CN114826395B - 光子辅助的微波信号多参数测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子辅助的微波信号多参数测量方法，对宽谱超窄光脉冲序列进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号；用两个天线获取待测微波信号的两个副本，并用这两个副本对所述啁啾光脉冲信号先、后进行载波抑制双边带电光调制，生成调制光脉冲信号；对调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号；对光脉冲信号进行光电探测；根据所生成电脉冲信号的时域特征解算出待测微波信号的频率、幅度和到达角。本发明还公开了一种光子辅助的微波信号多参数测量装置。相比现有技术，本发明可同时获取待测微波信号的频率、幅度和到达角的准确信息，且结构更简单，实时性和分辨率更高。
Description
技术领域
本发明涉及微波信号测量技术领域，尤其涉及一种基于微波光子技术的微波信号频率、幅度和到达角的测量方法。
背景技术
微波信号的到达角和幅度信息可以用于获取目标的位置和距离。目前到达角测量的电子学研究方法主要是数字测量法，首先采用模拟链路对天线接收到的模拟射频信号进行放大、滤波、混频等处理，然后采用模数转换器(ADC)将处理后的模拟信号转换为数字信号，最后采用合适的算法对转换后的数字信号进行数字处理，从而得到待测微波信号的到达角。随着待测信号中心频率和带宽的增加，由于有限的采样率，较小的器件带宽等电子瓶颈的存在，传统电子学方法难以实现宽带，实时，高分辨率的到达角测量。
光子技术具有高速处理，抗电磁干扰，大瞬时带宽等优势，可以有效地克服电子学方法面临的挑战。最近几年，人们已经提出了使用微波光子技术测量微波信号到达角的方法,目前的方法大致可以分为三类：基于光域下变频的到达角估计法，相位扫描法和相位-强度映射法。基于光域下变频的到达角估计方法(参见[Z.Zhang,M.Chen,Q.Guo,et al.“Photonic mixing approach to measure the angle-of-arrival of microwavesignals,"in 2016Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO),1-2(2016).])使用微波光子下变频器将不同天线接收到的射频信号下变频为中频信号，然后使用相位检测器测量出中频信号的相位差，最终根据此相位差和天线的空间分布反推出输入信号的到达角。然而，该方法仍需要进行中频处理，因此测量带宽依然受限。相位扫描法(参见[P.Li,L.Yan,J.Ye,et al.“Angle-of-arrival estimation of microwave signals based onoptical phase scanning,”Journal of Lightwave Technology,37(24),6048-6053(2019).])通过扫描光边带的相位，使得***输出为正弦信号，通过探测输出正弦信号的相位来反推输入信号的到达角；然而，由于需要一定的扫描时间，该方案的实时性不高。相位-强度映射法的核心思想是使两路微波信号在光域或电域完成干涉，建立相位差与***输出强度间的映射关系，通过测量***输出信号的强度来反推信号间的相位差，再结合天线的空间分布反推输入信号的到达角。2012年，X.Zou等人采用两个级联的电光调制器，实验实现了18GHz微波信号从-160°到40°范围的相位检测，误差低于±2.5°。该方案的原理如图1所示。以级联调制的方式使两个天线接收的微波信号在光域完成干涉，从而调制后光载波处的功率是待测微波信号相位差的函数。利用功率计测量光载波处的光功率，然后可以反推出相位差与输入微波信号的到达角(参见[X.Zou,W.Li,W.Pan,et al.“Photonicapproach to the measurement of time-difference-of-arrival and angle-of-arrival of a microwave signal,”Optics letters,37(4),755-757(2012).])。
