余博昌，周其超

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

0 引 言

在現(xiàn)代電子對抗戰(zhàn)爭中，雷達(dá)在獲取敵方信息和精確引導(dǎo)上發(fā)揮著重要的作用。如何快速地獲取敵方雷達(dá)發(fā)射的信號參數(shù)，包括載頻信息，成為電子戰(zhàn)中的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的基于電子器件的微波頻率測量技術(shù)較為成熟。但是，該技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量帶寬窄。隨著毫米波雷達(dá)的快速應(yīng)用，傳統(tǒng)的基于電子器件的瞬時測頻技術(shù)難以實現(xiàn)超寬帶微波信號頻率測量。近年來，由于微波光子學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光子器件也具有了質(zhì)量輕、體積小、大帶寬、低損耗和抗電磁干擾等優(yōu)點，所以利用微波光子技術(shù)逐漸成為替代傳統(tǒng)電子技術(shù)的手段之一，其中基于光子學(xué)技術(shù)的微波頻率測量技術(shù)被認(rèn)為是未來電子戰(zhàn)中處理雷達(dá)信號的先進(jìn)方法之一。[1-5]

目前，基于微波光子測頻的方法非常多，如基于強(qiáng)度調(diào)制器(MZM)的測頻[6-9]、基于相位調(diào)制器的測頻[10-11]，以及基于偏振調(diào)制器的測頻[12]采用(POLM)等。這些方法各有優(yōu)缺點，其中最突出的缺點是測頻方式復(fù)雜，工程實現(xiàn)困難。因此，本文研究基于幅度比較的光子測頻方法。這種測頻方法相對容易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理相對簡單。

1 基于幅度比較的光子測頻原理

1.1 基于幅度比較的光子測頻系統(tǒng)架構(gòu)

基于微波光子技術(shù)實現(xiàn)對雷達(dá)信號頻率參數(shù)的測量需要把待測試的雷達(dá)射頻信號利用調(diào)制器調(diào)制到光波上，通過激光器、調(diào)制器、耦合器和光纖濾波器等搭載的光鏈路得到一個與雷達(dá)信號頻率相關(guān)的幅度比值函數(shù)，進(jìn)而得到不同雷達(dá)信號頻率與幅度的變化曲線，最終實現(xiàn)待測信號頻率的測量。本文采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1所示，本文采用兩種不同斜率的光纖光柵實現(xiàn)對雷達(dá)信號頻率的測量。激光器發(fā)出連續(xù)光信號進(jìn)入相位調(diào)制器中，雷達(dá)的射頻信號通過相位調(diào)制器調(diào)制至光載波上。相位調(diào)制器通過50∶50的耦合器分成上下兩路，上路通過一個斜率為α的布拉格光纖光柵和探測器實現(xiàn)相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換，下路通過一個斜率為β的布拉格光纖光柵和探測器來實現(xiàn)相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換。對兩路信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到不同雷達(dá)信號頻率和幅度值的曲線，最終實現(xiàn)對雷達(dá)信號頻率的測量。

1.2 基于幅度比較的光子測頻原理

經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器輸出的雙邊帶信號可以表示[13]為

(1)

通過光探測器得到的光譜的電流大小為

(2)

接收到的RF信號在頻率為fm的功率為

(3)

如圖1所示，雷達(dá)射頻信號被調(diào)制到光信號后通過耦合器分成兩路，上下兩路通過不同的斜率的光纖光柵實現(xiàn)不同的相位到強(qiáng)度的調(diào)制轉(zhuǎn)換。本文以其中一路為例闡述測量原理。對于進(jìn)入到布拉格光纖光柵的光信號，其透射譜的斜邊滿足如圖2所示的曲線。

P(fm)=P(f0)+αfm=P0+αfm

(4)

式中，P0為光載波的衰減量，α為FBG透射頻率響應(yīng)特性曲線的斜率。

經(jīng)過光纖光柵的光載波信號和兩個一階邊帶的幅度可表示為

(5)

(6)

(7)

則公式(1)可表示為

(8)

經(jīng)過探測器檢測到的光電流大小為

(9)

接收到的雷達(dá)射頻信號在頻率fm的功率為

PRF1∝10P0/10[10(P0+αfm)/20-10(P0-αfm)/20]2

(10)

