基于微波光子技術(shù)對到達(dá)時差和抵達(dá)角的估計

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(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

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基于微波光子技術(shù)對到達(dá)時差和抵達(dá)角的估計

常超

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

針對傳統(tǒng)方法測量雷達(dá)時域參數(shù)方法較不夠靈活的問題，提出了一種基于光功率測量估計微波參數(shù)的方法。該測量方法主要基于兩個馬-曾干涉儀，原理是通過測量輸出端的光功率反推得到兩個微波信號之間的相位差，進(jìn)而計算到達(dá)時差(TDOA)和抵達(dá)角(AOA)。通過對模型仿真，發(fā)現(xiàn)該方法可有效測量微波時域參數(shù)，且具有較高的精度。

微波；光子技術(shù)；到達(dá)時差和抵達(dá)角估計

應(yīng)用于雷達(dá)和電子戰(zhàn)的微波信號接收機(jī)需要具有獲取超帶寬未知微波信號的瞬時頻率，脈沖寬度，到達(dá)時差(TDOA)和抵達(dá)角(AOA)以及調(diào)制方式等能力。隨著毫米波雷達(dá)的日益普及，由于受到接收機(jī)有限帶寬的限制，現(xiàn)有雷達(dá)常數(shù)測量技術(shù)不夠靈活[1]，不能滿足應(yīng)用需求。利用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)參數(shù)測量的方法已經(jīng)很普遍。微波光子技術(shù)在處理微波信號時具有許多優(yōu)點(diǎn)，其較寬的瞬時帶寬適合于傳輸、控制和處理寬帶微波信號。已有的研究側(cè)重于寬帶微波信號的頻率測量和頻譜分析[2-4]。但迄今為止對于到達(dá)時差和抵達(dá)角度等關(guān)鍵參數(shù)測量的方法則較少。對此，本文提出了一種基于微波光子技術(shù)對關(guān)鍵參數(shù)TDOA和AOA的估計方法。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文提出TDOA和AOA估計方法是基于兩個電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的，TDOA和AOA的測量被轉(zhuǎn)換成兩個級聯(lián)的調(diào)制器上調(diào)制信號之間相移的測量[5]。從連續(xù)激光器發(fā)射的光載波經(jīng)過第一個強(qiáng)度調(diào)制器上的微波信號調(diào)制后在光載波的兩邊產(chǎn)生兩個一階邊帶[6]。因調(diào)制器工作在載波抑制方式，所以光載波受到抑制。這兩個邊帶通過第二個強(qiáng)度調(diào)制器時，被與前一個調(diào)制信號同頻不同相的微波信號調(diào)制。因第二個強(qiáng)度調(diào)制器也工作在載波抑制方式，所以在原始光載波上產(chǎn)生了兩個同頻的光學(xué)成分，但這兩個成分是同頻不同相的。由于這兩個光學(xué)成分的相干干涉，載波處的總功率是相移的一個函數(shù)[7]。因此通過測量光功率可實(shí)現(xiàn)對相移的估計，進(jìn)而計算出信號到達(dá)時差和抵達(dá)角。因該測量方法是在光域?qū)崿F(xiàn)的，所以有較強(qiáng)的抗干擾能力。此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括一個連續(xù)波激光器(CW)、兩個強(qiáng)度調(diào)制器(MZM)、一個光學(xué)陷波器和光功率計。通過調(diào)節(jié)調(diào)制器的偏置電壓使兩個強(qiáng)度偏置器都工作在抑制載波上邊帶調(diào)制上[8]。

圖1　測量TDOA和AOA的系統(tǒng)框圖

假設(shè)AOA為θ，則到達(dá)時差τ可由下式得出

(1)

其中，d是兩個調(diào)制器之間接收天線的距離；c是真空中的光速。相移φ、到達(dá)時差τ，抵達(dá)角θ之間的關(guān)系式可由下式表達(dá)

(2)

(3)