上述三类基于微波光子技术测量微波信号到达角的方法均是将到达角的测量转换为相位差的测量，然而，从相位差反推时延差，进而反推到达角的过程需要信号的频率信息，因此上述方法均依赖于频率的先行测量。其中，相位-强度映射法还依赖于输入信号幅度的先行测量。为了排除光子辅助的到达角测量对频率和幅度信息的依赖性，人们又提出了一些新的方法。2020年，S.Li等人基于双并行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)和非对称马赫-曾德尔干涉仪(AMZI)的结构，通过估计输出的双音信号的频率信息，完成了对线性调频信号的啁啾率以及5°到175°范围内AOA的同时测量。该方法利用LFM信号的固有特性，不需要提前测量频率和幅度。然而，该方案仅适用于LFM信号，应用场景受限(参见[S.Li,H.Cao,X.Zheng,“Concurrent photonic measurement of angle-of-arrival and chirp rateof microwave LFM signal,”Chinese Optics Letters,18(12),123902-(2020).])。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光子辅助的微波信号多参数测量方法，可同时获取待测微波信号的频率、幅度和到达角的准确信息，且结构更简单，分辨率更高。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种光子辅助的微波信号多参数测量方法，对宽谱超窄光脉冲序列进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号；用两个空间上分立的天线获取待测微波信号的两个副本，并用这两个待测微波信号副本对所述啁啾光脉冲信号先、后进行载波抑制双边带电光调制，生成调制光脉冲信号；对所述调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号；对所述光脉冲信号进行光电探测，生成每个周期内包含有一个参考脉冲和两个信号脉冲，且两个信号脉冲关于参考脉冲对称的电脉冲信号；根据所述电脉冲信号的时域特征解算出待测微波信号的频率、幅度和到达角。
优选地，具体根据以下公式进行所述解算：
其中，ωRF、VRF、θ分别为待测微波信号的角频率、幅度和到达角；D为时域拉伸所使用色散介质的二阶色散值，α、Vπ、β分别为电光调制器的***损耗、半波电压、调制深度，Jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数，A0为宽谱超窄光脉冲的高度，A1、A2分别为一个周期的所述电脉冲信号中的信号脉冲、参考脉冲的高度，G为光电探测器的增益，Δt为一个周期的所述电脉冲信号中信号脉冲、参考脉冲的时间间隔，τ0为两个待测微波信号副本到达两个接收天线的时间差，φ为两个待测微波信号副本在第二个电光调制器中相遇并干涉时的相位差，v为光信号在两个电光调制器之间链路中的传播速度，L为两个电光调制器之间光链路的长度，k为一个整数，d为两个天线的距离。
优选地，使用二阶色散量相反的两个色散介质分别进行所述时域拉伸和时域压缩。
优选地，使用两个级联的电光调制器进行所述电光调制。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种光子辅助的微波信号多参数测量装置，包括：
时域拉伸模块，用于对宽谱超窄光脉冲序列进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号；
电光调制模块，用于用两个空间上分立的天线获取待测微波信号的两个副本，并用这两个待测微波信号副本对所述啁啾光脉冲信号先、后进行载波抑制双边带电光调制，生成调制光脉冲信号；
时域压缩模块，用于对所述调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号；
光电探测模块，用于对所述光脉冲信号进行光电探测，生成每个周期内包含有一个参考脉冲和两个信号脉冲，且两个信号脉冲关于参考脉冲对称的电脉冲信号；解算模块，用于根据所述电脉冲信号的时域特征解算出待测微波信号的频率、幅度和到达角。
优选地，解算模块具体根据以下公式进行所述解算：
其中，ωRF、VRF、θ分别为待测微波信号的角频率、幅度和到达角；D为时域拉伸模块所使用色散介质的二阶色散值，α、Vπ、β分别为电光调制器的***损耗、半波电压、调制深度，Jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数，A0为宽谱超窄光脉冲的高度，A1、A2分别为一个周期的所述电脉冲信号中的信号脉冲、参考脉冲的高度，G为光电探测器的增益，Δt为一个周期的所述电脉冲信号中信号脉冲、参考脉冲的时间间隔，τ0为两个待测微波信号副本到达两个接收天线的时间差，φ为两个待测微波信号副本在第二个电光调制器中相遇并干涉时的相位差，v为光信号在两个电光调制器之间链路中的传播速度，L为两个电光调制器之间光链路的长度，k为一个整数，d为两个天线的距离。
