CN116256704A - 基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法。该方法首先以微波光子链路中器件的物理机理为基础，建立不同器件的输入输出关系，形成器件模型；然后根据微波光子链路的实际情况，对器件进行连接，从而分析出链路中不同位置处的信号情况；最后，根据链路的射频输入和射频输出情况，实现对微波光子链路射频性能的快速预估以及对器件参数影响的动态分析。本发明将射频信号在微波光子链路中的传输过程分为三个步骤：电光转换、光信号处理和光电转换，通过调整器件布局和器件参数，实现对微波光子链路的动态设计分析。

Description

基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法

技术领域

本发明涉及微波光子技术、雷达技术领域。

背景技术

现代战场中的雷达调制方式复杂、多变，宽带、超宽带雷达大量装备，电磁信号日益密集。因此要求电子侦测雷达具备大瞬时带宽、高灵敏度、大动态范围等特点，并且能够辨识同时到达的多信号。针对上述实时侦察需求，目前采用相控阵移相实现波束扫描、模拟信道化和数字信号处理相结合实现信道化的传统电子方法，受限于电子电路器件的带宽损耗泄露干扰等因素，高频段的变频效率较低，信号噪声较大；此外亦缺少对应的宽频带的器件，并且频率的平坦性得不到保证。为了满足宽带高频的要求，人们提出了基于微波光子技术的相控阵侦测雷达接收机，用于实现光控波束形成和光信道化的功能，从而替代传统电子方法。

而在微波光子雷达当中，最为核心的部分便是将射频信号先转换到光信号，然后再解调成射频信号的微波光子链路。与传统的射频链路不同，目前微波光子链路的性能预估以及其中的器件指标分配问题尚处于完善阶段，因此需要对不同器件参数，不同器件摆放情况下微波光子链路的性能进行预估，从而方便雷达设计师在设计微波光子雷达时进行评估。微波光子链路从光调制的原理上可分为直调式和外调式两种，而外调式在增益、噪声系数等性能上更具优势，在微波光子雷达中得到广泛应用。

在外调式微波光子链路中，可以将射频信号的传输分为三个过程：将电信号调制到光信号上的电光转换过程、纯光信号传输的光信号处理过程、将光信号中的调制射频信号解调出来的光电转换过程。由于微波光子链路涉及两种类型信号之间的转换，尤其是其主要处理过程是在光信号领域，因此其与射频链路不同，难以评估每个单元器件的参数对整个射频信号传输过程的影响情况。虽然可以通过中间测试变量对微波光子链路的性能进行评估，但目前对于各器件性能指标对微波光子链路的性能影响的分析研究相对较少，难以在微波光子链路工程化应用场景中，根据需求对外调式微波链路的设计进行理论指导和器件选型指导。

发明内容

本发明提出了基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法，用于对微波光子链路当中的信号传输情况进行分析，从而对微波光子链路的性能、链路设计、以及链路内部器件指标分配等情况进行初步预估，降低微波光子雷达的设计难度和设计成本。

本发明以电光调制器、光学器件、光电探测器等微波光子链路中器件的物理模型出发，建立起每个单元器件本身的输入端口与输出端口处信号和噪声情况之间的关系，实现对每个单元器件进行建模；在此基础上，根据实际雷达情况，通过微波光子链路当中器件的互联关系，实现不同器件之间输入端口与输出端口的相互匹配连接，从而构建出整个微波光子链路的信号传输模型；最后，通过搭建好的微波光子链路，调整链路当中不同器件的参数和连接情况，分析不同器件对整个微波光子链路的影响情况，从而可以根据需要对器件指标进行分配。技术方案包括：

步骤1：将微波光子链路信号传输分解为三个过程：电光转换、光信号处理和光电转换；

步骤2：根据激光器的工作原理和参数，建立激光器发射的光信号和光噪声模型；

步骤3：基于马赫曾德尔调制器的工作原理，以天线阵列接收并通过射频前端处理后的雷达信号和激光器发射的光信号为基准，建立电信号调制到光信号的分析模型，实现电光转换过程的分析；

步骤4：根据光学器件的物理机理和参数，分析光信号在光耦合器，波分复用器，光放大器等光学器件的传输情况，分析从电光调制器输出到光电探测器输入的光信号和光噪声情况，建立光信号在整个光信号处理过程的传输模型；

