；
6)将步骤4)和步骤5)中的两个功率相除，得到两个中频信号的功率比，即可估算出两个微波信号的到达角。
所述双平行马赫-曾德尔调制器的主MZM和三号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置设置在最小偏置点上；所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器和二号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置同时设置在最大偏置点或最小偏置点上。
如果两个微波信号的相位差不超过90度，一号双驱动马赫-曾德尔调制器和二号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置同时设置在最小偏置点上；如果两个微波信号的相位差超过90度，一号双驱动马赫-曾德尔调制器和二号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置同时设置在最大偏置点上。
步骤6)中两个微波信号的到达角的计算过程如下：
Figure BDA0002439915990000041
Figure BDA0002439915990000042
其中，
Figure BDA0002439915990000043
是通过一号低频光电探测器后，在一号低频频谱分析仪上检测到的中频信号功率；
Figure BDA0002439915990000044
是通过二号低频光电探测器后，在二号低频频谱分析仪上检测到的中频信号功率；α是光耦合器的光耦合比；tff是插入损耗；Po是激光源输出的光载波功率；
Figure BDA0002439915990000045
是光电检测器的响应度；mLO是本机震荡器在DDMZM中的调制系数；mRF是接收到的微波信号在DDMZM中的调制系数；Ro是低频光电探测器自身负载电阻；βb1是一号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置角度(0度是最大偏置点，π是最小偏置点)；βb2是二号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置角度；θ是接收到的两个微波信号的相位差；Jn(x)是n阶第一类贝塞尔函数。
如果一号天线和二号天线分别接收到M个微波信号，那么在一号低频频谱分析仪和二号低频频谱分析仪上分别显示出M个中频信号。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明利用微波光子混频器方法，可将输入的高频微波信号变频为中频信号，使用低频频谱分析仪测量中频信号的功率，以完成对输入微波信号到达角的测量。通过调节双平行马赫-曾德尔调制器的电流偏置在不同范围，被测量的微波信号到达角的精准度可以提高。该发明中使用的光电探测器和频谱分析仪均为低频，所以整个发明的成本会低于使用普通光电检测器和高频率频谱分析仪的发明。该发明还具有消除到达角测量中对于传入微波信号幅度依赖性的能力。此外该发明还具备可以同时测量多个微波信号到达角的能力。
附图说明
图1是本发明提高微波信号到达角精度的测量系统的原理图。
图2(a)是输入微波信号15GHz+300kHz在到达角是5度时候的一号低频光电探测器输出的中频信号的频谱。图2(b)是输入微波信号15GHz+300kHz在到达角是120度时候的一号低频光电探测器输出的中频信号的频谱。图2(c)输入微波信号的到达角从0度变化到180度时相对应的一号低频光电探测器输出的中频信号功率的测量结果(一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器都偏置在最小偏置点)。
图3(a)是当一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器被直流电源都偏置在最小偏置点时，利用测量系统输出的中频信号功率估算得到的微波信号到达角测量值。图3(b)是当一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器被直流电源都偏置在最小偏置点时，到达角的实际值和测量值之间的误差。
图4(a)是输入微波信号15GHz+300kHz在到达角是60度时候的一号低频光电探测器输出的中频信号的频谱。图4(b)是输入微波信号15GHz+300kHz在到达角是175度时候的一号低频光电探测器输出的中频信号的频谱。图4(c)输入微波信号的到达角从0度变化到180度时相对应的一号低频光电探测器输出的中频信号功率的测量结果(一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器都偏置在最大偏置点)。
图5(a)是当一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器被直流电源偏置在最大偏置点时，利用测量系统输出的中频信号功率估算得到的微波信号到达角测量值。图5(b)是当一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器被直流电源偏置在最大偏置点时，到达角的实际值和测量值之间的误差。
图6(a)是连接到一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器频率为15GHz+20kHz和15GHz+50kHz的两个微波信号的频谱。图6(b)是连接到一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器频率为15GHz+20kHz和15GHz+21kHz的两个微波信号的频谱。图6(c)、图6(d)是当15GHz+20kHz微波信号具有5°相位差时，一号低频光电探测器输出的的中频信号频谱。图6(e)、图6(f)是当15GHz+20kHz微波信号具有120°相位差时，一号低频光电探测器输出的中频信号频谱。