优选地，时域拉伸模块、时域压缩模块为两个二阶色散量相反的色散介质。
优选地，所述电光调制模块由两个级联的电光调制器构成。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于级联电光调制和光子实时傅里叶变换技术，实现了微波信号频率、幅度和到达角的同时测量，解决了现有光子辅助的到达角测量方法依赖于频率和幅度的先行测量的难题。
(2)本发明将待测微波信号的频率、幅度和到达角信息映射到***输出信号的时域波形上，通过对输出信号的时域探测，就能够得到待测微波信号的频率、幅度和到达角信息，不需要在数字域进行复杂的信号处理，***具有很高的实时性和工作频率范围。
(3)本发明将微波信号调制于±2阶边带处，与一般的将微波信号调制于±1阶边带处的光子实时傅里叶变换方法相比，***频率分辨率提升了1倍。
附图说明
图1为现有基于级联调制的微波信号到达角测量***原理示意图；
图2为本发明测量装置一个具体实施例的结构原理示意图；
图3为本发明测量装置具体实施例的仿真结果。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于级联电光调制和光子实时傅里叶变换技术，将待测微波信号的频率、幅度和到达角信息映射到***输出信号的时域波形上，通过对输出信号的时域探测，就能够同时得到待测微波信号的频率、幅度和到达角信息，解决了现有光子辅助的到达角测量方法依赖于频率和幅度的先行测量的难题；由于不需要在数字域进行复杂的信号处理，***具有很高的实时性和工作频率范围；由于采用级联方式将微波信号调制于±2阶边带处，与一般的将微波信号调制于±1阶边带处的光子实时傅里叶变换方法相比，***频率分辨率提升了1倍。
本发明所提出的光子辅助的微波信号多参数测量方法，具体如下：
对宽谱超窄光脉冲序列进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号；用两个空间上分立的天线获取待测微波信号的两个副本，并用这两个待测微波信号副本对所述啁啾光脉冲信号先、后进行载波抑制双边带电光调制，生成调制光脉冲信号；对所述调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号；对所述光脉冲信号进行光电探测，生成每个周期内包含有一个参考脉冲和两个信号脉冲，且两个信号脉冲关于参考脉冲对称的电脉冲信号；根据所述电脉冲信号的时域特征解算出待测微波信号的频率、幅度和到达角。
本发明所提出的光子辅助的微波信号多参数测量装置，包括：
时域拉伸模块，用于对宽谱超窄光脉冲序列进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号；
电光调制模块，用于用两个空间上分立的天线获取待测微波信号的两个副本，并用这两个待测微波信号副本对所述啁啾光脉冲信号先、后进行载波抑制双边带电光调制，生成调制光脉冲信号；
时域压缩模块，用于对所述调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号；
光电探测模块，用于对所述光脉冲信号进行光电探测，生成每个周期内包含有一个参考脉冲和两个信号脉冲，且两个信号脉冲关于参考脉冲对称的电脉冲信号；解算模块，用于根据所述电脉冲信号的时域特征解算出待测微波信号的频率、幅度和到达角。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图2所示，本实施例的测量装置包括：1个光脉冲发生器、1个二阶色散值为D的色散介质(本实施例中采用啁啾光纤布拉格光栅)、2个马赫曾德尔调制器、1个二阶色散值为-D的色散介质(本实施例中采用啁啾光纤布拉格光栅)、1个光电探测器，以及1个示波器。
其中，光脉冲发生器和二阶色散值为D的啁啾光纤布拉格光栅组成时域拉伸模块，用于产生宽谱超窄光脉冲序列并对其进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号。
2个级联的马赫曾德尔调制器组成电光调制模块，用于将来自两个空间上分立的天线的待测微波信号的两个副本以载波抑制双边带级联调制的方式调制于所述啁啾光脉冲信号，生成调制光脉冲信号。
