基于幅度比较的电子战宽带光子测频性能研究

2018-10-12余博昌周其超

雷达与对抗 2018年3期

余博昌，周其超

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225001)

0 引言

在现代电子对抗战争中，雷达在获取敌方信息和精确引导上发挥着重要的作用。如何快速地获取敌方雷达发射的信号参数，包括载频信息，成为电子战中的关键因素之一。传统的基于电子器件的微波频率测量技术较为成熟。但是，该技术结构复杂，测量带宽窄。随着毫米波雷达的快速应用，传统的基于电子器件的瞬时测频技术难以实现超宽带微波信号频率测量。近年来，由于微波光子学技术的快速发展，光子器件也具有了质量轻、体积小、大带宽、低损耗和抗电磁干扰等优点，所以利用微波光子技术逐渐成为替代传统电子技术的手段之一，其中基于光子学技术的微波频率测量技术被认为是未来电子战中处理雷达信号的先进方法之一。[1-5]

目前，基于微波光子测频的方法非常多，如基于强度调制器(MZM)的测频[6-9]、基于相位调制器的测频[10-11]，以及基于偏振调制器的测频[12]采用(POLM)等。这些方法各有优缺点，其中最突出的缺点是测频方式复杂，工程实现困难。因此，本文研究基于幅度比较的光子测频方法。这种测频方法相对容易实现，数据处理相对简单。

1 基于幅度比较的光子测频原理

1.1 基于幅度比较的光子测频系统架构

基于微波光子技术实现对雷达信号频率参数的测量需要把待测试的雷达射频信号利用调制器调制到光波上，通过激光器、调制器、耦合器和光纤滤波器等搭载的光链路得到一个与雷达信号频率相关的幅度比值函数，进而得到不同雷达信号频率与幅度的变化曲线，最终实现待测信号频率的测量。本文采用的系统结构图如图1所示。

如图1所示，本文采用两种不同斜率的光纤光栅实现对雷达信号频率的测量。激光器发出连续光信号进入相位调制器中，雷达的射频信号通过相位调制器调制至光载波上。相位调制器通过50∶50的耦合器分成上下两路，上路通过一个斜率为α的布拉格光纤光栅和探测器实现相位调制到强度调制的转换，下路通过一个斜率为β的布拉格光纤光栅和探测器来实现相位调制到强度调制的转换。对两路信号进行数据处理得到不同雷达信号频率和幅度值的曲线，最终实现对雷达信号频率的测量。

1.2 基于幅度比较的光子测频原理

经过强度调制器输出的双边带信号可以表示[13]为

(1)

通过光探测器得到的光谱的电流大小为

(2)

接收到的RF信号在频率为fm的功率为

(3)

如图1所示，雷达射频信号被调制到光信号后通过耦合器分成两路，上下两路通过不同的斜率的光纤光栅实现不同的相位到强度的调制转换。本文以其中一路为例阐述测量原理。对于进入到布拉格光纤光栅的光信号，其透射谱的斜边满足如图2所示的曲线。

P(fm)=P(f0)+αfm=P0+αfm

(4)

式中，P0为光载波的衰减量，α为FBG透射频率响应特性曲线的斜率。

经过光纤光栅的光载波信号和两个一阶边带的幅度可表示为

(5)

(6)

(7)

则公式(1)可表示为

(8)

经过探测器检测到的光电流大小为

(9)

接收到的雷达射频信号在频率fm的功率为

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

(10)

同理，在下路中接收到的雷达射频信号在频率fm的功率为

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

(11)

将上下两路光探测器上得到的信号功率相比较可得

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

(12)

综上所述，只需要比较两个光路的功率差就可以确定雷达信号的频率信息。利用不同折射率的光纤光栅进行相位-强度调制的转换后，上下两路的功率差值和雷达信号频率的函数曲线在整个频段取值范围之内都是单调的，因此可以对雷达信号的频率进行测量。本文利用OptiSystem软件仿真搭建基于微波光子的频率测量系统，得到雷达信号频率与幅度差值的曲线关系，如图3所示。

由图3可以看出，雷达信号频率与幅度差值存在一一对应的关系。因此，可以通过该方法进行信号频率的测量。

2 基于幅度比较的光子测频性能仿真分析

本文通过OptiSystem软件完成对基于微波光子的宽带频率测量方法和测频性能进行仿真验证。仿真系统框图如图4所示。

在基于幅度比较的光子测频系统中，调制器的半波电压和光纤布拉格光栅的中心波长是影响其测频性能的主要参数。下面针对这两个参数的影响进行仿真研究。仿真中选取的激光器输出功率为0 dBm，波长为1 550 nm，射频信号从0.5变化到40 GHz，两个光纤布拉格光栅的中心波长分别为1 550 nm和1 550.1 nm。

图5为调制器不同半波电压下的幅度比较功率随频率变化曲线。

由图5可以看出，幅度比较功率随频率和半波电压的变化而变化。在半波电压小于3 V时幅度比较功率随频率的变化呈单调变化，而当调制器半波电压大于4 V时幅度比较功率随频率增大不再呈现单调变化，也即半波电压增大会在限制了测频的测频范围。在半波电压为4 V时最大可测量频率约为18 GHz，当半波电压增大至5 V时最大可测量频率减小至16 GHz。因此，在进行系统设计时，应当结合最大测量频率，选择合适的调制器半波电压。

光栅中心波长会影响信号的传输特性。图6为两路光纤光栅之间中心波长变化下的幅度比较功率随频率变化曲线，此时半波电压为2 V。

由图6可以看出，幅度比较功率输出随频率和不同光栅波长差的变化而变化，均呈单调变化，而随着波长差的增大幅度比较功率输出变大。因此，在进行频率测量时，应当选择合适的波长差。

通过上面的仿真研究可以得出，该方法可以实现0～40 GHz信号的测频。不过该方法要想实现较高的测频精度，必须增大幅度比较功率的变化范围，在工程应用时可以通过合理地选择调制器的半波电压和光纤布拉格光栅的中心波长等参数来实现。另外，在工程应用时，激光器和调制器偏置点随温度的漂移及因激光器RIN和线宽等带来的噪声也会影响测频的性能。因此，在系统设计时，必须选取窄线宽、低RIN的激光器，并且考虑对激光器和调制器的温漂进行实时监视和补偿的措施。