附图标记：Laser激光源，OC光耦合器，PC1一号偏振控制器，PC2二号偏振控制器，A1一号天线，A2二号天线，LO本机振荡器，Bias1一号直流偏置电压源，Bia2二号直流偏置电压源，Bias3三号直流偏置电压源，Bias4四号直流偏置电压源，DDMZM1一号双驱动马赫-曾德尔调制器，DDMZM2二号双驱动马赫-曾德尔调制器，DDMZM3三号双驱动马赫-曾德尔调制器，DPMZM双平行马赫-曾德尔调制器，PD1一号低频光电探测器，PD2二号低频光电探测器，ESA1一号低频频谱分析仪，ESA2二号低频频谱分析仪，P1一号功率分配器，P2二号功率分配器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明提高微波信号到达角精度的测量系统，可以确定微波信号的到达角，而无需事先测量微波信号功率或事先校准测量设备，此外，还可以测量多个微波信号的到达角。如图1所示，本发明主要包括激光源Laser、光耦合器OC、一号偏振控制器PC1、二号偏振控制器PC2、一号天线A1、二号天线A2、本机震荡器LO、一号直流偏置电压源Bias1、二号直流偏置电压源Bia2、三号直流偏置电压源Bias3、四号直流偏置电压源Bias4、三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3、双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM、一号低频光电探测器PD1、二号低频光电探测器PD2、一号低频频谱分析仪ESA1、二号低频频谱分析仪ESA2、一号功率分配器P1、二号功率分配器P2。
所述激光源Laser输出端连接光耦合器OC输入侧1端口或2端口，所述光耦合器OC输出侧3端口连接一号偏振控制器PC1输入端，所述光耦合器OC输出侧4端口连接二号偏振控制器PC2输入端，所述一号偏振控制器PC1输出端依次串联双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM、一号低频光电探测器PD1、一号低频频谱分析仪ESA1，所述二号偏振控制器PC2输出端依次串联三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3、二号低频光电探测器PD2、二号低频频谱分析仪ESA2。
所述双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM主要由两个子MZM和一个主MZM构成，两个子MZM内嵌在主MZM的两个调制臂上，两个子MZM包括一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2，主MZM采用双驱动马赫-曾德尔调制器。所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1、二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2、主MZM、三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3的电源输入端口分别连接一号直流偏置电压源Bias1、二号直流偏置电压源Bias2、三号直流偏置电压源Bias3、四号直流偏置电压源Bias4。
所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1的其中一个微波信号输入端口连接二号天线A2，另一个微波信号入端口经一号功率分配器P1与一号天线A1连接。所述二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2的其中一个微波信号输入端口接地，另一个微波信号输入端口经二号功率分配器P2与本机振荡器LO连接。所述三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3的其中一个微波信号输入端口经一号功率分配器P1与一号天线A1连接，另一个微波信号输入端口经二号功率分配器P2与本机振荡器LO连接。
基于本发明提高微波信号到达角精度的测量系统的测量方法，具体实现过程如下：
1)本机震荡信号被二号功率分配器P2平分成两个功率相等频率相同的信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM中的二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3。
2)激光源Laser产生的连续光载波被光耦合器平分成两个功率相同波长相等的连续光载波，两个连续光载波的偏振方向分别被一号偏振控制器PC1和二号偏振控制器PC2调节，使得两个连续光载波均只有一个相同的偏振方向，从而使得两个连续光载波功率达到最大值。
3)一号天线A1和二号天线A2分别接收微波信号，由于微波信号的到达角度，两个微波信号存在相位差。可以一号天线A1的微波信号相位大于二号天线A2的微波信号相位，也可以二号天线A2的微波信号相位大于一号天线A1的微波信号相位。一号天线A1接收的微波信号被一号功率分配器P1平分成两个功率相同频率相等的微波信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM中的一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3。二号天线A2接收的微波信号直接输送至一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1。
其中，所述双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的主MZM和三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3的直流偏置设置在最小偏置点上。所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2的直流偏置同时设置在最大偏置点或最小偏置点上。
通过修改一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2的直流偏置，可以观测0到90度的到达角，灵敏度高。从图2中可以看出，如果接收到的两个微波信号相位差超过90度，整个系统的灵敏度会降低，误差会变大，也就是说中频信号的功率改变一点点，测出来的相位差会很大。所以在实际应用中，可以根据不同的实际应用设置不同的一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2的直流偏置。比如如果两个微波信号的相位差不超过90度，一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2的直流偏置可以同时设置在最小偏置点上；如果两个微波信号的相位差超过90度，一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2的直流偏置可以同时设置在最大偏置点上。
