基于拍频调制技术的微波/红外/激光三模式目标模拟信号源

贾青松，李 建，王爱华，赵亚南，张丰收

（1.上海航天控制技术研究所，上海 201109；2.红外探测技术研发中心，上海 201109；3.上海机电工程研究所，上海 201109）

0 引 言

20世纪70年代起，精确制导技术广泛应用于多种武器系统，在国防建设和现代战争中具有越来越重要的地位［1-3］。为提高武器系统的作战性能，增强导弹的作用距离和命中精度，具备多模式信息融合体制的精确制导方式成为武器系统发展的主流［4-9］。随着精确制导武器的逐步发展，为了减少外场实验次数，节约成本，迫切需要在实验室条件下实现各种精确制导武器的半实物仿真实验，而半实物仿真系统的核心器件为具备多种信息辐射特性的目标模拟信号源。

目标模拟信号源作为复合制导系统半实物仿真不可或缺的组成部分，跨越了“射频”和“光学”两个领域，是当前仿真研究的难点和重点，吸引了国内外学者的广泛注意。美国、德国、日本、以色列等国在20世纪80年代开始提出射频／光学复合制导半实物仿真的概念，20 世纪90年代开始，国内开始开展此方面的研究，提出了多种与国外类似的射频／光学复合目标源方案，直到21 世纪复合目标源的设计才逐渐完善。国内复合目标源多为微波和红外两种模式的复合，采用分离式的微波源和红外源，通过波束合成器合成为同轴复合信号，北京理工大学于2015年通过上述方法实现了具有微波辐射特性和红外辐射特性的复合目标源。国外已开展三模式仿真系统的研究，目前已知的三模式复合仿真系统是美国陆军导弹司令部的三模式复合制导仿真系统，该系统采用微波、红外和激光3 种系统仿真模块，利用波束合成器［10］实现毫米波信号、红外信号和激光信号的同轴复合输出。

上述传统的多模式目标源模拟系统方案均采用微波源、红外源和激光源3个独立模块的系统集成，微波源采用微波信号发生器，红外源采用黑体或电阻阵，激光源采用激光器。集成后的多模式目标源模拟系统重量和体积较大，对承载目标模拟系统的运动结构有很高的性能要求，存在结构复杂、成本高昂和使用不便的缺点，如何产生结构简单、成本低廉的多模式目标模拟系统成为近年来半实物仿真系统研究的热点。本文提出了一种基于拍频调制技术的三模式目标模拟系统，利用光外差法、任意波形发生器和调制器产生带有调制信息的微波信号，且产生的微波信号具有频率高、线宽窄等优点［11-14］；同时，利用激光信号和红外信号转换模块产生红外信号［15-16］，利用种子源激光器、任意波形发生器和调制器产生带有调制信息的激光信号，满足了用户对半实物仿真系统目标源应同时具备微波辐射特性、红外辐射特性和激光辐射特性的需求，避免了现有半实物仿真系统多模式目标源存在的缺点。本文提出的三模式目标模拟系统主要采用光纤器件组成，由于光波的频率远高于普通电磁波的频率且光信号被约束在光纤内部传输，相互之间不会产生串扰，因此与电信号相比，具有结构简单、成本低廉、抗干扰性能强和可靠高等优点，在半实物仿真领域具有巨大的应用前景。

