基于幅度比較的電子戰寬帶光子測頻性能研究

余博昌，周其超

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

0 引 言

在現代電子對抗戰爭中，雷達在獲取敵方信息和精確引導上發揮著重要的作用。如何快速地獲取敵方雷達發射的信號參數，包括載頻信息，成為電子戰中的關鍵因素之一。傳統的基于電子器件的微波頻率測量技術較為成熟。但是，該技術結構復雜，測量帶寬窄。隨著毫米波雷達的快速應用，傳統的基于電子器件的瞬時測頻技術難以實現超寬帶微波信號頻率測量。近年來，由于微波光子學技術的快速發展，光子器件也具有了質量輕、體積小、大帶寬、低損耗和抗電磁干擾等優點，所以利用微波光子技術逐漸成為替代傳統電子技術的手段之一，其中基于光子學技術的微波頻率測量技術被認為是未來電子戰中處理雷達信號的先進方法之一。[1-5]

目前，基于微波光子測頻的方法非常多，如基于強度調制器(MZM)的測頻[6-9]、基于相位調制器的測頻[10-11]，以及基于偏振調制器的測頻[12]采用(POLM)等。這些方法各有優缺點，其中最突出的缺點是測頻方式復雜，工程實現困難。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，數據處理相對簡單。

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架構

基于微波光子技術實現對雷達信號頻率參數的測量需要把待測試的雷達射頻信號利用調制器調制到光波上，通過激光器、調制器、耦合器和光纖濾波器等搭載的光鏈路得到一個與雷達信號頻率相關的幅度比值函數，進而得到不同雷達信號頻率與幅度的變化曲線，最終實現待測信號頻率的測量。本文采用的系統結構圖如圖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對雷達信號頻率的測量。激光器發出連續光信號進入相位調制器中，雷達的射頻信號通過相位調制器調制至光載波上。相位調制器通過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相位調制到強度調制的轉換，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相位調制到強度調制的轉換。對兩路信號進行數據處理得到不同雷達信號頻率和幅度值的曲線，最終實現對雷達信號頻率的測量。

1.2 基于幅度比較的光子測頻原理

經過強度調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，雷達射頻信號被調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不同的相位到強度的調制轉換。本文以其中一路為例闡述測量原理。對于進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透射頻率響應特性曲線的斜率。

經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)

經過探測器檢測到的光電流大小為

(9)

接收到的雷達射頻信號在頻率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信號的頻率信息。利用不同折射率的光纖光柵進行相位-強度調制的轉換后，上下兩路的功率差值和雷達信號頻率的函數曲線在整個頻段取值范圍之內都是單調的，因此可以對雷達信號的頻率進行測量。本文利用OptiSystem軟件仿真搭建基于微波光子的頻率測量系統，得到雷達信號頻率與幅度差值的曲線關系，如圖3所示。

由圖3可以看出，雷達信號頻率與幅度差值存在一一對應的關系。因此，可以通過該方法進行信號頻率的測量。

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行仿真驗證。仿真系統框圖如圖4所示。

在基于幅度比較的光子測頻系統中，調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。下面針對這兩個參數的影響進行仿真研究。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變化，而當調制器半波電壓大于4 V時幅度比較功率隨頻率增大不再呈現單調變化，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，在進行系統設計時，應當結合最大測量頻率，選擇合適的調制器半波電壓。

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，在進行頻率測量時，應當選擇合適的波長差。

通過上面的仿真研究可以得出，該方法可以實現0～40 GHz信號的測頻。不過該方法要想實現較高的測頻精度，必須增大幅度比較功率的變化范圍，在工程應用時可以通過合理地選擇調制器的半波電壓和光纖布拉格光柵的中心波長等參數來實現。另外，在工程應用時，激光器和調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，在系統設計時，必須選取窄線寬、低RIN的激光器，并且考慮對激光器和調制器的溫漂進行實時監視和補償的措施。

3 結束語

本文研究了基于幅度比較的光子測頻系統，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的解決方案。