宽带微波光子信号多维参数测量研究

摘要

微波技术广泛应用于国防科技、科学研究、工农业生产、日常生活等多个方面，涉及到无线通信、卫星通信、雷达、电子战、遥感探测等领域。在这些领域中，针对微波信号的测量技术至关重要。然而，伴随着微波技术和通信技术的快速发展，传统的微波测量技术正面临瞬时带宽、传输损耗、电磁干扰等一系列的挑战，越来越难以满足宽带微波信号的检测需求。微波光子学的兴起给微波信号的测量与分析带来了新的思路。相对于电子学方法，其具有瞬时带宽大、抗电磁干扰强、损耗低、轻型便携等优势。以此为研究背景，本文围绕光子型微波信号参数测量技术，开展了以下三方面研究：宽带微波信号的瞬时频率测量(IFM)、脉内多维参数测量和调制格式识别、多普勒频移(DFS)测量。 1.提出了一种微波信号类型及频率测量的方案。首先，利用偏振保持光纤的高双折射效应实现互补光梳状滤波器。其次，基于频率-幅度映射原理，将连续波(CW)和脉冲微波信号的频率信息分别转为直流和低频交流信号的幅度信息。CW信号被转化为直流信号，脉冲微波信号转化为交流信号，通过简单逻辑电路(如电容和电感)将直流信号和交流信号分离。最后，分别鉴别直流信号及交流信号(如一次谐波信号)的幅值，得到幅度比函数，以此反推出CW和脉冲信号的载波频率。通过实验验证了方案的可行性，当微波信号的载波频率在5~20 GHz时，脉冲重复频率分别为0.25 MHz，0.5 MHz，和1 MHz的微波信号，频率测量误差分别在±0.1 GHz，±0.11GHz和±0.13 GHz以内；对于CW信号，其频率测量误差在±0.08 GHz以内；同时，该方案实现了CW和脉冲微波信号的鉴别。 2.基于光梳状滤波器，设计了三种并行量化编码的数字式IFM方案，实现了不同二进制编码的数字化频率测量结果。(1)基于倍增FSR式光梳状滤波器阵列，设计并实现了具有自然二进制编码的测频方案，其测量范围为FSR，有效编码位数为N。(2)结合多个相移光梳状滤波器及单个倍增 FSR 式光梳状滤波器，设计了一种数字化频率测量方案。仅需要一个高双折射介质即可以实现多个相移光梳状滤波器及倍增FSR的光梳状滤波器，测量范围扩展为2×FSR，有效编码位数为22+log(N-1)2。(3)基于互补光梳状滤波器的数字化测频方案。无需判别阈值，直接比较互补光滤波器两输出端口的光功率大小，得到二进制编码的数字化测频结果。基于上述的三种结构，通过ASPIC仿真软件，设计了具有马赫曾德尔干涉仪(MZI)式多端口输出的光梳状滤波器，通过简单调节MZI两臂差即可得到相移和倍增两种模式的光梳状滤波器。 3.提出一种光子型微波信号脉内参数测量及调制格式识别方案。首先，分析了不同调制类型信号的时频特征，可以看出时频特征反映了信号的调制类型。其次，从时域分析方法出发，理论上分析了光干涉仪结构对简单脉冲微波信号、脉内调制格式为BPSK、QPSK、LFM、BFSK、3FSK、4FSK信号的特征影响，并通过MZI验证了对上述微波信号的多维参数测量及调制格式识别。最后，理论分析了商用光器件搭建的IFM系统对不同信噪比下的微波信号及微弱微波信号的灵敏度，并给出了改善方法。 4.基于光域混频结构，提出了两种高分辨率DFS测量方案。(1)基于级联电光调制器(EOM)和光频移器混频结构的DFS测量方案。激光器发出的光波被分成两路：一支路中，发射信号和回波信号被加载到级联的EOM上，它们之间的DFS信息被转化为靠近光载波附近的光边带上。另一路中，光载波被上频移了给定的频率值(几 MHz 到几百MHz)。两路合并的光信号经低速光电转换后得到低频射频信号，对比该射频信号的峰值频率与给定频移，得到DFS的大小和方向。(2)基于并联EOM与相干光域正交解调方案。发射的微波信号和接收到的回波信号被加载在并联的EOM上，它们之间的DFS被转化为指定光边带的频差，经低速光电探测后得到同相和正交的DFS信号。通过对它们的频谱和相位差的分析，实现DFS大小和方向鉴别。 综上所述，基于光域处理技术，本文分别实现了微波信号的IFM、脉内参数测量与调制格式识别、DFS测量，在雷达、通信、电子战等领域具有重要应用。

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