1个二阶色散值为-D的啁啾光纤布拉格光栅作为时域压缩模块，用于对所述调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号。
光电探测器构成光电探测模块，用于对所述光脉冲信号进行光电探测，所生成电脉冲信号的每个周期内均包含有一个参考脉冲和两个信号脉冲，且两个信号脉冲关于参考脉冲对称。
本实施例中以示波器作为解算模块，用于探测光电转换后的电脉冲信号的时域特征，并据此解算出所述微波信号的频率、幅度和到达角信息。
光脉冲发生器产生宽谱超窄光脉冲序列，假设其脉冲宽度为tu，重复周期为T。二阶色散值分别为D和-D的啁啾光纤布拉格光栅的传输函数和单位冲激响应函数可以分别表示为H1(ω),H2(ω),h1(t),h2(t)，它们的表达式为
考虑宽谱超窄光脉冲序列中位于零时刻的一个脉冲，假设其在时域上可以表示为x0(t)，在频域上可以表示为X0(ω)，其经过二阶色散值为D的啁啾光纤布拉格光栅后，生成的脉宽增大的啁啾光脉冲信号可以表示为：
当x0(t)的脉冲宽度tu的平方远小于色散介质的二阶色散值D时，上式中，因此上式可进一步写为
从公式(3)可以看出，原宽谱超窄光脉冲经过二阶色散值为D的啁啾光纤布拉格光栅之后，输出光信号x1(t)的时域波形为X0(ω)以D为系数映射到时域，再附加上频率啁啾和一个常系数的结果；其脉冲宽度展宽为频谱宽度与色散系数D的乘积。
时域拉伸后的光脉冲信号在第一个马赫曾德尔调制器中被调制，调制器工作在抑制载波的双边带(CS-DSB)调制模式，生成的调制光脉冲信号可以表示为：
其中，α和Vπ分别为调制器的***损耗和半波电压，VRF为输入微波信号的幅度，为调制器的调制深度,ωRF为输入微波信号的角频率，Jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数。在小信号调制的情况下，只考虑1阶边带，上式可进一步写为：
在第二个马赫曾德尔调制器中，调制光脉冲信号x2(t)被另一路微波信号进一步调制，第二个马赫曾德尔调制器同样工作在CS-DSB模式，输出的调制光脉冲信号可以表示为：
简单起见，上式中假设两个马赫曾德尔调制器具有相同的半波电压Vπ和***损耗α，且两路微波信号具有相同的幅度。式中，φ为两路微波信号在第二个调制器中相遇并干涉时的相位差，可以表示为：
式(7)中，v为光信号在两个电光调制器之间链路中的传播速度，L为两个马赫曾德尔调制器之间光链路的长度，k为一个整数，意为将两个马赫曾德尔调制器之间光链路的长度引入的相位差限制在-π到π的范围内；τ0为两路微波信号到达两个接收天线的时间差，ωRFτ0即为到达角引起的相位差，可以通过测量该相位差来反推到达角θ，具体采用下式：
式(8)中，d为两天线的距离。
调制光信号x3(t)经过二阶色散值为-D的啁啾光纤布拉格光栅进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号，该过程在频域中可以表示为
将X1(ω)＝X0(ω)H1(ω)代入式(9)得：
对X4(ω)做傅里叶逆变换，可得时域压缩后的光脉冲信号的时域表达式为：
时域压缩后的光脉冲信号经过光电探测器后，最终输出的电脉冲信号表达式为：
其中，G为光电探测器的增益。
式(12)表明，对于原始光脉冲序列中的一个脉冲，最终光电转换后得到的电脉冲信号由中间的参考脉冲和两边的信号脉冲组成，原始光脉冲序列中的其他脉冲在时域拉伸后，会被其持续时间内的待测微波信号调制，最终输出的电脉冲信号也具有相同的形式。用示波器探测电脉冲信号的时域特征，即可解算出相应时间范围内微波信号的频率、幅度和到达角。本实施例中具体采用以下几个公式：
Δt＝2DωRF (13)
式(13)表明，脉冲的时间间隔Δt正比于输入微波信号的角频率ωRF；式(14)中，A0为原始光脉冲x0(t)的高度，该式表明，信号脉冲的高度A1在小信号调制的情况下与输入信号幅度VRF间的函数关系是单调递增的；将式(13)解算出的ωRF和式(14)解算出的β代入式(15)，根据参考脉冲的高度A2可以解算出0°～90°范围内的相位差φ，进而反推出到达时差τ0和到达角θ。值得注意的是，同样影响最终结果的***参数D、Vπ、α、G、L、v、d等，均为已知参数或者可以通过对***输入已知的原始光脉冲和两路微波信号，根据输出结果来预先标定得到。
为了验证本发明技术方案技术效果，对以上具体实施例进行仿真验证，仿真关键参数如表1所示：
表1仿真关键参数