1 多模式信号模拟系统构建

基于拍频调制技术的微波信号、红外信号和激光信号三模式目标模拟系统结构和实验图如图1所示。为保证整个系统的稳定性，本文所选用的光纤器件均为单模保偏光纤。结构中首先采用两个波长可调谐的激光器（Tektronix OM2210）作为光源，用于产生高品质的微波信号和激光信号；为实现在微波信号和激光信号上完成调制信息的加载，结构中采用任意波形发生器（Keysight M8190A）和马赫-曾德尔调制器（IXblue）；为产生红外信号，结构中引入激光信号和红外信号转换模块，同时还引入多个信号放大器和耦合器用于保证整个系统的性能和信号流向。当产生微波信号时，调节可调谐激光器1输出光信号1的波长为1 550.00 nm，经过光信号放大器1（HOYATEKHY-EDFA）放大后进入马赫-曾德尔调制器，任意波形发生器的信号经微波放大器1放大后驱动马赫-曾德尔调制器，进而完成在光信号1上加载调制信息；加载调制信息后的光信号1被3 dB耦合器1等分成两部分，其中一路进入3 dB耦合器2与可调谐激光器2产生的光信号2合束，通过实验室自研的光电探测器进行光电转换后产生带有调制信息的高频微波信号，通过高通滤波器滤除低频调制分量的干扰后经过微波放大器2和微波发射天线发射。当产生激光信号时，利用3 dB耦合器1的另外一路带有调制信息的光信号1，经过光信号放大器2放大后产生激光信号输出。当产生红外信号时，使经过光信号放大器1放大后的光信号1通过扩束镜进入激光信号和红外信号转换模块，使激光信号转换为红外信号。通过上述方法可实现微波信号、红外信号和激光信号三模式信号源的产生。本文通过光谱分析仪（OSA，APEX AP2443B）观测所产生的调制光信号的光谱信息，通过示波器（OSC，Agilent DSO-X 93204A）和频谱分析仪（Agilent N9010A）观测所产生的微波信号的时域和频域信息。

图1 三模式目标模拟系统及实验图Fig.1 Three-mode target simulation system and its experiment

2 实验结果与分析

2.1 微波信号模式

利用光外差法产生高频微波信号，光外差法产生微波信号的原理如图2 所示，其基本原理是功率相同的频率分别为ω1和ω2的两束光信号通过光电探测器进行拍频探测，得到频率为（ω2-ω1）的高频微波信号。假定两束入射的光信号分别为

式 中：A为幅值；φ1和φ2为相 位，φ1＝λ代表波长，ΔL代表光程差，φ10和φ20为初相。则入射到光电探测器上的总光场E可以表述为：

因为光电探测器的响应与光电场的平方成正比例关系，所以光电探测器上的响应光电流可以表达为

式中：α代表光电探测器的光电响应系数。

通过式（4）可以看出，拍频探测后的信号包括倍频分量、直流分量、和频分量和差频分量，其中和频分量和倍频分量由于频率过高导致光电探测器无法响应。只有差频分量的值小于光电探测器的截止响应频率，因此滤除直流分量后即可得到两个光信号的差频分量，实现光域到频域的转换。图2 为光外差法产生微波信号原理图。

图2 光外差法产生微波信号原理图Fig.2 The schematic diagram of microwave signal generated by optical heterodyne method

通过调节可调谐激光器1 和可调谐激光器2 的波长间隔，可实现不同大小的高频微波信号产生。将可调谐激光器1 和可调谐激光器2 的波长间隔分别设置为0.08 nm、0.16 nm、0.24 nm 和0.32 nm，通过光电探测器对上述波长间隔的双波长激光信号进行光电转换，可以获得10 GHz、20 GHz、30 GHz和40 GHz的高频微波信号，实验结果如图3所示。

图3 高频微波信号Fig.3 High frequency microwave signal

要想作为优质的半实物仿真系统微波模拟源，产生的微波信号除了具备频率可调谐功能以外，还应具备波形、重频和脉宽的调谐功能，本文提出一种拍频调制技术来实现微波信号波形、重频和脉宽的调谐。为了验证拍频调制技术的正确性，利用Opticsystem 软件对拍频调制技术结合光外差法产生带有调制信息的高频微波信号进行理论仿真分析。仿真原理如图4（a）所示，设定激光器1 和激光器2 的输出波长分别为1 550.00 nm和1 550.08 nm，采用马赫-曾德光强度调制器对激光器1 加载1 Gbps 的强度调制，经过强度调制后的激光信号1 与未经过强度调制的激光信号2 通过耦合器合束后，通过光电探测器和截止频率为1.5 GHz的高通滤波器滤出低频调制分量干扰后的信号分别被输入频谱仪和示波器，可观测出如图4（b）和图4（c）所示的仿真结果输出。由图4（b）可知，在中心频率两侧出现以调制频率为间隔的调制边带；由图4（c）可知，载波频率已被调制频率所调制，理论仿真说明通过上述方法可实现带有调制信息的微波信号产生。