其中，Ω是微波信號的角頻率；L是兩個調(diào)制器的光鏈路長度；k是由系統(tǒng)的物理參數(shù)決定的常數(shù)[9]。

由于第一個強(qiáng)度調(diào)制器工作在載波抑制偏置點(diǎn)，所以經(jīng)過第一個調(diào)制器輸出的光場可表示為

E1(t)∝jJ1(β1)[expj(ω-Ω)t+expj(ω+Ω)t]

(4)

其中，ω是來自于連續(xù)激光器的光載波角頻率；β1是第一個調(diào)制器的調(diào)制深度；J1(·)是一階貝塞爾函數(shù)[9]。由上式可知，載波產(chǎn)生了兩個一階邊帶。這兩個邊帶被第二個強(qiáng)度調(diào)制器中與第一個調(diào)制信號有相位差的微波信號調(diào)制，因第二個強(qiáng)度調(diào)制器也工作在載波抑制偏置點(diǎn)，所以第二個強(qiáng)度調(diào)制器的輸出光場[10]可表示為

(5)

其中，β2是第二個調(diào)制器的調(diào)制深度。由式(5)可知，載波經(jīng)過兩個調(diào)制器后產(chǎn)生了兩個相同頻率 的光學(xué)成分，同時也產(chǎn)生了其他的頻率成分。多余的頻率成分可利用一個固定中心頻率和帶寬的光學(xué)濾波器濾除。剩余兩個光學(xué)部分的總光功率可表示為

p3∝2[J1(β1)J1(β2)]2×[1+cos(2φ)]

(6)

由式(6)可知，光功率是相移φ的函數(shù)，所以通過計算光功率可估算相移φ。得到相移φ后，通過式(2)和式(3)可計算出到達(dá)時差τ和抵達(dá)角θ。需要注意的是對于抵達(dá)角的估計，兩個調(diào)制器的固定載波抑制是關(guān)鍵，載波抑制的調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)直流偏置電壓或者直接利用陷波器來實(shí)現(xiàn)[11]。

2　系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

使用Optisystem光學(xué)仿真軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證本文測量方法的有效性。仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于單端的強(qiáng)度調(diào)制器會受到偏置漂移的影響，并缺乏直流偏置控制器，為了使調(diào)制器工作于載波抑制方式，在仿真中使用一個理想的陷波器抑制光載波進(jìn)入第二個調(diào)制器。在第二個強(qiáng)度調(diào)制器后接入一個光濾波器，實(shí)現(xiàn)保留原始載波處的光學(xué)部分，移除其他頻率成分的功能。然后通過一個光功率計測量總光功率。在仿真中，連續(xù)激光器發(fā)射的光載波波長為1 550 nm，線寬為10 MHz，兩個強(qiáng)度調(diào)制器中加載的微波信號同頻不同相。

載波經(jīng)過第一個強(qiáng)度調(diào)制器后產(chǎn)生兩個邊帶，在第一個強(qiáng)度調(diào)制器后接入一個波長為1 550 nm，帶寬10 GHz的陷波器來實(shí)現(xiàn)光載波抑制。這兩個邊帶信號傳輸?shù)降诙€強(qiáng)度調(diào)制器后，由于兩個強(qiáng)度調(diào)制器中的微波信號頻率相同，相位不同，所以會在光原始載波處產(chǎn)生同頻的兩個光學(xué)成分[12]。這兩個光學(xué)成分輸出的總光功率就是微波信號相位差的函數(shù)。通過測量載波波長上的功率值，能夠估算出微波信號的相移，從而得出到達(dá)時間差和抵達(dá)角。

為驗(yàn)證式(6)的正確性，設(shè)加載到兩個強(qiáng)度調(diào)制器(MZM) 上的微波信號頻率設(shè)定為 18 GHz。第二個強(qiáng)度調(diào)制器上加載的微波信號和第一個強(qiáng)度調(diào)制器上加載的微波信號之間有一個相位差φ，該相位差由-160°～ 40°，以 20°的步長線性變化，最后得到的光功率通過光功率計來測量。不同初始相位差所對應(yīng)的測量功率如圖2所示，可看出本文的計算結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

