CN117997439A - 一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法及装置 - Google Patents

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CN117997439A CN202410269336.1A CN202410269336A CN117997439A CN 117997439 A CN117997439 A CN 117997439A CN 202410269336 A CN202410269336 A CN 202410269336A CN 117997439 A CN117997439 A CN 117997439A
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Abstract

本发明公开了微波光子电磁信号感知领域的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法及装置。该基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法包括以下步骤：单个微波光子欠采样接收机采用一分二的两路光频梳作为本振信号，搭建两条微波光子接收链路，实现时差测向；三个位于不同站点的微波光子欠采样接收机协同完成辐射源信号的原始频率溯源以及进行测向交叉定位，实现辐射源的协同感知与定位。该基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法及装置结构简单、体积小、功耗低，一致性好，不仅变频效果更好，而且能够覆盖高频率的辐射源信号，宽频谱范围，实现瞬时接收功能。

Description

一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法及装置
技术领域
本发明涉及微波光子电磁信号感知领域，尤其涉及一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法及装置。
背景技术
对于电磁信号感知，通常需要测量其参数信息，例如通过提取脉冲描述字，实现对目标的识别功能。此外，通过截获射频信号来获取电磁波的到达方向，称为无线电测向。常用的测向技术有比幅测向、干涉仪测向、阵列测向和时差测向等。比幅测向精度不高且受天线方向图一致性影响较大；干涉仪测向需要已知信号频率且易存在相位模糊；阵列测向算法计算量较大且需要同时多通道；而时差测向通过测量信号到达不同天线的时间差，根据时差来获取信号的到达方向，在原理上仅需单个脉冲即能完成，无需测频且结构简单。通过一个或多个观测站对电磁信号测向，实现对目标的协同定位，且该方式具有作用距离远、隐蔽性好等优点。
在宽频谱电子接收机领域，通常采用信道化并行接收和分时频率扫描接收方案。信道化并行接收方案系统体积功耗较大，且信道失配处理较难；分时频率扫描接收方案难以应对瞬时大带宽信号和多波段信号，容易丢失信息。随着电磁频谱环境日益复杂，传统电子接收机受到电子器件的制约，难以处理宽频谱范围、大瞬时带宽的电磁信号，逐渐面临发展瓶颈。亚奈奎斯特欠采样接收机采用多分量、非均匀的采样时钟本振对射频信号进行调制，使不同频段的信号下变频至模数转换器的奈奎斯特采样区，随后使用正交匹配追踪、迭代贪婪展开等算法实现信号重构。传统电子欠采样接收机具有较小的体积功耗，能够处理多个同时到达信号，在宽带信号处理中具有较大的发展潜力。然而该方案受电混频器件和模拟链路等影响，一致性较差，在处理高频信号时仍受限于“电子瓶颈”。微波光子欠采样接收机与传统电子欠采样接收机类似，区别在于传统电子欠采样接收机直接将射频信号与电梳状谐波本振信号进行混频，而微波光子欠采样接收机首先通过电光转换将输入信号调制到具有多级光本振的锁模光频梳上，再通过光电转换和拍频实现下变频。相较于电子欠采样接收机的电本振，微波光子欠采样接收机的光本振载噪比、一致性更好，不仅变频效果更好，而且能够覆盖高频率的辐射源信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法及装置，解决现有技术中传统电子欠采样接收机在宽频谱范围内未知信号频率的辐射源测向存在的“电子瓶颈”技术问题，由多站协同完成辐射源信号的原始频率溯源，以及进行测向交叉定位，最终实现辐射源的协同感知与定位。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一个方面，提供一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，包括以下步骤：
