CN113391268B - 一种微波光子测频实现方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达电子对抗技术领域，尤其是一种微波光子测频实现方法与系统，包括一种微波光子测频方法，包括以下方法：采用一连续单频激光器作为整个测频系统光源，通过1×2光耦合器将其分为两路分别用于产生泵浦光和激发SBS效应，通过光环型器后使用光电探测器拍频得到电信号；本发明基于微波光子技术构建了一套测量范围覆盖常规雷达频段、精度高且能测量多个瞬时频率的微波光子测频系统；在泵浦光的产生中采用了两级相位调制、高倍频的方法，使得微波信号小幅度的频率调整能引起泵浦光大范围的频率变化；本发明使用了SBS效应使得测量精度高，本发明利用级联相位调制加光域滤波实现频率可大范围调谐泵浦光的产生。

Description

一种微波光子测频实现方法与系统

技术领域

本发明涉及雷达电子对抗技术领域，尤其涉及一种微波光子测频实现方法与系统。

背景技术

雷达电子侦察作为雷达电子对抗的重要组成部分，利用电子侦察设备截获雷达发出的电磁信号，并采用参数测量、测向定位、分选与识别等技术手段来获取辐射源的信号参数、方位、数量、类型和功能等信息，是雷达电子攻击和雷达电子防护的基础和前提，其获取信息的多少及可靠程度直接影响着作战策略的制定。雷达信号参数包括微波信号频率、信号功率、脉冲宽度、调制方式、传播方向和距离等，其中频率信息是雷达电子侦察中最迫切需要的信息。随着雷达技术的发展，测频技术对测量范围、测频误差、响应速度和灵敏度等指标的要求逐年增高。传统电子式测频方法由于电子器件的瓶颈只能对18GHz以下的频率进行测量，而微波光子技术的高频、超宽带、抗电磁干扰等优点使得其在频率测量领域有着电子技术无可比拟的优势，为此我们提出一种微波光子测频实现方法与系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波光子测频实现方法与系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微波光子测频方法，包括以下方法：

S1,采用一连续单频激光器作为整个测频系统光源，通过1×2光耦合器将其分为两路分别用于产生泵浦光和激发SBS效应，通过光环型器后使用光电探测器拍频得到电信号，根据泵浦光与布里渊频移值计算得到待测射频信号的瞬时频率；

S2,在泵浦光产生支路，利用两级相位调制结合光滤波方法产生所需的频率可调谐泵浦光信号，具体方法为：激光器产生的单频连续光作为第一次相位调制的载波，通过相位调制器被微波信号源产生的单频微波信号调制，调制后的光信号经过光滤波组合模块1，滤出所需的光变带对，此光变带对作为第二次相位调制的载波，经另一相位调制器被另一单频微波信号调制，经光滤波组合模块2滤出另一光边带对作为泵浦光泵浦光输入环形器1口；

S3,在SBS效应激发支路利用又一相位调制器将天线接收的待测射频信号调制到光载波上，通过SBS效应的激发测量出射频信号的瞬时频率，具体方法为：激光器耦合出的单频连续光首先使用偏振控制器控制偏振态，使得后续相位调制产生的一阶边带对最大，后经相位调制器被射频信号调制产生调制信号，射频信号由接收天线捕获后经低噪放放大；调制信号经光隔离器输入至长光纤，长光纤另一端与环形器2口相接，当满足SBS效应的激发条件时，在长光纤中，调制信号的一阶边带对与反向传输的泵浦光信号激发出SBS效应；环形器3口输出的光信号通过光电探测器进行拍频，在SBS效应激发的情况下可拍频产生电信号，通过数据处理与控制模块计算得到射频信号瞬时频率值；

S4,在数据处理与控制模块，主要通过软件对整个测频系统的时序、通信进行控制以及实现对射频信号中频率的计算，具体方法为：系统开机后，首先使激光器工作在所需波长和功率，根据所需泵浦光频率设定两微波信号源输出不同单频信号的频率、频率变化范围和速率及光滤波组合模块的响应频谱，当SBS效应激发，最终产生电信号时，根据泵浦光频率值与布里渊频移值，计算得出射频信号的频率信息。