4)一号偏振控制器PC1输出的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM中进行调制，双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM输出的调制信号在一号低频光电探测器PD1上转换成电信号后，在fLO-fRF处产生中频信号，此中频信号被一号低频频谱分析仪ESA1检测到，并显示出其功率；其中，fLO为本机震荡信号频率，fRF为微波信号频率。
5)二号偏振控制器PC2输出的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3中进行调制，三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3输出的调制信号在二号低频光电探测器PD2上转换成电信号后，在fLO-fRF处产生中频信号，此中频信号被二号低频频谱分析仪ESA2检测到，并显示出其功率。
6)将步骤4)和步骤5)中的两个功率相除，得到两个中频信号的功率比，即可估算出两个微波信号的到达角。
两个微波信号的到达角的计算过程如下：
Figure BDA0002439915990000091
Figure BDA0002439915990000092
其中，
Figure BDA0002439915990000093
是通过一号低频光电探测器后，在一号低频频谱分析仪上检测到的中频信号功率；
Figure BDA0002439915990000094
是通过二号低频光电探测器后，在二号低频频谱分析仪上检测到的中频信号功率；α是光耦合器的光耦合比；tff是插入损耗；Po是激光源输出的光载波功率；
Figure BDA0002439915990000095
是光电检测器的响应度；mLO是本机震荡器在DDMZM中的调制系数；mRF是接收到的微波信号在DDMZM中的调制系数；Ro是低频光电探测器自身负载电阻；βb1是一号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置角度(0度是最大偏置点，π是最小偏置点)；βb2是二号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置角度；θ是接收到的两个微波信号的相位差；Jn(x)是n阶第一类贝塞尔函数。
可以看出如果上面两个公式相除，就只剩下余弦项了，余弦项的角度θ是由两个输入微波信号的到达角度决定的。
由于多普勒效应，雷达发射信号可以被两个或多个物体反射，从而得到两个或多个微波信号的频率。由于物体移动速度不同，不同的中频信号可以被检测到。通过重复上述过程，所提出发明可用于测量多个不同频率微波信号的到达角。也就是说，如果一号天线A1和二号天线A2分别接收到M个微波信号，也就是M个移动物体的情况，那么在一号低频频谱分析仪ESA1和二号低频频谱分析仪ESA2上分别显示出M个中频信号。以两个微波信号为例，接收到的微波信号频率为15GHz+20KHz和15GHz+50KHz。本机振荡器LO的频率为15.002GHz。在一号低频频谱分析仪ESA1和二号低频频谱分析仪ESA2可以分别观测出两个中频信号，1.95MHz和1.98MHz(一号低频频谱分析仪ESA1和二号低频频谱分析仪ESA2都包括这两个信号)。
实施例：
本机震荡信号是15.002GHz，被二号功率分配器P2平分成两个功率相等频率相同的两个本机震荡信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM中的二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3。
激光源Laser产生波长为1550nm和功率12dBm的连续光载波。这个连续光载波被50％光耦合比的光耦合器OC平分成两个功率相同波长相等的连续光载波。也就是两个波长为1550nm，功率为9dBm的连续光载波。这两个连续光载波的偏振方向分别被一号偏振控制器PC1和二号偏振控制器PC2调节，使得两个连续光载波均只有一个相同的偏振方向，从而使得两个连续光载波功率达到最大值。
一号天线A1和二号天线A2接收的微波信号均为15GHz+300KHz。一号天线A1接收的微波信号被一号功率分配器P1平分成两个频率相同功率为原先微波信号功率一半的微波信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM中的一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3。二号天线A2接收的微波信号直接输送至一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1。
所述双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的主MZM和三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3的直流偏置设置在最小偏置点上。所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2的直流偏置同时设置在最小偏置点上。
从一号偏振控制器PC1出来的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM中进行调制。这一路光载波被双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM平分成两路功率相同波长相等的两路光载波，一路进入一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1与一号天线A1、二号天线A2接收到的微波信号进行调制，此时一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1的直流偏置是最小值。这个时候由于直流偏置是最小值，光载波信号和偶数阶信号被抑制。高阶信号由于功率太小，是不会被观测到的。所以在一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1输出端只有1阶信号。这里要说明，这个1阶信号的强度是由天线接收到的信号强度，以及一号天线A1、二号天线A2接收的微波信号相位差决定的，而这个相位差是由到达角决定的。二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2同理。两路被调至的光信号被双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM同时输出。