S1.单个微波光子欠采样接收机采用一分二的两路光频梳作为本振信号，搭建两条微波光子接收链路，根据射频信号到达微波光子接收链路的延时提取时差，实现时差测向；
S2.三个位于不同站点的微波光子欠采样接收机协同完成辐射源信号的原始频率溯源以及进行测向交叉定位，实现辐射源的协同感知与定位。
作为本发明一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法的一个方面，其中S1包括以下步骤：
S11.微波光子射频前端采用两路光频梳作为本振信号，搭建两条微波光子接收链路，对射频信号进行电光转换、光电转换、下变频、高频分量滤除、信号放大以及模数转换；
S12.信号处理后端使用广义互相关算法根据射频信号到达微波光子接收链路的延时提取时差。
3.根据权利要求2所述的种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，所述S11包括以下步骤：
S111.光源模块产生光频梳，产生的光频梳经过一个50：50光分束器被分为两路，作为光本振信号输入马赫曾德尔调制器；
S112.接收天线接收到的两路射频信号通过低噪声放大器放大，输入马赫曾德尔调制器，加载到光脉冲的强度包络上，实现对光频梳双边带的调制，完成电光转换；
S113.调制后的光频梳双边带通过光电探测器与光频梳双边带附近的梳齿进行拍频，完成光电转换和下变频；
S114.下变频后的信号经过低通滤波器将高频分量滤除，仅在第一奈奎斯特区内保留低频信号副本；
S115.低通滤波器的输出信号经过低噪声放大器放大，利用一个低速的模数转换器实现模数转换。
作为本发明一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法的一个方面，其中S111包括以下步骤：
S1111.光源采用被动锁模激光器，产生的锁模光频梳为：
其中，ω0为光频梳的中心角频率，Δω为角频率梳齿间隔，Δφ为相邻梳齿之间的固定相位差，N代表梳齿数目；
式(1)化简为：
E(t)＝A(t)E0cosω0t#(2)
S1112.锁模光频梳经过掺铒光纤放大器放大，随后通过一个50：50光分束器被分为两条支路，作为两条支路的光本振，分别输入对应的马赫曾德尔调制器中，两条支路的光本振为：
作为本发明一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法的一个方面，其中S113包括以下步骤：
S1131.输入两个波长的光信号，会在光电探测器中发生拍频，拍频产生频率较低的电信号，其频率为两个光信号的频率差，假设两个光信号表示为：
其中，E01和E02分别表示两个光信号的幅度，ω1和ω2分别表示两个光信号的角频率，和/>分别表示两个光信号的相位，则光电探测器的输出电流表示为：
其中，A0表示输出电流的幅值；
S1132.拍频产生的电信号频率等于两个光信号的频率差，从而实现信号下变频。
作为本发明一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法的一个方面，其中S12包括以下步骤：
S121.信号处理后端在频域计算两路信号的互功率谱，对互功率谱加权抑制噪声；
S122.通过傅里叶逆变换得到两路信号的互相关函数，通过互相关函数提取时差。
作为本发明一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法的一个方面，其中S2包括以下步骤：
S21.射频信号的频率测量：三个观测站采用不同重复频率的光频梳作为本振，假设射频信号频率为fs，三个光本振的重复频率分别为f1、f2、f3，下变频至第一奈奎斯特区的信号分别为fF1，fF2，fF3，则：
其中，n1，n2，n3为整数商，rem为余数，由中国余数定理得射频信号频率fs；
S22.时差测向：当辐射源与天线距离较远时满足远场条件，假设天线的基线长度为L，信号到达方向为θ，光速为c，那么接收天线1和接收天线2的时差τ为：
辐射源目标的方向角θ为：
S23..三站测向交叉定位：假设辐射源目标的位置为(x，y)，观测站1的位置为(x1，y1)，对目标的测向角度为θ1，观测站2的位置为(x2，y2)，对目标的测向角度为θ2，观测站3的位置为(x3，y3)，对目标的测向角度为θ3，则辐射源位置的最小二乘解为：
作为本发明的另一个方面，提供一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理装置，包括协同交叉定位架构，所述协同交叉定位架构由三个位于不同站点的微波光子欠采样接收机组成，单个微波光子欠采样接收机包括微波光子射频前端和信号处理后端。