优选的，所述微波信号源为直接数字频率合成器、光生微波源和光电混合微波源中的任一种。

优选的，所述激光器为分布式反馈激光器。

优选的，所述光滤波组合模块可由两个分立光纤光栅滤波器实现，也可由一个多进多出可编程光滤波器实现，也可由以上两种组合，滤波器为带通滤波器和双带通滤波器中的任一种。

优选的，所述光路各节点和光滤波组合模块均可添加光放大器进行光信号放大。

一种微波光子测频系统，包括泵浦光产生支路、接收支路及数据处理与控制模块。

优选的，所述泵浦光产生支路包括激光器、1×2光耦合器、微波信号源、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2；激光器、1×2光耦合器、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2两两之间用光波导连接，微波信号源与相位调制器1和调制器2之间用射频波导连接；光滤波组合模块输出接口与环形器1口相接。

优选的，所述接收支路包含：偏振控制器、相位调制器3、接收天线、电带通滤波器、低噪声放大器、光隔离器、长光纤、光环形器、光电探测器、示波器；偏振控制器的输入口与1×2光耦合器另一输出口连接，输出口与相位调制器的光输入口连接；相位调制器3的射频输入接口与低噪放的输出接口连接，接收天线输出口通过射频波导依次与电带通滤波器、低噪放相接；相位调制器3的输出接口通过光波导依次与光隔离器、长光纤相接，长光纤另一端与环形器2口相接，环形器3口与光电探测器输入接口相接；光电探测器输出接口与示波器通过射频波导相接；示波器与数据处理与控制模块连接。

优选的，所述数据处理与控制模块通过信号传输线与微波信号源、光滤波组合模块1、光滤波组合模块2、示波器、低噪放相连进行参数及工作状态控制。

本发明的有益效果：

本发明基于微波光子技术构建了一套测量范围覆盖常规雷达频段、精度高且能测量多个瞬时频率的微波光子测频系统；

本发明在泵浦光的产生中采用了两级相位调制、高倍频的方法，使得微波信号小幅度的频率调整能引起泵浦光大范围的频率变化；

本发明使用了SBS效应使得测量精度能够达到30MHz的量级。

本发明利用级联相位调制加光域滤波实现频率可大范围调谐泵浦光的产生。

附图说明

图1为本发明微波光子雷达系统一个具体实施例的结构原理图；

图2为图1中关键节点处光谱示意图；

图3为本发明的SBS效应的散射谱结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

参照图1-3，一种微波光子测频方法，包括以下方法：

S1,采用一连续单频激光器作为整个测频系统光源，通过1×2光耦合器将其分为两路分别用于产生泵浦光和激发SBS效应，通过光环型器后使用光电探测器拍频得到电信号，根据泵浦光与布里渊频移值计算得到待测射频信号的瞬时频率；

S2,在泵浦光产生支路，利用两级相位调制结合光滤波方法产生所需的频率可调谐泵浦光信号，具体方法为：激光器产生的单频连续光作为第一次相位调制的载波，通过相位调制器被微波信号源产生的单频微波信号调制，调制后的光信号经过光滤波组合模块1，滤出所需的光变带对，此光变带对作为第二次相位调制的载波，经另一相位调制器被另一单频微波信号调制，经光滤波组合模块2滤出另一光边带对作为泵浦光泵浦光输入环形器1口；

S3,在SBS效应激发支路利用又一相位调制器将天线接收的待测射频信号调制到光载波上，通过SBS效应的激发测量出射频信号的瞬时频率，具体方法为：激光器耦合出的单频连续光首先使用偏振控制器控制偏振态，使得后续相位调制产生的一阶边带对最大，后经相位调制器被射频信号调制产生调制信号，射频信号由接收天线捕获后经低噪放放大；调制信号经光隔离器输入至长光纤，长光纤另一端与环形器2口相接，当满足SBS效应的激发条件时，在长光纤中，调制信号的一阶边带对与反向传输的泵浦光信号激发出SBS效应；环形器3口输出的光信号通过光电探测器进行拍频，在SBS效应激发的情况下可拍频产生电信号，通过数据处理与控制模块计算得到射频信号瞬时频率值；

S4,在数据处理与控制模块，主要通过软件对整个测频系统的时序、通信进行控制以及实现对射频信号中频率的计算，具体方法为：系统开机后，首先使激光器工作在所需波长和功率，根据所需泵浦光频率设定两微波信号源输出不同单频信号的频率、频率变化范围和速率及光滤波组合模块的响应频谱，当SBS效应激发，最终产生电信号时，根据泵浦光频率值与布里渊频移值，计算得出射频信号的频率信息。

