基于拍頻調制技術的微波/紅外/激光三模式目標模擬信號源

賈青松，李 建，王愛華，趙亞南，張豐收

（1.上海航天控制技術研究所，上海 201109；2.紅外探測技術研發中心，上海 201109；3.上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引 言

20世紀70年代起，精確制導技術廣泛應用于多種武器系統，在國防建設和現代戰爭中具有越來越重要的地位［1-3］。為提高武器系統的作戰性能，增強導彈的作用距離和命中精度，具備多模式信息融合體制的精確制導方式成為武器系統發展的主流［4-9］。隨著精確制導武器的逐步發展，為了減少外場實驗次數，節約成本，迫切需要在實驗室條件下實現各種精確制導武器的半實物仿真實驗，而半實物仿真系統的核心器件為具備多種信息輻射特性的目標模擬信號源。

目標模擬信號源作為復合制導系統半實物仿真不可或缺的組成部分，跨越了“射頻”和“光學”兩個領域，是當前仿真研究的難點和重點，吸引了國內外學者的廣泛注意。美國、德國、日本、以色列等國在20世紀80年代開始提出射頻／光學復合制導半實物仿真的概念，20 世紀90年代開始，國內開始開展此方面的研究，提出了多種與國外類似的射頻／光學復合目標源方案，直到21 世紀復合目標源的設計才逐漸完善。國內復合目標源多為微波和紅外兩種模式的復合，采用分離式的微波源和紅外源，通過波束合成器合成為同軸復合信號，北京理工大學于2015年通過上述方法實現了具有微波輻射特性和紅外輻射特性的復合目標源。國外已開展三模式仿真系統的研究，目前已知的三模式復合仿真系統是美國陸軍導彈司令部的三模式復合制導仿真系統，該系統采用微波、紅外和激光3 種系統仿真模塊，利用波束合成器［10］實現毫米波信號、紅外信號和激光信號的同軸復合輸出。

上述傳統的多模式目標源模擬系統方案均采用微波源、紅外源和激光源3個獨立模塊的系統集成，微波源采用微波信號發生器，紅外源采用黑體或電阻陣，激光源采用激光器。集成后的多模式目標源模擬系統重量和體積較大，對承載目標模擬系統的運動結構有很高的性能要求，存在結構復雜、成本高昂和使用不便的缺點，如何產生結構簡單、成本低廉的多模式目標模擬系統成為近年來半實物仿真系統研究的熱點。本文提出了一種基于拍頻調制技術的三模式目標模擬系統，利用光外差法、任意波形發生器和調制器產生帶有調制信息的微波信號，且產生的微波信號具有頻率高、線寬窄等優點［11-14］；同時，利用激光信號和紅外信號轉換模塊產生紅外信號［15-16］，利用種子源激光器、任意波形發生器和調制器產生帶有調制信息的激光信號，滿足了用戶對半實物仿真系統目標源應同時具備微波輻射特性、紅外輻射特性和激光輻射特性的需求，避免了現有半實物仿真系統多模式目標源存在的缺點。本文提出的三模式目標模擬系統主要采用光纖器件組成，由于光波的頻率遠高于普通電磁波的頻率且光信號被約束在光纖內部傳輸，相互之間不會產生串擾，因此與電信號相比，具有結構簡單、成本低廉、抗干擾性能強和可靠高等優點，在半實物仿真領域具有巨大的應用前景。

