CN117129938A - 多普勒频移及到达角测量系统及测量方法 - Google Patents

多普勒频移及到达角测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多普勒频移及到达角测量系统，包括：光源模块，用于提供光载波；第一微波功合模块，用于将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；第二微波功合模块，用于将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；第一调制模块，用于将第一电信号调制到进入第一调制模块的光载波上，得到第一光波信号；第二调制模块，用于将第二电信号调制到进入第二调制模块的光载波上，得到第二光波信号；第一探测模块，对第一光波信号进行拍频，得到第一拍频信号；第二探测模块，对第二光波信号进行拍频，得到第二拍频信号；信号处理模块，用于将第一拍频信号与第二拍频信号比较后输出测量结果。本发明还提供一种多普勒频移及到达角测量方法。

Description

多普勒频移及到达角测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域以及微波技术领域，尤其涉及一种多普勒频移及到达角测量系统及测量方法。
背景技术
微波光子学是光信号与微波频段的电信号的相互作用，主要工作集中在对微波毫米波频段的光学设备的研究，并将其应用于微波系统与光学系统中。微波光子学被广泛认为作为射频(RF)许多方面的电子对应物的替代技术，由于其固有的优势，如重量轻，大带宽，低传输损耗和抗电磁干扰(EMI)被应用于从雷达系统，战争侦察接收器和无线通信，到航空航天技术这些领域中。其中，基于光子的微波测量技术已成为一个活跃的主题研究。它表明了实现覆盖整个范围的射频测量的可能性，频率从几兆赫兹到几十干兆赫，这是电子的瓶颈技术。
通常，基于光子学测量的项目包括频率，到达角(AOA)和多普勒频移(DFS)。多普勒频移是由目标和观察者之间的径向运动引起的频率相对于波源的偏移。到达角是辐射源的重要RF信号参数，AOA测量系统广泛的用在阵列雷达、ESM和通信系统中。雷达系统根据AOA获得目标的方位信息，引导波束对准目标。通信系统对来波信号的AOA进行测量，可以引导接收机天线波束对准来波方向，增加接收信噪比。目前基于光子学的DFS或者AOA测量系统逐渐成为研究的热点。但目前，同时实现DFS数值及方向以及AOA测量的系统鲜有研究。
发明内容
为克服上述至少一种技术问题，本发明的实施例提供了一种多普勒频移及到达角测量系统及测量方法，通过比较两个微波信号的拍频信号，可判断多普勒频移的方向，实现宽频带载波信号的多普勒频移及到达角的测量。
本发明提供一种多普勒频移及到达角测量系统，包括：光源模块，适用于提供光载波；第一微波功合模块，适用于将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；第二微波功合模块，适用于将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；第一调制模块，适用于将第一电信号调制到进入第一调制模块的光载波上，得到第一光波信号；第二调制模块，适用于将第二电信号调制到进入第二调制模块的光载波上，得到第二光波信号；第一探测模块，对第一光波信号进行拍频，得到第一拍频信号；第二探测模块，对第二光波信号进行拍频，得到第二拍频信号；信号处理模块，适用于将第一拍频信号与第二拍频信号比较后输出测量结果。
在一种可能实施的方式中，所述第一调制模块和第二调制模块均为宽带的双平行马赫曾德调制器。
在一种可能实施的方式中，所述第一调制模块包括：第一子调制器；第二子调制器，与所述第一子调制器并联；以及第一90°电耦合器，所述第一90°电耦合器的0°的输出端与所述第一子调制器的输入端连接，所述第一90°电耦合器的90°的输出端与所述第二子调制器的输入端连接，适用于将第一电信号输入至第一调制模块内调制。
在一种可能实施的方式中，所述第二调制模块包括：第三子调制器；第四子调制器，与所述第三子调制器并联；以及第二90°电耦合器，所述第二90°电耦合器的0°的输出端与所述第三子调制器的输入端连接，所述第二90°电耦合器的90°的输出端与所述第四子调制器的输入端连接，适用于将第二电信号输入至第二调制模块内调制。