步骤5：根据光电探测器的物理机理，分析光电探测器的输入光信号到输出电信号的转换过程，并分析输出的射频噪声情况，建立光电转换的模型；

步骤6：根据输出的射频信号情况和射频噪声情况，计算出整个微波光子链路的增益、噪声系数、动态范围等性能指标；

步骤7：根据完整的微波光子链路的性能评估，调整整个微波光子链路中器件的连接情况和参数，分析出该器件对整个链路性能的影响情况。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)可以根据现有的器件参数对微波光子链路的性能进行一个有效地预估；(2)可以根据需要对微波光子链路中器件的连接和摆放进行调整，从而对复杂微波光子链路的性能情况进行分析；(3)可以根据实际雷达需求，通过调整微波光子链路中的器件参数和整体布局对雷达性能形成初步预估，从而实现对不同器件进行指标分配。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为微波光子雷达中微波光子链路示意图；

图2为基于器件参数的微波光子链路性能预估方法流程图；

图3为简单微波光子链路示意图；

图4为预估的链路增益与实际增益之间的结果对比图；

图5为预估的链路噪声系数与实际噪声系数之间的结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制。

本发明提出的基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法，首先对电光调制器、光电探测器的工作原理进行了分析，分析其输入输出关系，建立起器件模型。然后，在此基础上，根据不同器件之间的输入输出连接关系，建立起一个完整微波光子链路信号传输模型。最后，根据器件的参数以及连接情况，对微波光子链路当中的不同位置处的信号传输情况进行分析。此外，为提高信号传输分析的准确性，通过搭建试验链路并进行测试调整，对器件的物理模型进行修正。如图1所示，在微波光子雷达当中，微波光子链路的主要工作就是将从天线阵列接收下来的雷达射频信号进行处理，然后传递给后级的信号处理模块。在整个微波光子链路对信号的处理过程中，射频信号的传输分为三个过程：首先经电光转换将射频信号调制到光信号上，然后通过光学链路对已调制的光信号进行处理，最后将处理后的光信号解调出射频信号供后端进行处理。

如图2所示，为能够像对射频链路一样实现对器件和整个链路的快速预估和指标分配，本发明首先根据器件的物理机理建立起器件本身的分析模型，构建器件本身的输入输出信号之间的关系；然后根据实际情况，将不同器件连接成为一个完整的微波光子链路，从而通过所有器件的输入输出接口的对接情况，分析射频信号从输入到输出的整个过程，进而对整个微波光子链路的性能进行预估；最后通过调整微波光子链路中器件参数和器件的连接情况，分析器件本身对于整个微波光子链路的影响情况，从而方便微波光子雷达设计人员进行指标分配。

在这种情况下，本发明优选的实施方案步骤如下：

步骤1：将微波光子链路信号传输分解为三个过程：电光转换、光信号处理和光电转换；

步骤2：根据激光器的工作原理和参数，建立激光器发射的光信号和光噪声模型；

步骤3：基于马赫曾德尔调制器的工作原理，以天线阵列接收并通过射频前端处理后的雷达信号和激光器发射的光信号为基准，建立电信号调制到光信号的分析模型，实现电光转换过程的分析；

步骤4：根据光学器件的物理机理和参数，分析光信号在光耦合器，波分复用器，光放大器等光学器件的传输情况，分析从电光调制器输出到光电探测器输入的光信号和光噪声情况，建立光信号在整个光信号处理过程的传输模型；

步骤5：根据光电探测器的物理机理，分析光电探测器的输入光信号到输出电信号的转换过程，并分析输出的射频噪声情况，建立光电转换的模型；

步骤6：根据输出的射频信号情况和射频噪声情况，计算出整个微波光子链路的增益、噪声系数、动态范围等性能指标；

步骤7：根据完整的微波光子链路的性能评估，调整整个微波光子链路中器件的连接情况和参数，分析出该器件对整个链路性能的影响情况。

其中，步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：根据激光器的发射功率P_oi和工作频率f_oc，计算出激光器产生的光信号表达式为

其中，c为常数，表征电场的转换系数；

步骤2-2：根据激光器的发射功率P_oi和相对噪声强度r(f_oi)，计算出激光器产生的光噪声功率为

P_noi＝P_oi·r(f_oi) (2)。

步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：根据电光调制器的输入端口处的射频输入信号情况，设置电光调制器所受到的射频输入电压V_i(t)；