在双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的输出端可以观测到被抑制的光载波以及15GHz+300KHz和15.002GHz两个信号。在由一号低频光电探测器PD1把光信号转换成电信号，这时15GHz+300KHz-15.002GHz＝1.7MHz会被一号低频频谱分析仪ESA1检测到。这个1.7MHz中频信号在一号低频频谱分析仪ESA1上的功率是由一号天线A1、二号天线A2接收到的1阶微波信号功率强度，本机震荡器LO产生的1阶本机震荡信号功率强度，接收到的微波信号相位差决定的，这个相位差是由到达角确定的。这时到达角是可以被测量的。从图2(a)至图2(c)中可以看出，当双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM内部的一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1和二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2偏置在最小偏置点上时，一号低频光电探测器PD1输出的中频信号功率随相位差变化增加而增加。
从二号偏振控制器PC2出来的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3中进行调制。由于三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3的直流偏置在最小点上，在三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3的输出端，可以观测到被抑制的光载波以及15GHz+300KHz和15.002GHz两个信号。在由二号低频光电探测器PD2把光信号转换成电信号，这时15GHz+300KHz-15.002GHz＝1.7MHz会被二号低频频谱分析仪ESA2检测到。这个1.7MHz中频信号在二号低频频谱分析仪ESA2上的功率是由一号天线A1、二号天线A2接收到的1阶微波信号功率强度，本机震荡器LO产生的1阶本机震荡信号功率强度共同决定的。
这两个功率值相除，两个微波信号的相位差就可以被求出，并且和接收的微波信号强度、本机振荡器产生的本机震荡信号强度无关。相位差是由两个输入微波信号的到达角度决定的。图3(a)是当一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器被直流电源都偏置在最小偏置点时，利用测量系统输出的中频信号功率估算得到的微波信号到达角测量值。图3(b)是当一号双驱动马赫-曾德尔调制器、二号双驱动马赫-曾德尔调制器被直流电源都偏置在最小偏置点时，到达角的实际值和测量值之间的误差。
重复上述测量，偏置双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM内部的一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1、二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2在最大偏置点上。图4(a)是输入微波信号15GHz+300kHz在到达角是60度时候的一号低频光电探测器输出的中频信号的频谱。图4(b)是输入微波信号15GHz+300kHz在到达角是175度时候的一号低频光电探测器输出的中频信号的频谱。图4(c)输入微波信号的到达角从0度变化到180度时相对应的一号低频光电探测器输出的中频信号功率的测量结果。可以看出，当双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM内部的一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1、二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2偏置在最大偏置点上时，一号低频光电探测器PD1输出的中频信号功率随相位差变化增加而减小。图5(a)是利用测量系统输出的中频信号功率估算得到的微波信号到达角测量值。图5(b)是到达角的实际值和测量值之间的误差。
为了证明本发明可以测量多个微波信号到达角，两个微波信号15GHz+20kHz和15GHz+50kHz均分别输入到双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM和三号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM3。本振频率仍为15.002GHz。双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM内部的一号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM1、二号双驱动马赫-曾德尔调制器DDMZM2都偏置在最小偏置点。一号低频频谱分析仪ESA1、二号低频频谱分析仪ESA2可以分别且同时检测到2个不同的中频信号，从而可以测量2个不同的微波信号到达角。如图6(a)至图6(f)所示。
综上，本发明提出的提高微波信号到达角精度的测量系统能够以提高的测量精度来测量多个微波信号的到达角。它基于光子混合器方法，可将输入的微波信号降频为中频信号，中频信号可以被低频光电探测器和低频频谱分析仪检测和测量，以确定输入的微波信号的到达角度。通过对于不同范围的微波信号到达角使用不同的直流偏置控制双驱动马赫-曾德尔调制器，可以减少到达角测量的误差。该系统还具有消除到达角测量中对于输入微波信号幅度依赖性的能力。测量结果表明，当双驱动马赫-曾德尔调制器偏置在最小偏置点时，到达角测量范围在0度到30度之间，测量误差小于±2度。当双驱动马赫-曾德尔调制器偏置在最大偏置点时，到达角测量范围在30度到81.5度之间，测量误差小于±2度。即使输出中频信号功率有±0.1dB的变化，误差也会在±2度以下。测量结果还表明本发明可以用于多个微波信号的到达角的测量。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种提高微波信号到达角精度的测量系统，包括激光源(Laser)、一号天线(A1)、二号天线(A2)，其特征在于，所述激光源(Laser)输出端连接光耦合器(OC)输入侧1端口或2端口，所述光耦合器(OC)输出侧3端口连接一号偏振控制器(PC1)输入端，所述光耦合器(OC)输出侧4端口连接二号偏振控制器(PC2)输入端，所述一号偏振控制器(PC1)输出端依次串联双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)、一号低频光电探测器(PD1)、一号低频频谱分析仪(ESA1)，所述二号偏振控制器(PC2)输出端依次串联三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)、二号低频光电探测器(PD2)、二号低频频谱分析仪(ESA2)；