在一种可能实施的方式中，信号处理模块包括：频谱仪，所述频谱仪通过观测第一探测模块和第二探测模块的探测结果得到第一回波信号及第二回波信号的多普勒频移的数值及方向；以及示波器，其通过对比第一探测模块和第二探测模块的探测结果之间的相位差确定第一回波信号及第二回波信号的到达角数值。
在一种可能实施的方式中，所述第一调制模块和第二调制模块均处于载波抑制单边带调制状态工作。
在一种可能实施的方式中，所述第一回波信号与第二回波信号的相位差在0-π之间。
在一种可能实施的方式中，所述第一回波信号以及第二回波信号均为带有多普勒频移和到达角的微波信号。
在一种可能实施的方式中，发送信号与参考信号具有相同的初始相位。
本发明实施例还提供一种多普勒频移及到达角测量方法，测量方法包括：将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；将第一电信号调制到光载波上，得到第一光波信号；将第二电信号调制到光载波上，得到第二光波信号；对第一光波信号进行拍频；对第二光波信号进行拍频；将第一拍频信号与第二拍频信号比较后，输出第一回波信号及第二回波信号的测量结果。
本发明的一种多普勒频移及到达角测量系统及测量方法，通过比较两个微波信号的拍频信号的数值，可简单、准确的判断多普勒频移的方向，实现宽频带载波信号的多普勒频移及到达角的测量；由于本发明的多普勒频移及到达角测量系统器件少，不受电磁干扰，因此在侦察、雷达等领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的多普勒频移及到达角测量系统的结构图；
图2为本发明实施例的第一光波信号的光谱图；
图3为本发明实施例的第二光波信号的光谱图；
图4为本发明实施例的第一拍频信号与第二拍频信号的频谱图；
图5为本发明实施例的第一拍频信号与第二拍频信号的波形图；
图6为本发明实施例的多普勒频移及到达角测量方法流程图。
【附图中符号说明】
1-光源模块；
2-第一微波功合模块；
3-第二微波功合模块；
4-第一调制模块；
41-第一子调制器；
42-第二子调制器；
43-第一90°电耦合器；
5-第二调制模块；
51-第三子调制器；
52-第四子调制器；
53-第二90°电耦合器；
6-第一探测模块；
7-第二探测模块；
8-信号处理模块。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的一种多普勒频移及到达角测量系统，包括：光源模块，适用于提供光载波；第一微波功合模块，适用于将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；第二微波功合模块，适用于将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；第一调制模块，适用于将第一电信号调制到进入第一调制模块的光载波上，得到第一光波信号；第二调制模块，适用于将第二电信号调制到进入第二调制模块的光载波上，得到第二光波信号；第一探测模块，对第一光波信号进行拍频，得到第一拍频信号；第二探测模块，对第二光波信号进行拍频，得到第二拍频信号；信号处理模块，适用于将第一拍频信号与第二拍频信号比较后输出信号测量结果。
图1为本发明实施例的多普勒频移及到达角测量系统的结构图。
图1中实线代表光路，虚线代表电路，如图1所示，为本发明实施例的多普勒频移及到达角测量系统，包括：光源模块1，适用于提供光载波；第一微波功合模块2，适用于将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；第二微波功合模块3，适用于将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；第一调制模块4，适用于将第一电信号调制到进入第一调制模块4的光载波上，得到第一光波信号；第二调制模块5，适用于将第二电信号调制到进入第二调制模块5的光载波上，得到第二光波信号；第一探测模块6，对第一光波信号进行拍频，得到第一拍频信号；第二探测模块7，对第二光波信号进行拍频，得到第二拍频信号；信号处理模块8，适用于将第一拍频信号与第二拍频信号比较后输出测量结果。
在本发明的一个实施例中，光源模块1为整个系统提供光载波，适用于加载需要传输的第一电信号以及第二电信号。光载波的波段一般为常用的通信波段，例如C波段和L波段。