1 多模式信號模擬系統構建

基于拍頻調制技術的微波信號、紅外信號和激光信號三模式目標模擬系統結構和實驗圖如圖1所示。為保證整個系統的穩定性，本文所選用的光纖器件均為單模保偏光纖。結構中首先采用兩個波長可調諧的激光器（Tektronix OM2210）作為光源，用于產生高品質的微波信號和激光信號；為實現在微波信號和激光信號上完成調制信息的加載，結構中采用任意波形發生器（Keysight M8190A）和馬赫-曾德爾調制器（IXblue）；為產生紅外信號，結構中引入激光信號和紅外信號轉換模塊，同時還引入多個信號放大器和耦合器用于保證整個系統的性能和信號流向。當產生微波信號時，調節可調諧激光器1輸出光信號1的波長為1 550.00 nm，經過光信號放大器1（HOYATEKHY-EDFA）放大后進入馬赫-曾德爾調制器，任意波形發生器的信號經微波放大器1放大后驅動馬赫-曾德爾調制器，進而完成在光信號1上加載調制信息；加載調制信息后的光信號1被3 dB耦合器1等分成兩部分，其中一路進入3 dB耦合器2與可調諧激光器2產生的光信號2合束，通過實驗室自研的光電探測器進行光電轉換后產生帶有調制信息的高頻微波信號，通過高通濾波器濾除低頻調制分量的干擾后經過微波放大器2和微波發射天線發射。當產生激光信號時，利用3 dB耦合器1的另外一路帶有調制信息的光信號1，經過光信號放大器2放大后產生激光信號輸出。當產生紅外信號時，使經過光信號放大器1放大后的光信號1通過擴束鏡進入激光信號和紅外信號轉換模塊，使激光信號轉換為紅外信號。通過上述方法可實現微波信號、紅外信號和激光信號三模式信號源的產生。本文通過光譜分析儀（OSA，APEX AP2443B）觀測所產生的調制光信號的光譜信息，通過示波器（OSC，Agilent DSO-X 93204A）和頻譜分析儀（Agilent N9010A）觀測所產生的微波信號的時域和頻域信息。

圖1 三模式目標模擬系統及實驗圖Fig.1 Three-mode target simulation system and its experiment

2 實驗結果與分析

2.1 微波信號模式

利用光外差法產生高頻微波信號，光外差法產生微波信號的原理如圖2 所示，其基本原理是功率相同的頻率分別為ω1和ω2的兩束光信號通過光電探測器進行拍頻探測，得到頻率為（ω2-ω1）的高頻微波信號。假定兩束入射的光信號分別為

式 中：A為幅值；φ1和φ2為相 位，φ1＝λ代表波長，ΔL代表光程差，φ10和φ20為初相。則入射到光電探測器上的總光場E可以表述為：

因為光電探測器的響應與光電場的平方成正比例關系，所以光電探測器上的響應光電流可以表達為

式中：α代表光電探測器的光電響應系數。

通過式（4）可以看出，拍頻探測后的信號包括倍頻分量、直流分量、和頻分量和差頻分量，其中和頻分量和倍頻分量由于頻率過高導致光電探測器無法響應。只有差頻分量的值小于光電探測器的截止響應頻率，因此濾除直流分量后即可得到兩個光信號的差頻分量，實現光域到頻域的轉換。圖2 為光外差法產生微波信號原理圖。

圖2 光外差法產生微波信號原理圖Fig.2 The schematic diagram of microwave signal generated by optical heterodyne method

通過調節可調諧激光器1 和可調諧激光器2 的波長間隔，可實現不同大小的高頻微波信號產生。將可調諧激光器1 和可調諧激光器2 的波長間隔分別設置為0.08 nm、0.16 nm、0.24 nm 和0.32 nm，通過光電探測器對上述波長間隔的雙波長激光信號進行光電轉換，可以獲得10 GHz、20 GHz、30 GHz和40 GHz的高頻微波信號，實驗結果如圖3所示。

圖3 高頻微波信號Fig.3 High frequency microwave signal

要想作為優質的半實物仿真系統微波模擬源，產生的微波信號除了具備頻率可調諧功能以外，還應具備波形、重頻和脈寬的調諧功能，本文提出一種拍頻調制技術來實現微波信號波形、重頻和脈寬的調諧。為了驗證拍頻調制技術的正確性，利用Opticsystem 軟件對拍頻調制技術結合光外差法產生帶有調制信息的高頻微波信號進行理論仿真分析。仿真原理如圖4（a）所示，設定激光器1 和激光器2 的輸出波長分別為1 550.00 nm和1 550.08 nm，采用馬赫-曾德光強度調制器對激光器1 加載1 Gbps 的強度調制，經過強度調制后的激光信號1 與未經過強度調制的激光信號2 通過耦合器合束后，通過光電探測器和截止頻率為1.5 GHz的高通濾波器濾出低頻調制分量干擾后的信號分別被輸入頻譜儀和示波器，可觀測出如圖4（b）和圖4（c）所示的仿真結果輸出。由圖4（b）可知，在中心頻率兩側出現以調制頻率為間隔的調制邊帶；由圖4（c）可知，載波頻率已被調制頻率所調制，理論仿真說明通過上述方法可實現帶有調制信息的微波信號產生。