所述双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)由两个子MZM和一个主MZM构成，两个子MZM内嵌在主MZM的两个调制臂上，两个子MZM包括一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)和二号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM2)，主MZM采用双驱动马赫-曾德尔调制器；所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)、二号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM2)、主MZM、三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)的电源输入端口分别连接一号直流偏置电压源(Bias1)、二号直流偏置电压源(Bias2)、三号直流偏置电压源(Bias3)、四号直流偏置电压源(Bias4)；
所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)的其中一个微波信号输入端口连接二号天线(A2)，另一个微波信号入端口经一号功率分配器(P1)与一号天线(A1)连接；所述二号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM2)的其中一个微波信号输入端口接地，另一个微波信号输入端口经二号功率分配器(P2)与本机振荡器(LO)连接；所述三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)的其中一个微波信号输入端口经一号功率分配器(P1)与一号天线(A1)连接，另一个微波信号输入端口经二号功率分配器(P2)与本机振荡器(LO)连接。
2.一种基于权利要求1所述的提高微波信号到达角精度的测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下过程：
1)本机震荡信号被二号功率分配器(P2)平分成两个功率相等频率相同的信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)中的二号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM2)，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)；
2)激光源(Laser)产生的连续光载波被光耦合器(OC)平分成两个功率相同波长相等的连续光载波，两个连续光载波的偏振方向分别被一号偏振控制器(PC1)和二号偏振控制器(PC2)调节，使得两个连续光载波均只有一个相同的偏振方向，从而使得两个连续光载波功率达到最大值；
3)一号天线(A1)和二号天线(A2)分别接收微波信号，两个微波信号存在相位差；一号天线(A1)接收的微波信号被一号功率分配器(P1)平分成两个功率相同频率相等的微波信号，其中一路输送至双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)中的一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)，另一路输送至三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)；二号天线(A2)接收的微波信号直接输送至一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)；
4)一号偏振控制器(PC1)输出的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)中进行调制，双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)输出的调制信号在一号低频光电探测器(PD1)上转换成电信号后，在fLO-fRF处产生中频信号，此中频信号被一号低频频谱分析仪(ESA1)检测到，并显示出其功率；其中，fLO为本机震荡信号频率，fRF为微波信号频率；
5)二号偏振控制器(PC2)输出的连续光载波与微波信号、本机震荡信号在三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)中进行调制，三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)输出的调制信号在二号低频光电探测器(PD2)上转换成电信号后，在fLO-fRF处产生中频信号，此中频信号被二号低频频谱分析仪(ESA2)检测到，并显示出其功率；
6)将步骤4)和步骤5)中的两个功率相除，得到两个中频信号的功率比，即可估算出两个微波信号的到达角。
3.根据权利要求2所述的提高微波信号到达角精度的测量方法，其特征在于，所述双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的主MZM和三号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM3)的直流偏置设置在最小偏置点上；所述一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)和二号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM2)的直流偏置同时设置在最大偏置点或最小偏置点上。
4.根据权利要求3所述的提高微波信号到达角精度的测量方法，其特征在于，如果两个微波信号的相位差不超过90度，一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)和二号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM2)的直流偏置同时设置在最小偏置点上；如果两个微波信号的相位差超过90度，一号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM1)和二号双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM2)的直流偏置同时设置在最大偏置点上。