在本实施例中，微波信号源为直接数字频率合成器、光生微波源和光电混合微波源中的任一种。

在本实施例中，激光器为分布式反馈激光器。

在本实施例中，光滤波组合模块可由两个分立光纤光栅滤波器实现，也可由一个多进多出可编程光滤波器实现，也可由以上两种组合，滤波器为带通滤波器和双带通滤波器中的任一种。

在本实施例中，光路各节点和光滤波组合模块均可添加光放大器进行光信号放大。

在本实施例中，系统中光器件连接的光纤均为保偏光纤，光器件均为保偏光器件。

一种微波光子测频系统，包括包括泵浦光产生支路、接收支路及数据处理与控制模块。

在本实施例中，泵浦光产生支路包括激光器、1×2光耦合器、微波信号源、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2；激光器、1×2光耦合器、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2两两之间用光波导连接，微波信号源与相位调制器1和调制器2之间用射频波导连接；光滤波组合模块输出接口与环形器1口相接。

在本实施例中，接收支路包含：偏振控制器、相位调制器3、接收天线、电带通滤波器、低噪声放大器、光隔离器、长光纤、光环形器、光电探测器、示波器；偏振控制器的输入口与1×2光耦合器另一输出口连接，输出口与相位调制器的光输入口连接；相位调制器3的射频输入接口与低噪放的输出接口连接，接收天线输出口通过射频波导依次与电带通滤波器、低噪放相接；相位调制器3的输出接口通过光波导依次与光隔离器、长光纤相接，长光纤另一端与环形器2口相接，环形器3口与光电探测器输入接口相接；光电探测器输出接口与示波器通过射频波导相接；示波器与数据处理与控制模块连接。

在本实施例中，数据处理与控制模块通过信号传输线与微波信号源、光滤波组合模块1、光滤波组合模块2、示波器、低噪放相连进行参数及工作状态控制。

在上述方案基础上还可进一步得到以下技术方案：

一种微波光子测频系统芯片，由对上述系统中关键器件进行集成化或微组装化处理得到。集成化是指利用异质集成技术对除接收天线与数据处理和控制模块以外的器件进行单片集成或多片异质集成，集成后芯片通过匹配接口与接收天线和数据处理和控制模块连接；微组装化是指利用微组装技术将分立器件进行微组装化处理，使系统体积更小。

本发明不仅提出了基于分立器件微波光子测频系统实现方案，还对其集成化和微组装化形态进行了阐述，集成化后的芯片和微组装后的微型系统有利于减少尺寸、重量和功耗。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1为本发明所提出微波光子测频系统一个具体实施例的结构原理图，如图所示，其包括三部分：泵浦光产生支路、接收支路及数据处理与控制模块。所述泵浦光产生支路包含激光器、1×2光耦合器、微波信号源、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2；激光器、1×2光耦合器、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2两两之间用光波导连接，微波信号源与相位调制器1和调制器2之间用射频波导连接；光滤波组合模块输出接口与环形器1口相接。

所述接收支路包含：偏振控制器、相位调制器3、接收天线、电带通滤波器、低噪声放大器、光隔离器、长光纤、光环形器、光电探测器、示波器；偏振控制器的输入口与1×2光耦合器另一输出口连接，输出口与相位调制器的光输入口连接；相位调制器3的射频输入接口与低噪放的输出接口连接，接收天线输出口通过射频波导依次与电带通滤波器、低噪放相接；相位调制器3的输出接口通过光波导依次与光隔离器、长光纤相接，长光纤另一端与环形器2口相接，环形器3口与光电探测器输入接口相接；光电探测器输出接口与示波器通过射频波导相接；示波器与数据处理与控制模块连接，后者通过信号传输线与微波信号源、光滤波组合模块1、光滤波组合模块2、示波器、低噪放相连进行参数及工作状态控制。是利用级联相位调制加光域滤波实现频率可大范围调谐泵浦光的产生

为了便于公众理解，下面从理论上对本发明技术方案进行进一步详细说明。

激光器输出的连续光信号为：

其频谱由图2A所示。

微波信号f₀根据选取的测频范围在一定范围内扫频，当激发SBS效应最终拍频得到了电信号时，f₀为固定值，则微波信号源输出的低频信号f₀可表示为：

V_L(t)＝V_Lsin(ω₀t)