作为本发明一种基于锁模光频梳的宽带信号感知装置的一个方面，其中微波光子射频前端包括锁模激光器、接收天线、锁模光频梳、马赫曾德尔调制器、光电探测器、低通滤波器、模数转换器、掺铒光纤放大器以及低噪声放大器，所述锁模激光器采用被动锁模激光器，包括半导体泵浦激光器、波分复用器、光隔离器和谐振腔。
采用上述技术方案，本发明具有以下优点：
本发明的目的在于提供一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法及装置，相对于传统电子接收机，结构简单、体积小、功耗低，一致性好，不仅变频效果更好，而且能够覆盖高频率的辐射源信号，宽频谱范围、大瞬时带宽，可以覆盖0～40GHz的辐射源信号，实现瞬时接收功能，由多站协同完成辐射源信号的原始频率溯源，以及进行测向交叉定位，最终实现辐射源的协同感知与定位。
附图说明
图1为本发明的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理装置的结构框图；
图2为本发明的关键环节的信号频谱演化示意图；
图3为本发明的多站协同辐射源信号的原始频率溯源以及测向交叉定位的原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案进行具体描述，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理装置，包括协同交叉定位架构，协同交叉定位架构由三个位于不同站点的微波光子欠采样接收机组成，单个微波光子欠采样接收机完成对未知频率信号的测向后，由多站协同完成辐射源信号的原始频率溯源，以及进行测向交叉定位，最终实现辐射源的协同感知与定位。其中，单个微波光子欠采样接收机包括微波光子射频前端和信号处理后端。
其中，微波光子射频前端关键组成部分包括光源模块、电光转换模块和光电转换模块，微波光子射频前端如图1所示，微波光子欠采样接收机由两条结构对称的接收链路构成，按照信号传输介质可以分为光路部分和电路部分，包括锁模激光器(MLL)、接收天线、锁模光频梳(OFC)、马赫曾德尔调制器(MZM)、光电探测器(PD)、低通滤波器(LPF)和模数转换器(ADC)构成，在此基础上，加入掺铒光纤放大器(EDFA)和低噪声放大器(LNA)，用于提升链路的增益。其中，光源模块采用被动锁模激光器，由半导体泵浦激光器、波分复用器、光隔离器和谐振腔等器件构成，电光转换模块采用马赫曾德尔调制器，光电转换模块采用光电探测器。
信号处理后端使用广义互相关算法来提取时差，根据维纳-辛钦定理，互相关函数与互功率谱互为傅里叶变换对。
一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，包括以下步骤：
S1.单个微波光子欠采样接收机采用一分二的两路光频梳作为本振信号，搭建两条微波光子接收链路，根据射频信号到达微波光子接收链路的延时提取时差，实现时差测向；
其中，S1包括以下具体步骤：
S11.微波光子射频前端采用两路光频梳作为本振信号，搭建两条微波光子接收链路，对射频信号进行电光转换、光电转换、下变频、高频分量滤除、信号放大以及模数转换；
S11包括以下具体步骤：
S111.光源模块即锁模激光器(MLL)产生光频梳，产生的光频梳经过一个50：50光分束器被分为两路，作为光本振信号输入马赫曾德尔调制器；
其中，S111包括以下具体步骤：
S1111.光源采用被动锁模激光器，产生的锁模光频梳为：
其中，ω0为光频梳的中心角频率，Δω为角频率梳齿间隔，Δφ为相邻梳齿之间的固定相位差，N代表梳齿数目；
式(1)可进一步化简为：
E(t)＝A(t)E0Cosω0t#(2)
S1112.锁模光频梳经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大，随后通过一个50：50光分束器被分为两条支路，作为两条支路的光本振，分别输入对应的马赫曾德尔调制器中，两条支路的光本振为：
S112.接收天线接收到的两路射频信号通过低噪声放大器放大，输入马赫曾德尔调制器，加载到光脉冲的强度包络上，调整马赫曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在正交点(Q点)，调制方式采用双边带调制，对光频梳双边带的调制，实现对光本振的强度调制，完成电光转换；
S113.调制后的光频梳双边带通过光电探测器与光频梳双边带附近的梳齿进行拍频，完成光电转换和下变频；
其中，S113包括以下具体步骤：