5.根据权利要求2所述的提高微波信号到达角精度的测量方法，其特征在于，步骤6)中两个微波信号的到达角的计算过程如下：
Figure FDA0003777436020000031
Figure FDA0003777436020000032
其中，
Figure FDA0003777436020000033
是通过一号低频光电探测器后，在一号低频频谱分析仪上检测到的中频信号功率；
Figure FDA0003777436020000034
是通过二号低频光电探测器后，在二号低频频谱分析仪上检测到的中频信号功率；α是光耦合器的光耦合比；tff是插入损耗；Po是激光源输出的光载波功率；
Figure FDA0003777436020000035
是光电检测器的响应度；mLO是本机震荡器在DDMZM中的调制系数；mRF是接收到的微波信号在DDMZM中的调制系数；Ro是低频光电探测器自身负载电阻；βb1是一号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置角度，0度是最大偏置点，π就是最小偏置点；βb2是二号双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置角度；θ是接收到的两个微波信号的相位差；Jn(x)是n阶第一类贝塞尔函数。
6.根据权利要求2所述的提高微波信号到达角精度的测量方法，其特征在于，如果一号天线(A1)和二号天线(A2)分别接收到M个微波信号，那么在一号低频频谱分析仪(ESA1)和二号低频频谱分析仪(ESA2)上分别显示出M个中频信号。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112540341B (zh) * 2020-12-11 2023-11-10 南京航空航天大学 一种二维到达角测量方法及装置
CN115219977B (zh) * 2022-06-08 2024-08-02 中国人民解放军空军工程大学 一种微波光子学的多普勒频移和到达角测量方法及装置
CN115225147B (zh) * 2022-06-10 2024-02-06 北京工业大学 一种高分辨率大测量范围的光延迟测量系统及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107084713A (zh) * 2017-05-26 2017-08-22 北京交通大学 基于光电振荡器的角速度测量方法和装置
CN107528638A (zh) * 2017-07-27 2017-12-29 西安电子科技大学 基于微波光子滤波的宽带微波信号到达角估计方法
CN109116294A (zh) * 2018-07-06 2019-01-01 西安电子科技大学 基于微波光子阵列的超宽带信号波达方向角估计方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10393867B2 (en) * 2015-05-01 2019-08-27 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Photonic hybrid receive antenna

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107084713A (zh) * 2017-05-26 2017-08-22 北京交通大学 基于光电振荡器的角速度测量方法和装置
CN107528638A (zh) * 2017-07-27 2017-12-29 西安电子科技大学 基于微波光子滤波的宽带微波信号到达角估计方法
CN109116294A (zh) * 2018-07-06 2019-01-01 西安电子科技大学 基于微波光子阵列的超宽带信号波达方向角估计方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Angle-of-Arrival Measurement System Using Double RF Modulation Technique;Hao Chen;《IEEE Photonics Journal(Vol.11, Issue 1)》;20181202;全文 *
Phase Modulation Parallel Optical Delay Detector for Microwave Angle-of-Arrival Measurement with Accuracy Monitored;Z.Cao;《Optics Letters(Vol.39,issue 6)》;20140315;第1497-1500页 *
Photonic Approach for Simultaneous Measurements of Doppler-Frequency-Shift and Angle-of-Arrival of Microwave;Peng Li;《Optics Express（Vol.27,Issue 6）》;20190518;第8709-8716页 *
Simple Approach to Measure Angle of Arrival of A Microwave Signal;Hao Chen;《IEEE Photonics Technology Letters(Vol.31,Issue 22)》;20191016;第1795-1798页页 *
Simultaneous Measurement of Doppler-Frequency-Shift and Angle-of-Arrival of Microwave Signals for Automotive Radars;Zhenzhou Tang;《2019 International Topical Meeting on Microwave Photonics(MWP)》;20191107;全文 *
基于双平行马赫-曾德尔调制器的大动态范围微波光子下变频方法;王云新等;《物理学报》;20170515(第09期);第356-364页 *
基于微波光子的射频信号方位角估计技术研究;邵祥聪;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (信息科技辑)》;20200215;I135-41 *

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