圖4 仿真原理及結果圖Fig.4 Simulation principle and result diagram

對上述理論仿真模型進行實驗驗證，利用任意波形發生器驅動馬赫-曾德爾調制器對可調諧激光器1輸出的激光信號加載調制信息，并與可調諧激光器2發出的激光信號在耦合器2 中合束，合束之后單路加載調制信息的雙波長激光信號通過光電探測器進行光電轉換，并通過高通濾波器濾除低頻調制分量的干擾后分別送入頻譜儀和示波器進行觀測，結果如圖5（a）和5（b）所示。由圖5（a）可以看出，在中心頻率兩側出現以調制頻率為間隔的調制邊帶；由圖5（b）可以看出，載波頻率已被調制頻率所調制，這說明在產生的微波信號上已完成調制信息的加載。通過上述方法，只需改變雙波長激光信號的波長間隔和改變任意波形發生器的調制方式即可實現任意頻率、波形、重頻和脈寬的高頻微波信號產生。

圖5 帶有調制信息的高頻微波信號Fig.5 High frequency microwave signal with modulation information

2.2 紅外信號模式

光信號1通過光信號放大器1放大后進入擴束鏡，如圖6（a）所示，經擴束鏡后照射到激光信號和紅外信號轉換模塊上，激光信號和紅外信號轉換模塊的作用是實現光-熱-光的轉化，激光信號照射到轉換模塊上產生熱能，熱能轉換為向外輻射的紅外信號，由于激光信號具有線寬窄、光譜輻射出射度高等優點，因此轉換模塊上的表觀溫度很高，具有很強的紅外輻射特性；通過熱像儀觀測到的紅外目標光斑如圖6（b）所示，通過調節光信號放大器2 的輸出功率可實現紅外信號的溫度調諧。由于本系統采用的光信號放大器2 的最大輸出功率僅為1W，因此熱像儀最高可觀測到230℃的紅外信號。

圖6 擴束鏡及紅外目標光斑Fig.6 Beam expander and infrared target spot

2.3 激光信號模式

利用任意波形發生器和調制器在可調諧激光器1輸出的光信號1上加載調制信息，可直接產生帶有調制信息的激光信號，分別對可調諧激光器1輸出的光信號1加載10 Gbps的強度調制正弦模擬信號和10 Gbps的強度調制偽隨機數字信號，輸出的光譜分別如圖7（a）和7（b）所示，調制邊帶間隔均為10 GHz。從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，兩種調制方式的輸出光譜形狀存在明顯差異。這是因為偽隨機數字信號的頻譜3 dB衰減在旁瓣處，而正弦模擬信號的復頻域信號是沖激信號，也就是說正弦信號能量與偽隨機數字信號相比在頻域上更加集中，進而造成經過正弦強度調制和偽隨機數字信號調制的輸出光譜存在明顯差異。

圖7 帶有調制信息的激光信號Fig.7 Laser signal with modulation information

3 結束語

本文提出并實現了一種基于拍頻調制技術產生微波信號、紅外信號和激光信號的三模式目標模擬系統。微波信號模式時，最高可產生40 GHz帶有調制信息的高頻微波信號；紅外信號模式時，可產生溫度高達230℃的紅外信號，并可通過調節輸出激光信號功率的方法實現紅外信號的溫度調諧；激光信號模式時，最高可產生10 Gbps 調制速率的激光信號。該系統可以實現微波信號、紅外信號和激光信號三種發射模式，產生的信號調諧性好、信息加載方式靈活。且該系統主要采用光纖器件組成，具有結構簡單、成本低廉和抗干擾性強等特點，應用前景廣泛。