将其施加到相位调制器1，相位调制器1所输出的光信号可表示为：

利用光滤波组合模块1选取±N阶光边带，如图2B所示，选出的光信号可表示为：

将上述光信号送入相位调制器2，在另一由微波信号源产生的单频射频信号V_s(t)＝V_ssin(ω₁t)调制下，相位调制器2的输出光信号可表示为：

利用光滤波组合模块2的选取-N阶光边带的+M阶单频光边带和+N阶光边带的-M阶单频光边带作为输出光信号，如图2C所示：

接收天线接收到的射频信号经电带通滤波器、低噪声放大器后可表示为：

V_e(t)＝V_esin(ω_kt)

接收到的信号经相位调制器3调制到光载波上，因偏振控制器使得相位调制器3输出调制信号中±1阶边带最大，其余边带可以忽略，如图2D谱线所示：

两束泵浦光激发的SBS效应的散射谱如图2E黑色谱线所示，将两泵浦光靠近载波一侧的散射谱称为内散射谱，远离载波一侧的散射谱称为外散射谱；当调制信号的+1阶边带落入内散射谱或外散射谱时，均可激发SBS效应使得+1阶边带中的一个得到增益、另一个得到衰减，两边带间出现幅度差，最终拍频得到电信号。使用内散射谱或外散射谱的不同，对泵浦光的频率要求、滤波模块的选择有所不同。

当使用内散射谱进行测频时，调制信号的+1阶边带落入泵浦光增益谱中，-1阶边带落入泵浦光低频率分量的损耗谱中，如图2E红色谱线所示；当使用外散射谱进行测频时，调制信号的-1阶边带落入泵浦光增益谱中，+1阶边带落入泵浦光损耗谱中，如图2E蓝色谱线所示。

假设调制信号的+1阶边带与泵浦光内散射谱峰值正好为v_B，则增益(损耗)达到最大为g_B。则调制信号幅度变化如图2F红色谱线所示，可表示为：

该调制信号送至光电探测器，经拍频后所产生的电信号为：

令f_p＝|Nf₀-Mf₁|，表示泵浦光与载频的频差。

当使用内散射谱产生电信号时，可得到待测射频信号频率为：

f_k＝|f_p-ν_B|

当使用外散射谱产生电信号时，可得到待测射频信号频率为：

f_k＝f_p+ν_B

存在频率干扰分量问题:

当射频信号中同时存在频率差为2ν_B的两个分量，这两个分量产生的+1阶边带分别落入泵浦光的内散射谱和外散射谱时，均会激发SBS效应最终产生电信号，这与单个频率分量激发SBS效应的最终现象相同，无法判断其频率值，如图2D、2E、2F红色和蓝色谱线所示，在确定使用内/外散射谱进行测频的情况下，通过相应的电带通滤波器来滤除干扰分量。

在泵浦光的产生中，需要根据测频范围来设置泵浦光的调谐范围，则微波信号f₀、f₁与光滤波模块需满足以下条件：

(1)第一级相位调制与滤波中：

调制光滤波组合模块1一般为双带通滤波，两通带应只滤出需要的一对N阶边带，两通带中心应分别位于f_c+Nf₀和f_c-Nf₀处，通带宽度为B_filter0，达到特定带外抑制比的通带变化范围为B_f，应满足

即

(2)第二级相位调制与滤波中：

应注意第二次调制的边带间间距要大于滤波器通带范围，光滤波组合模块2一般为带通滤波，f_p>2v_B时为双带通滤波。其通带应使得只滤出需要的一对M阶边带。

带通滤波时，通带中心应位于f_c处，通带宽度为B_filter1，达到特定带外抑制比的通带变化范围为B_f，两泵浦光频率为f_c-f_p和f_c+f_p，其中f_p＝|Nf₀-Mf₁|。应满足：

得2f_p-B_f<B_filter1<2f₁-2f_p-B_f；

双带通滤波时，两通带中心应分别位于f_c+Nf₀-Mf₁和f_c-Nf₀+Mf₁处，通带宽度B_filter1，达到特定带外抑制比的通带变化范围为B_f。应满足：

表一给出全频段测频时的关键器件参数设置：

为排除干扰分量，将常规雷达频率范围划分为四个区间，假设布里渊频移ν_B为10.811GHz。

表一

SBS效应的散射谱具有洛伦兹曲线的轮廓，如图3所示，其中Δv_B为散射谱带宽，代表测频精度：

其中τ为声子寿命，Γ′为声波阻尼参数，ν_p为泵浦光频率，典型的单模光纤中Δv_B在10MHz～30MHz之间，此系统的测频精度可达到30MHz。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微波光子测频方法，其特征在于，包括以下方法：