同理，在下路中接收到的雷達(dá)射頻信號在頻率fm的功率為

PRF2∝10P0/10[10(P0+βfm)/20-10(P0-βfm)/20]2

(11)

將上下兩路光探測器上得到的信號功率相比較可得

γ=[10αfm/20-10-αfm/20]2/[10βfm/20-10-βfm/20]2

(12)

綜上所述，只需要比較兩個光路的功率差就可以確定雷達(dá)信號的頻率信息。利用不同折射率的光纖光柵進(jìn)行相位-強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換后，上下兩路的功率差值和雷達(dá)信號頻率的函數(shù)曲線在整個頻段取值范圍之內(nèi)都是單調(diào)的，因此可以對雷達(dá)信號的頻率進(jìn)行測量。本文利用OptiSystem軟件仿真搭建基于微波光子的頻率測量系統(tǒng)，得到雷達(dá)信號頻率與幅度差值的曲線關(guān)系，如圖3所示。

由圖3可以看出，雷達(dá)信號頻率與幅度差值存在一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，可以通過該方法進(jìn)行信號頻率的測量。

2 基于幅度比較的光子測頻性能仿真分析

本文通過OptiSystem軟件完成對基于微波光子的寬帶頻率測量方法和測頻性能進(jìn)行仿真驗證。仿真系統(tǒng)框圖如圖4所示。

在基于幅度比較的光子測頻系統(tǒng)中，調(diào)制器的半波電壓和光纖布拉格光柵的中心波長是影響其測頻性能的主要參數(shù)。下面針對這兩個參數(shù)的影響進(jìn)行仿真研究。仿真中選取的激光器輸出功率為0 dBm，波長為1 550 nm，射頻信號從0.5變化到40 GHz，兩個光纖布拉格光柵的中心波長分別為1 550 nm和1 550.1 nm。

圖5為調(diào)制器不同半波電壓下的幅度比較功率隨頻率變化曲線。

由圖5可以看出，幅度比較功率隨頻率和半波電壓的變化而變化。在半波電壓小于3 V時幅度比較功率隨頻率的變化呈單調(diào)變化，而當(dāng)調(diào)制器半波電壓大于4 V時幅度比較功率隨頻率增大不再呈現(xiàn)單調(diào)變化，也即半波電壓增大會在限制了測頻的測頻范圍。在半波電壓為4 V時最大可測量頻率約為18 GHz，當(dāng)半波電壓增大至5 V時最大可測量頻率減小至16 GHz。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)結(jié)合最大測量頻率，選擇合適的調(diào)制器半波電壓。

光柵中心波長會影響信號的傳輸特性。圖6為兩路光纖光柵之間中心波長變化下的幅度比較功率隨頻率變化曲線，此時半波電壓為2 V。

由圖6可以看出，幅度比較功率輸出隨頻率和不同光柵波長差的變化而變化，均呈單調(diào)變化，而隨著波長差的增大幅度比較功率輸出變大。因此，在進(jìn)行頻率測量時，應(yīng)當(dāng)選擇合適的波長差。

通過上面的仿真研究可以得出，該方法可以實現(xiàn)0～40 GHz信號的測頻。不過該方法要想實現(xiàn)較高的測頻精度，必須增大幅度比較功率的變化范圍，在工程應(yīng)用時可以通過合理地選擇調(diào)制器的半波電壓和光纖布拉格光柵的中心波長等參數(shù)來實現(xiàn)。另外，在工程應(yīng)用時，激光器和調(diào)制器偏置點隨溫度的漂移及因激光器RIN和線寬等帶來的噪聲也會影響測頻的性能。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，必須選取窄線寬、低RIN的激光器，并且考慮對激光器和調(diào)制器的溫漂進(jìn)行實時監(jiān)視和補(bǔ)償?shù)拇胧?/p>

3 結(jié)束語

本文研究了基于幅度比較的光子測頻系統(tǒng)，首先分析了其測頻原理，然后對半波電壓和不同光柵波長差的影響進(jìn)行了仿真研究。通過仿真分析表明，通過合理的選取可以實現(xiàn)寬帶的信號頻率的測量，為微波信號頻率測量提供了一種大帶寬和小體積的基于光子學(xué)的解決方案。