S1131.调制后的光频梳和本振光频梳输入光电探测器进行光电转换，通常可使用平方率检波来描述光电探测器的模型，输入两个波长的光信号，会在光电探测器中发生拍频，拍频产生频率较低的电信号，其频率为两个光信号的频率差，假设两个光信号表示为：
其中，E01和E02分别表示两个光信号的幅度，ω1和ω2分别表示两个光信号的角频率，和/>分别表示两个光信号的相位，则光电探测器的输出电流表示为：
其中，A0表示输出电流的幅值，由光输入强度和光电探测器的响应度决定。
S1132.由式(7)可得，拍频产生的电信号频率等于两个光信号的频率差，从而实现信号下变频。
S114.下变频后的信号经过低通滤波器将高频分量滤除，仅在第一奈奎斯特区内保留低频信号副本；由于光频梳具有多根梳齿，导致拍频时会产生许多频率分量的电信号，需要通过低通滤波器滤除高频分量，仅保留第一奈奎斯特区(0～fr/2)内的频率成分。
S115.低通滤波器的输出信号，即第一奈奎斯特区的频率成分通过低噪声放大器实现对信号的放大，随后，放大后的信号通过模数转换器实现模拟信号到数字信号的转换，利用一个低速的模数转换器实现模数转换。
如图2所示，关键环节的信号频谱演化过程如下。
图2(a)为未经射频信号调制的锁模光频梳频谱示意图。其中，fr表示梳齿的重复频率，f0表示第0根梳齿的频率，f0-Nfr表示左边第N根梳齿的频率，f0+Nfr表示右边第N根梳齿的频率。
图2(b)为马赫曾德尔调制器调制后的频谱示意图，表示射频信号以双边带的形式调制到光频梳上(这里只考虑一阶边带)。当射频信号的频率fs小于光频梳重复频率的一半(fr/2)时，每根梳齿两侧都调制上相同颜色的射频信号。此时每个调制信号与最近梳齿的频率差等于原始射频信号的频率。
图2(c)为光电转换和拍频的频谱示意图。经马赫曾德尔调制器调制后的输出光信号在光电探测器中进行光电转换，这里设置光电探测器的响应带宽等于光频梳重复频率的一半。当射频信号频率小于fr/2时，每根光频梳梳齿与邻近的对应调制信号拍频，完成信号下变频。
图2(d)为低通滤波后的频谱示意图，表示拍频后的信号下变频至第一奈奎斯特区(0～fr/2)。
需要指出的是，上述过程仅展示出了射频信号频率小于fr/2时的情况，无论射频信号频率是否小于fr/2，拍频后的信号经过低通滤波器后都会下变频至第一奈奎斯特区(0～fr/2)，产生频率模糊，由于无需考虑测频和解模糊，只要满足微波光子欠采样接收机的频率覆盖范围，均可实现辐射源目标的测向和定位功能。
S12.信号处理后端使用广义互相关算法根据射频信号到达微波光子接收链路的延时，对两条支路的数字信号进行数字信号处理，提取时差。
其中，S12包括以下步骤：
S121.信号处理后端在频域计算两路信号的互功率谱，对互功率谱加权抑制噪声；
S122.通过傅里叶逆变换得到两路信号的互相关函数，通过互相关函数提取时差。
采用广义互相关算法不仅计算量小，还可在频域通过对互功率谱加权来抑制噪声，提高互相关函数的峰值估计精度。
S2.三个位于不同站点的微波光子欠采样接收机协同完成辐射源信号的原始频率溯源以及进行测向交叉定位，实现辐射源的协同感知与定位。
其中，S2包括以下具体步骤：
S21.射频信号的频率测量：三个观测站可以采用不同重复频率的光频梳作为本振，假设射频信号频率为fs，三个光本振的重复频率分别为f1、f2、f3，下变频至第一奈奎斯特区的信号分别为fF1，fF2，fF3，则：
其中，n1，n2，n3为整数商，rem为余数，由中国余数定理得射频信号频率fs；
S22.协同完成辐射源信号的原始频率溯源以及进行测向交叉定位如图3所示，具体如下：
图3(a)为时差测向原理示意图。时差测向：当辐射源与天线距离较远时，满足远场条件，假设天线的基线长度为L，信号到达方向为θ，光速为c，那么接收天线1和接收天线2的时差τ为：
所以，辐射源目标的方向角θ为：
S23.图3(b)为三站测向交叉定位原理示意图。三站测向交叉定位：假设辐射源目标的位置为(x，y)，观测站1的位置为(x1，y1)，对目标的测向角度为θ1，观测站2的位置为(x2，y2)，对目标的测向角度为θ2，观测站3的位置为(x3，y3)，对目标的测向角度为θ3，则辐射源位置的最小二乘解为：
最后，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下还可以作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.单个微波光子欠采样接收机采用一分二的两路光频梳作为本振信号，搭建两条微波光子接收链路，根据射频信号到达微波光子接收链路的延时提取时差，实现时差测向；
S2.三个位于不同站点的微波光子欠采样接收机协同完成辐射源信号的原始频率溯源以及进行测向交叉定位，实现辐射源的协同感知与定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：