步骤3-2：根据电光调制器的物理机理，建立电光调制器输出信号与输入信号之间的相互关系。

假设电光调制器的电光晶体的折射率椭球的长半轴和短半轴分别与x′和y′重合，入射光电场沿x方向，为

则其在x′和y′上的分量为

假设电光调制器的半波电压为V_π，输入光功率为P，输入射频信号功率为p_i，输入射频噪声功率为p_n，射频端电阻为R₁，偏置电压为V₀。

由于输入射频信号为射频调制信号，对于单一波长而言，其射频端输入电压可以表征为

其中，w为射频信号角频率，w_n为任意噪声部分的角频率。

光经过电光调制器后，根据电光调制器的特性，其在x′和y′上的电场会产生一个由电压调制的相位差，因此其在x′和y′上的电场可以表征为以下式子

其中，α为加电场后电光晶体折射率椭圆的旋转角度，w_c为光载波频率。

在电光调制器中，一般通过检偏器检测y方向电场来实现从电光晶体的偏振调制到幅度调制的实现，从而有

根据式(6)便可以建立电光调制器的输入输出关系。

步骤3-3：在电光调制器输入端口处的光信号为s_oi(t)和射频电压为V_i(t)的情况下，根据电光调制器的光信号插损L、半波电压V_π，工作电压V₀，获得电光调制器的输出光信号为

步骤3-4：根据热噪声功率，计算出电光调制器产生的光噪声为热噪声P_nf，此时电光调制器的输出光噪声为

P_nEO＝P_noiL+P_nf (8)。

根据式(7)和(8)，便可以建立电光调制器的分析模型。

步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：对于无源单输入单输出的光学器件i而言，基于无源器件特性，根据其光插损L_i，可以获得其输入光信号s_i-in(t)与其输出光信号s_i-out(t)关系为

而其输入前光噪声P_ni-in与输出光噪声P_ni-out关系为

步骤4-2：对于无源多输入多输出的光学器件j而言，基于其器件参数，计算出其网络特性矩阵S_j，并由此获取输出通道m处的输出光信号s_jm-out(t)和输出光噪声P_njm-out；

步骤4-3：对于有源光学器件k，如光放大器等，根据其泵浦情况和放大倍数，计算出其输出光信号s_k-out(t)和输出光噪声P_nk-out。

步骤5包括以下步骤：

步骤5-1：基于光电探测器的光电效应，根据光电探测器的转换效率η和光电探测器的输入光信号s_iOE(t)，计算出光电探测器的输出射频信号为

步骤5-2：基于光电探测器的光电效应，根据光电探测器的转换效率η，光电探测器的暗电流I_d和光电探测器的输入光噪声功率P_niOE，计算出光电探测器的输出射频噪声为

其中，R为光电探测器的射频负载电阻。

步骤6包括以下步骤：

步骤6-1：根据实际链路情况，将器件连接起来，保证各个接口处与实际相匹配；

步骤6-2：根据电光调制器、光学器件、光电探测器的输入输出计算公式，获取链路中各个结点处的信号和噪声情况；

步骤6-3：根据光电探测器的输出情况，与电光调制器的射频输入情况进行分析，求解出整个微波光子链路的增益、噪声系数、动态范围等关键性能指标。

步骤7包括以下步骤：

步骤7-1：通过调节链路中器件的指标参数，观察其对整个微波光子链路的影响情况；

步骤7-2：通过调节链路中器件的位置，观察其对整个微波光子链路的影响情况；

步骤7-3：根据器件对微波光子链路的影响情况，对器件进行指标分配。

实施例：

如图3所示，对一个基本的微波光子链路进行仿真分析，其具体参数如下：

1)激光器参数

激光器的光功率设置从6dBm到15dBm，光频率为191.3THz。

2)射频输入信号

射频信号频率为6～18GHz，射频输入功率为0dBm。

3)电光调制器

电光探测器的标称半波电压为V_π＝6.4V，根据电光晶体的设计习惯，其旋转角为α＝45°；射频电阻采用标定值R₁＝50Ω。

4)光电探测器

光电探测器的标称响应度为η＝0.7A/W。射频电阻采用标定值R₂＝50Ω。

其微波光子链路性能分析结果与测试结果对比如下：

1)增益

在测试过程中，调制激光器功率从6dBm到15dBm，观察整个链路增益随光功率的变化。如图4所示，可以看出所有频点上的趋势都与理论值趋势一致。相对于其他频点，理论值与12GHz情况下的测试值误差更小。之所以存在这样的现象，有可能是因为电光调制器和光电探测器的器件参数在进行标定的时候是在特定频率12GHz下测试出来的，从而理论值更符合接近这一频率情况下的测试值。