圖2　功率與相移曲線關(guān)系圖

由式(2)和式(3)可知，相移影響到達(dá)時差τ和抵達(dá)角θ的計算精度。若要提高對到達(dá)時差和抵達(dá)角的測量精度，首先需要對相移φ準(zhǔn)確測量。系統(tǒng)中實(shí)際的相移φ可通過測量的總功率反推得到。為了驗(yàn)證該方法對相移φ的檢測精度。圖3顯示了微波信號的測量誤差。由圖3可知，測量相位差的誤差基本可以控制在3°以內(nèi)。若將相位和功率強(qiáng)度關(guān)系曲線映射在余弦函數(shù)的線性區(qū)域，可適當(dāng)提高相位差的測量精度，但也相應(yīng)減小測量范圍[13]。若要增大測量范圍可做分段處理，這樣測量范圍也就相應(yīng)分段，總的測量范圍增大。

圖3　相位差誤差曲線

3　微波參數(shù)計算結(jié)果

由總功率反推出相移φ后，代入式(2)和式(3)可計算出微波信號到達(dá)時差τ和抵達(dá)角θ。設(shè)兩個天線的距離d=0.1 m，調(diào)制器之間的鏈路長度L=3.86 m。根據(jù)計算可得到，到達(dá)時差τ能測量的范圍是-24.7～6.2 ps。若將整個光鏈路所導(dǎo)致的固定時間延遲也包括在測量范圍之內(nèi)[14]，可得到微波信號的到達(dá)時差τ的測量誤差為0.44 ps之內(nèi)。到達(dá)時差τ隨相移φ的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4　到達(dá)時差與相移的關(guān)系

圖5　抵達(dá)角與相移的關(guān)系

根據(jù)所得的到達(dá)時差τ，由式(3)可計算出抵達(dá)角θ的值。圖5為d=0.1 m與d=0.05 m時抵達(dá)角θ隨相移φ的變化關(guān)系。根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)天線距離d=0.1 m時抵達(dá)角的測量范圍約為88.5°～94°，當(dāng)天線距離d=0.05 m時，抵達(dá)角的測量范圍約為88°～98°。由此可知，若要擴(kuò)大微波信號抵達(dá)角φ的測量范圍，可適當(dāng)減小兩個接收天線的距離，但在實(shí)際應(yīng)用中，天線之間的距離并不能做到較短，比如達(dá)到厘米甚至是毫米數(shù)量級是不現(xiàn)實(shí)的[15]，所以該測量范圍并不能達(dá)到全覆蓋。

4　結(jié)束語

本文提出了一種基于微波光子技術(shù)測量到達(dá)時差和抵達(dá)角的方法。該方法的主要部件是兩個電光調(diào)制器，通過接收到的光功率反推出施加在兩個調(diào)制器件上的微波信號相位差，再由相位差計算出微波信號到達(dá)時差和抵達(dá)角。所以對微波信號相位差的測量精度影響著對微波信號到達(dá)時差和抵達(dá)角的計算精度。通過實(shí)例仿真可知，本方法可有效、準(zhǔn)確的測量微波信號到達(dá)時差和抵達(dá)角，并可應(yīng)用到實(shí)際測量中。

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Estimations of TDOA and AOA Based on Microwave Photonic Technology

CHANG Chao

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

A new method based on optical power measurement is proposed for estimating the microwave’s parameters with flexibility. The method adopts two Mach-Zehnder Modulators to obtain the optical powers of two microwaves at the output terminal, thus the phase difference between them. Then we can obtain TDOA and AOA by calculation. Simulation of the model shows the method is effective and of high accuracy.

microwave; photonic technology; estimation of TDOA &AOA

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.013

2015-11-19

常超(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：集成光學(xué)調(diào)制器的建模仿真及信號處理。

TN957.5

A

1007-7820(2016)08-043-03