在仿真过程中，假设两个马赫曾德尔调制器之间光纤纤芯的折射率ncore为1.5，则其中光信号的传播速度v为c/ncore，即2×108m/s。假设待测微波信号频率f为20GHz，幅度VRF为0.6V，到达角θ为65°。对于宽谱超窄光脉冲序列中的一个脉冲，最终输出的电脉冲信号仿真结果如图3所示。可以看出，Δt为0.6409ns，可根据式(13)解算得待测微波信号频率为20GHz；信号脉冲的高度A1为25.29mV，可根据式(14)解算得待测微波信号幅度为0.5949V，与真实值仅相差5.1mV；参考脉冲的高度A2为40.46mV，可根据式(15)解算得待测微波信号到达角为64.97°，与真实值仅相差0.03°。仿真结果基本与真实值相同，从而验证了本发明技术方案的可行性和有效性。
Claims (6)
1.一种光子辅助的微波信号多参数测量方法，其特征在于，对宽谱超窄光脉冲序列进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号；用两个空间上分立的天线获取待测微波信号的两个副本，并用这两个待测微波信号副本对所述啁啾光脉冲信号先、后进行载波抑制双边带电光调制，生成调制光脉冲信号；对所述调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号；对所述光脉冲信号进行光电探测，生成每个周期内包含有一个参考脉冲和两个信号脉冲，且两个信号脉冲关于参考脉冲对称的电脉冲信号；根据所述电脉冲信号的时域特征解算出待测微波信号的频率、幅度和到达角，具体根据以下公式进行所述解算：
其中，ωRF、VRF、θ分别为待测微波信号的角频率、幅度和到达角；D为时域拉伸所使用色散介质的二阶色散值，α、Vπ、β分别为电光调制器的***损耗、半波电压、调制深度，Jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数，A0为宽谱超窄光脉冲的高度，A1、A2分别为一个周期的所述电脉冲信号中的信号脉冲、参考脉冲的高度，G为光电探测器的增益，Δt为一个周期的所述电脉冲信号中信号脉冲、参考脉冲的时间间隔，τ0为两个待测微波信号副本到达两个接收天线的时间差，φ为两个待测微波信号副本在第二个电光调制器中相遇并干涉时的相位差，v为光信号在两个电光调制器之间链路中的传播速度，L为两个电光调制器之间光链路的长度，k为一个整数，d为两个天线的距离，c为光在真空中的传播速度。
2.如权利要求1所述光子辅助的微波信号多参数测量方法，其特征在于，使用二阶色散量相反的两个色散介质分别进行所述时域拉伸和时域压缩。
3.如权利要求1所述光子辅助的微波信号多参数测量方法，其特征在于，使用两个级联的电光调制器进行所述电光调制。
4.一种光子辅助的微波信号多参数测量装置，其特征在于，包括：
时域拉伸模块，用于对宽谱超窄光脉冲序列进行时域拉伸，生成脉宽增大的啁啾光脉冲信号；
电光调制模块，用于用两个空间上分立的天线获取待测微波信号的两个副本，并用这两个待测微波信号副本对所述啁啾光脉冲信号先、后进行载波抑制双边带电光调制，生成调制光脉冲信号；
时域压缩模块，用于对所述调制光脉冲信号进行时域压缩，生成同时携带有微波信号频率、幅度和到达角信息的光脉冲信号；
光电探测模块，用于对所述光脉冲信号进行光电探测，生成每个周期内包含有一个参考脉冲和两个信号脉冲，且两个信号脉冲关于参考脉冲对称的电脉冲信号；
解算模块，用于根据所述电脉冲信号的时域特征解算出待测微波信号的频率、幅度和到达角，解算模块具体根据以下公式进行所述解算：
其中，ωRF、VRF、θ分别为待测微波信号的角频率、幅度和到达角；D为时域拉伸模块所使用色散介质的二阶色散值，α、Vπ、β分别为电光调制器的***损耗、半波电压、调制深度，Jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数，A0为宽谱超窄光脉冲的高度，A1、A2分别为一个周期的所述电脉冲信号中的信号脉冲、参考脉冲的高度，G为光电探测器的增益，Δt为所述一个周期的电脉冲信号中信号脉冲、参考脉冲的时间间隔，τ0为两个待测微波信号副本到达两个接收天线的时间差，φ为两个待测微波信号副本在第二个电光调制器中相遇并干涉时的相位差，v为光信号在两个电光调制器之间链路中的传播速度，L为两个电光调制器之间光链路的长度，k为一个整数，d为两个天线的距离，c为光在真空中的传播速度。
5.如权利要求4所述光子辅助的微波信号多参数测量装置，其特征在于，时域拉伸模块、时域压缩模块为两个二阶色散量相反的色散介质。
6.如权利要求4所述光子辅助的微波信号多参数测量装置，其特征在于，所述电光调制模块由两个级联的电光调制器构成。
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