在本发明的一个实施例中，发送信号为微波发射信号(transmitted signal)，参考信号为微波参考信号(reference signal)，第一回波信号与第二回波信号均为带有多普勒频移及到达角的接收微波信号(echo signal)。
在本发明的一个实施例中，发送信号与参考信号具有相同的初始相位。
在本发明的一个实施例中，第一回波信号以及第二回波信号均为带有多普勒频移和到达角的微波信号。
在本发明的一个实施例中，第一回波信号与第二回波信号的相位差在0-π之间。
继续参见图1，在一些实施例中，第一调制模块4和第二调制模块5均为宽带调制器。
图2为本发明实施例的第一光波信号的光谱图。
图3为本发明实施例的第二光波信号的光谱图。
如图2所示，为第一光波信号经过一个双平行马赫曾德调制器后的光谱示意图。
如图3所示，为第二光波信号经过另一个双平行马赫曾德调制器后的光谱示意图。
其中，ωc为光载波的频率；ωt为发送信号的频率；ωr为微波参考信号的频率；ωe1为第一回波信号的频率；ωe2为第二回波信号的频率。
在本发明的一个实施例中，第一调制模块4和第二调制模块5均为宽带的双平行马赫曾德调制器。第一调制模块4和第二调制模块5均为双平行马赫曾德调制器(DPMZM)，且均为宽带调制器。
在本发明的一个实施例中，DPMZM由商用的偏置控制板反馈控制，可以直接实现载波抑制单边带调制，使得本发明的多普勒频移及到达角测量系统的搭建简单易行。
在本发明的一个实施例中，第一调制模块4和第二调制模块5均处于载波抑制单边带调制状态工作。
继续参见图1，在一些实施例中，第一调制模块4包括：第一子调制器41；第二子调制器42，与所述第一子调制器41并联；以及第一90°电耦合器43，所述第一90°电耦合器43的0°的输出端与所述第一子调制器41的输入端连接，所述第一90°电耦合器43的90°的输出端与所述第二子调制器42的输入端连接，适用于将第一电信号输入至第一调制模块4内调制。
在本发明的一个实施例中，第二调制模块5包括：第三子调制器51；第四子调制器52，与所述第三子调制器51并联；以及第二90°电耦合器53，所述第二90°电耦合器53的0°的输出端与所述第三子调制器51的输入端连接，所述第二90°电耦合器53的90°的输出端与所述第四子调制器52的输入端连接，适用于将第二电信号输入至第二调制模块5内调制。
图4为本发明实施例的第一拍频信号与第二拍频信号的频谱图。
图5为本发明实施例的第一拍频信号与第二拍频信号的波形图。
在本发明的一个实施例中，第一探测模块6以及第二探测模块7均为低频探测器，分别对第一光波信号及第二光波信号进行拍频，得到如图4和5所示的第一拍频信号及第二拍频信号。在一些实施例中，第一拍频信号为微波多普勒频移信号，第二拍频信号为微波多普勒频移信号的参考信号。在一些实施例中，第一探测模块6以及第二探测模块7的带宽均小于或等于2GHz。
继续参见图1，在一些实施例中，信号处理模块8包括：频谱仪，所述频谱仪通过观测第一探测模块6和第二探测模块7的探测结果得到第一回波信号及第二回波信号的多普勒频移的数值及方向；以及示波器，其通过对比第一探测模块6和第二探测模块7的探测结果之间的相位差确定第一回波信号及第二回波信号的到达角数值。
在本发明的一个实施例中，频谱仪(ESA)比较微波多普勒频移信号与微波多普勒频移信号的参考信号的数值，得到多普勒频移的数值和正负方向。示波器(OSC)对比微波多普勒频移信号与微波多普勒频移信号的参考信号的相位，得到到达角的数值和方向。
图6为本发明实施例的多普勒频移及到达角测量方法流程图。
如图6所示，本发明还提供一种多普勒频移及到达角测量方法，包括：S1，将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；S2，将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；S3，将第一电信号调制到光载波上，得到第一光波信号；S4，将第二电信号调制到光载波上，得到第二光波信号；S5，对第一光波信号进行拍频；S6，对第二光波信号进行拍频；以及S7，将第一拍频信号与第二拍频信号比较后，输出第一回波信号及第二回波信号的测量结果。
本发明的一种多普勒频移及到达角测量系统及测量方法，通过比较两个微波信号的拍频信号的数值，可简单、准确的判断多普勒频移的方向，由于调制器的宽带特性，可以实现宽频带载波信号的多普勒频移的测量；引入参考信号，可以简单、明了的判断多普勒频移的方向，同时还能够测量到达角数值。由于本发明的多普勒频移及到达角测量系统器件少，不受电磁干扰，因此在侦察、雷达等领域具有潜在的应用价值。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多普勒频移及到达角测量系统，包括：