S1,采用一连续单频激光器作为整个测频系统光源，通过1×2光耦合器将其分为两路分别用于产生泵浦光和激发SBS效应，通过光环型器后使用光电探测器拍频得到电信号，根据泵浦光与布里渊频移值计算得到待测射频信号的瞬时频率；

S2,在泵浦光产生支路，利用两级相位调制结合光滤波方法产生所需的频率可调谐泵浦光信号，具体方法为：激光器产生的单频连续光作为第一次相位调制的载波，通过相位调制器被微波信号源产生的单频微波信号调制，调制后的光信号经过光滤波组合模块1，滤出所需的光变带对，此光变带对作为第二次相位调制的载波，经另一相位调制器被另一单频微波信号调制，经光滤波组合模块2滤出另一光边带对作为泵浦光输入环形器1口；

S3,在SBS效应激发支路利用又一相位调制器将天线接收的待测射频信号调制到光载波上，通过SBS效应的激发测量出射频信号的瞬时频率，具体方法为：激光器耦合出的单频连续光首先使用偏振控制器控制偏振态，使得后续相位调制产生的一阶边带对最大，后经相位调制器被射频信号调制产生调制信号，射频信号由接收天线捕获后经低噪放大；调制信号经光隔离器输入至长光纤，长光纤另一端与环形器2口相接，当满足SBS效应的激发条件时，在长光纤中，调制信号的一阶边带对与反向传输的泵浦光信号激发出SBS效应；环形器3口输出的光信号通过光电探测器进行拍频，在SBS效应激发的情况下可拍频产生电信号，通过数据处理与控制模块计算得到射频信号瞬时频率值；

S4,在数据处理与控制模块，主要通过软件对整个测频系统的时序、通信进行控制以及实现对射频信号中频率的计算，具体方法为：系统开机后，首先使激光器工作在所需波长和功率，根据所需泵浦光频率设定两微波信号源输出不同单频信号的频率、频率变化范围和速率及光滤波组合模块的响应频谱，当SBS效应激发，最终产生电信号时，根据泵浦光频率值与布里渊频移值，计算得出射频信号的频率信息。

2.根据权利要求1所述的一种微波光子测频方法，其特征在于，所述微波信号源为直接数字频率合成器、光生微波源和光电混合微波源中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种微波光子测频方法，其特征在于，所述激光器为分布式反馈激光器。

4.根据权利要求1所述的一种微波光子测频方法，其特征在于，所述光滤波组合模块由两个分立光纤光栅滤波器实现，或由一个多进多出可编程光滤波器实现，或由以上两种组合，滤波器为带通滤波器和双带通滤波器中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种微波光子测频方法，其特征在于，光路各节点和光滤波组合模块均可添加光放大器进行光信号放大。

6.一种微波光子测频系统，用于执行权利要求1至5任一项所述的微波光子测频方法，其特征在于，所述系统包括泵浦光产生支路、接收支路及数据处理与控制模块。

7.根据权利要求6所述的一种微波光子测频系统，其特征在于，所述泵浦光产生支路包括激光器、1×2光耦合器、微波信号源、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2；激光器、1×2光耦合器、相位调制器1、光滤波组合模块1、相位调制器2、光滤波组合模块2两两之间用光波导连接，微波信号源与相位调制器1和调制器2之间用射频波导连接；光滤波组合模块输出接口与环形器1口相接。

8.根据权利要求7所述的一种微波光子测频系统，其特征在于，所述接收支路包含：偏振控制器、相位调制器3、接收天线、电带通滤波器、低噪声放大器、光隔离器、长光纤、光环形器、光电探测器、示波器；偏振控制器的输入口与1×2光耦合器另一输出口连接，输出口与相位调制器的光输入口连接；相位调制器３的射频输入接口与低噪放的输出接口连接，接收天线输出口通过射频波导依次与电带通滤波器、低噪放相接；相位调制器３的输出接口通过光波导依次与光隔离器、长光纤相接，长光纤另一端与环形器２口相接，环形器３口与光电探测器输入接口相接；光电探测器输出接口与示波器通过射频波导相接；示波器与数据处理与控制模块连接。

9.根据权利要求8所述的一种微波光子测频系统，其特征在于，所述数据处理与控制模块通过信号传输线与微波信号源、光滤波组合模块1、光滤波组合模块2、示波器、低噪放相连进行参数及工作状态控制。

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