2)噪声系数

如图5所示，可以看出随着光功率的增大，***噪声系数下降。这是因为，光噪声转换为射频噪声时需要进行平方关系，从而大大降低光噪声影响，占主要地位的是基本不会变化的光电探测器的暗电流影响。从而，可以认为输出噪声基本不变，提供光功率则提高输出信号功率，从而降低噪声系数。

Claims (5)

1.基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法，其特征在于：

步骤1：将微波光子链路信号传输分解为三个过程：电光转换、光信号处理和光电转换；

步骤2：根据激光器的工作原理和参数，建立激光器发射的光信号和光噪声模型；

步骤3：基于马赫曾德尔调制器的工作原理，以天线阵列接收并通过射频前端处理后的雷达信号和激光器发射的光信号为基准，建立电信号调制到光信号的分析模型，实现电光转换过程的分析；

步骤4：根据光学器件的物理机理和参数，分析光信号在光耦合器，波分复用器，光放大器的传输情况，分析从电光调制器输出到光电探测器输入的光信号和光噪声情况，建立光信号在整个光信号处理过程的传输模型；

步骤5：根据光电探测器的物理机理，分析光电探测器的输入光信号到输出电信号的转换过程，并分析输出的射频噪声情况，建立光电转换的模型；

步骤6：根据输出的射频信号情况和射频噪声情况，计算出整个微波光子链路的增益、噪声系数、动态范围的性能指标；

步骤7：根据完整的微波光子链路的性能评估，调整整个微波光子链路中器件的连接情况和参数，分析出该器件对整个链路性能的影响情况。

2.根据权利要求1所述的基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法，其特征在于：所述步骤3还包括：

步骤3-1：根据经天线阵列接收并由射频前端进行处理之后的射频信号情况，建立起其射频电压函数V_i(t)；

步骤3-2：根据马赫曾德尔调制器的工作电压V₀和射频电压函数V_i(t)，获得电光调制器在t时刻时的电压为

V(t)＝V₀+V_i(t)；

步骤3-3：根据马赫曾德尔调制器的工作机理，基于激光器产生的光信号s_oi(t)、电光调制的光信号插损L、半波电压V_π，获得电光调制器调制后的光信号表达式为

步骤3-4：根据热噪声功率，计算出电光调制器产生的光噪声为热噪声P_nf，此时电光调制器的输出光噪声为

P_nEO＝P_noiL+P_nf。

3.根据权利要求1所述的基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法，其特征在于：所述步骤4包括：

步骤4-1：对于无源单输入单输出的光学器件i而言，基于无源器件特性，根据其光插损L_i，可以获得其输入光信号s_i-in(t)与其输出光信号s_i-out(t)关系为

而其输入前光噪声P_ni-in与输出光噪声P_ni-out关系为

步骤4-2：对于无源多输入多输出的光学器件j而言，基于其器件参数，计算出其网络特性矩阵S_j，并由此获取输出通道m处的输出光信号s_jm-out(t)和输出光噪声P_njm-out；

步骤4-3：对于有源光学器件k，根据其泵浦情况和放大倍数，计算出其输出光信号s_k-out(t)和输出光噪声P_nk-out。

4.根据权利要求1所述的基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法，其特征在于：所述步骤5包括：

步骤5-1：基于光电探测器的光电效应，根据光电探测器的转换效率η和光电探测器的输入光信号s_iOE(t)，计算出光电探测器的输出射频信号为

步骤5-2：基于光电探测器的光电效应，根据光电探测器的转换效率η，光电探测器的暗电流I_d和光电探测器的输入光噪声功率P_niOE，计算出光电探测器的输出射频噪声为

其中，R为光电探测器的射频负载电阻。

5.根据权利要求1所述的基于器件模型的微波光子链路信号传输分析方法，其特征在于：所述步骤7包括：

步骤7-1：根据实际链路情况，将器件连接起来，保证各个接口处与实际相匹配；

步骤7-2：通过调节链路中器件的指标参数，观察其对整个微波光子链路的影响情况；

步骤7-3：通过调节链路中器件的位置，观察其对整个微波光子链路的影响情况；

步骤7-4：根据器件对微波光子链路的影响情况，对器件进行指标分配。

Images