光源模块(1)，适用于提供光载波；
第一微波功合模块(2)，适用于将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；
第二微波功合模块(3)，适用于将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；
第一调制模块(4)，适用于将第一电信号调制到进入第一调制模块(4)的光载波上，得到第一光波信号；
第二调制模块(5)，适用于将第二电信号调制到进入第二调制模块(5)的光载波上，得到第二光波信号；
第一探测模块(6)，对第一光波信号进行拍频，得到第一拍频信号；
第二探测模块(7)，对第二光波信号进行拍频，得到第二拍频信号；
信号处理模块(8)，适用于将第一拍频信号与第二拍频信号比较后输出测量结果。
2.根据权利要求1所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，所述第一调制模块(4)和第二调制模块(5)均为宽带的双平行马赫曾德调制器。
3.根据权利要求1所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，所述第一调制模块(4)包括：
第一子调制器(41)；
第二子调制器(42)，与所述第一子调制器(41)并联；以及
第一90°电耦合器(43)，所述第一90°电耦合器(43)的0°的输出端与所述第一子调制器(41)的输入端连接，所述第一90°电耦合器(43)的90°的输出端与所述第二子调制器(42)的输入端连接，适用于将第一电信号输入至第一调制模块(4)内调制。
4.根据权利要求1所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，所述第二调制模块(5)包括：
第三子调制器(51)；
第四子调制器(52)，与所述第三子调制器(51)并联；以及
第二90°电耦合器(53)，所述第二90°电耦合器(53)的0°的输出端与所述第三子调制器(51)的输入端连接，所述第二90°电耦合器(53)的90°的输出端与所述第四子调制器(52)的输入端连接，适用于将第二电信号输入至第二调制模块(5)内调制。
5.根据权利要求1所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，信号处理模块(8)包括：
频谱仪，所述频谱仪通过观测第一探测模块(6)和第二探测模块(7)的探测结果得到第一回波信号及第二回波信号的多普勒频移的数值及方向；以及
示波器，其通过对比第一探测模块(6)和第二探测模块(7)的探测结果之间的相位差确定第一回波信号及第二回波信号的到达角数值。
6.根据权利要求1所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，所述第一调制模块(4)和第二调制模块(5)均处于载波抑制单边带调制状态工作。
7.根据权利要求1所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，所述第一回波信号与第二回波信号的相位差在0-π之间。
8.根据权利要7所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，所述第一回波信号以及第二回波信号均为带有多普勒频移和到达角的微波信号。
9.根据权利要求1所述的多普勒频移及到达角测量系统，其中，发送信号与参考信号具有相同的初始相位。
10.一种多普勒频移及到达角测量方法，利用如权利要求1-9任一项所述的多普勒频移及到达角测量系统，测量方法包括：
将发送信号以及第一回波信号合成第一电信号；
将参考信号以及第二回波信号合成第二电信号；
将第一电信号调制到光载波上，得到第一光波信号；
将第二电信号调制到光载波上，得到第二光波信号；
对第一光波信号进行拍频；
对第二光波信号进行拍频；
将第一拍频信号与第二拍频信号比较后，输出第一回波信号及第二回波信号的测量结果。
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