S11.微波光子射频前端采用两路光频梳作为本振信号，搭建两条微波光子接收链路，对射频信号进行电光转换、光电转换、下变频、高频分量滤除、信号放大以及模数转换；
S12.信号处理后端使用广义互相关算法根据射频信号到达微波光子接收链路的延时提取时差。
3.根据权利要求2所述的种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，所述S11包括以下步骤：
S111.光源模块产生光频梳，产生的光频梳经过一个50：50光分束器被分为两路，作为光本振信号输入马赫曾德尔调制器；
S112.接收天线接收到的两路射频信号通过低噪声放大器放大，输入马赫曾德尔调制器，加载到光脉冲的强度包络上，实现对光频梳双边带的调制，完成电光转换；
S113.调制后的光频梳双边带通过光电探测器与光频梳双边带附近的梳齿进行拍频，完成光电转换和下变频；
S114.下变频后的信号经过低通滤波器将高频分量滤除，仅在第一奈奎斯特区内保留低频信号副本；
S115.低通滤波器的输出信号经过低噪声放大器放大，利用一个低速的模数转换器实现模数转换。
4.根据权利要求3所述的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，所述S111包括以下步骤：
S1111.光源采用被动锁模激光器，产生的锁模光频梳为：
其中，ω0为光频梳的中心角频率，Δω为角频率梳齿间隔，Δφ为相邻梳齿之间的固定相位差，N代表梳齿数目；
式(1)化简为：
E(t)＝A(t)E0cosω0t#(2)
S1112.锁模光频梳经过掺铒光纤放大器放大，随后通过一个50∶50光分束器被分为两条支路，作为两条支路的光本振，分别输入对应的马赫曾德尔调制器中，两条支路的光本振为：
5.根据权利要求3所述的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，所述S113包括以下步骤：
S1131.输入两个波长的光信号，会在光电探测器中发生拍频，拍频产生频率较低的电信号，其频率为两个光信号的频率差，假设两个光信号表示为：
其中，E01和E02分别表示两个光信号的幅度，ω1和ω2分别表示两个光信号的角频率，和/>分别表示两个光信号的相位，则光电探测器的输出电流表示为：
其中，A0表示输出电流的幅值；
S1132.拍频产生的电信号频率等于两个光信号的频率差，从而实现信号下变频。
6.根据权利要求2所述的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，所述S12包括以下步骤：
S121.信号处理后端在频域计算两路信号的互功率谱，对互功率谱加权抑制噪声；
S122.通过傅里叶逆变换得到两路信号的互相关函数，通过互相关函数提取时差。
7.根据权利要求1所述的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：
S21.射频信号的频率测量：三个观测站采用不同重复频率的光频梳作为本振，假设射频信号频率为fs，三个光本振的重复频率分别为f1、f2、f3，下变频至第一奈奎斯特区的信号分别为fF1，fF2，fF3，则：
其中，n1，n2，n3为整数商，rem为余数，由中国余数定理得射频信号频率fs；
S22.时差测向：当辐射源与天线距离较远时满足远场条件，假设天线的基线长度为L，信号到达方向为θ，光速为c，那么接收天线1和接收天线2的时差τ为：
辐射源目标的方向角θ为：
S23.三站测向交叉定位：假设辐射源目标的位置为(x，y)，观测站1的位置为(x1，y1)，对目标的测向角度为θ1，观测站2的位置为(x2，y2)，对目标的测向角度为θ2，观测站3的位置为(x3，y3)，对目标的测向角度为θ3，则辐射源位置的最小二乘解为：
8.一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理装置，其特征在于，包括协同交叉定位架构，所述协同交叉定位架构由三个位于不同站点的微波光子欠采样接收机组成，单个微波光子欠采样接收机包括微波光子射频前端和信号处理后端。
9.根据权利要求1所述的一种基于锁模光频梳的信号欠采样处理装置，其特征在于，所述微波光子射频前端包括锁模激光器、接收天线、锁模光频梳、马赫曾德尔调制器、光电探测器、低通滤波器、模数转换器、掺铒光纤放大器以及低噪声放大器，所述锁模激光器采用被动锁模激光器，包括半导体泵浦激光器、波分复用器、光隔离器和谐振腔。
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