图4 仿真原理及结果图Fig.4 Simulation principle and result diagram

对上述理论仿真模型进行实验验证，利用任意波形发生器驱动马赫-曾德尔调制器对可调谐激光器1输出的激光信号加载调制信息，并与可调谐激光器2发出的激光信号在耦合器2 中合束，合束之后单路加载调制信息的双波长激光信号通过光电探测器进行光电转换，并通过高通滤波器滤除低频调制分量的干扰后分别送入频谱仪和示波器进行观测，结果如图5（a）和5（b）所示。由图5（a）可以看出，在中心频率两侧出现以调制频率为间隔的调制边带；由图5（b）可以看出，载波频率已被调制频率所调制，这说明在产生的微波信号上已完成调制信息的加载。通过上述方法，只需改变双波长激光信号的波长间隔和改变任意波形发生器的调制方式即可实现任意频率、波形、重频和脉宽的高频微波信号产生。

图5 带有调制信息的高频微波信号Fig.5 High frequency microwave signal with modulation information

2.2 红外信号模式

光信号1通过光信号放大器1放大后进入扩束镜，如图6（a）所示，经扩束镜后照射到激光信号和红外信号转换模块上，激光信号和红外信号转换模块的作用是实现光-热-光的转化，激光信号照射到转换模块上产生热能，热能转换为向外辐射的红外信号，由于激光信号具有线宽窄、光谱辐射出射度高等优点，因此转换模块上的表观温度很高，具有很强的红外辐射特性；通过热像仪观测到的红外目标光斑如图6（b）所示，通过调节光信号放大器2 的输出功率可实现红外信号的温度调谐。由于本系统采用的光信号放大器2 的最大输出功率仅为1W，因此热像仪最高可观测到230℃的红外信号。

图6 扩束镜及红外目标光斑Fig.6 Beam expander and infrared target spot

2.3 激光信号模式

利用任意波形发生器和调制器在可调谐激光器1输出的光信号1上加载调制信息，可直接产生带有调制信息的激光信号，分别对可调谐激光器1输出的光信号1加载10 Gbps的强度调制正弦模拟信号和10 Gbps的强度调制伪随机数字信号，输出的光谱分别如图7（a）和7（b）所示，调制边带间隔均为10 GHz。从图7（a）和图7（b）中可以看出，两种调制方式的输出光谱形状存在明显差异。这是因为伪随机数字信号的频谱3 dB衰减在旁瓣处，而正弦模拟信号的复频域信号是冲激信号，也就是说正弦信号能量与伪随机数字信号相比在频域上更加集中，进而造成经过正弦强度调制和伪随机数字信号调制的输出光谱存在明显差异。

图7 带有调制信息的激光信号Fig.7 Laser signal with modulation information

3 结束语

本文提出并实现了一种基于拍频调制技术产生微波信号、红外信号和激光信号的三模式目标模拟系统。微波信号模式时，最高可产生40 GHz带有调制信息的高频微波信号；红外信号模式时，可产生温度高达230℃的红外信号，并可通过调节输出激光信号功率的方法实现红外信号的温度调谐；激光信号模式时，最高可产生10 Gbps 调制速率的激光信号。该系统可以实现微波信号、红外信号和激光信号三种发射模式，产生的信号调谐性好、信息加载方式灵活。且该系统主要采用光纤器件组成，具有结构简单、成本低廉和抗干扰性强等特点，应用前景广泛。