微波光子技术在瞬时测频中的应用

摘 要：用微波光子技术实现微波信号频率的瞬时测量，需要把截获的微波信号调制到光载 波上，通过一定的光路结构，产生一个仅与待测微波信号频率有关的幅度比较函数，进而得到待测 微波信号的频率。研究了微波光子技术在雷达瞬时测频应用中的实现方法，分析比较了各自的功能 特点，并提出了一种结构简单的雷达微波信号全频段测量方法。
加拿大多伦多大学微波光子实验室的工作人员 提出了一种微波频率测量带宽和分辨率可调谐的解 决方案口ｏ。光路结构如图２所示。
用两个可调谐的光源产生载波信号，未知功率 和频率的待测信号通过马一泽调制器调制到光载波 上，经过一段色散光纤，对两种不同波长的载波引入 不同的色散，使不同波长的调制载波信号产生不同 的功率补偿，经过两个可调谐微波光子滤波器，把两 个不同波长的载波信号分开，通过光电探测器获得 待测微波信号功率。经后续处理，可得到仅与微波信 号频率有关的幅度比较函数。采用这种方法，通过调 整两载波光源的波长间隔，可以改变系统的测频带 宽，而不用改变光路结构，为了取得较高的测频分辨 率，需要两个载波光源有较大的波长间隔。用该光路 结构实现瞬时测频，测频带宽和测频精度之间有一 个平衡关系，高的测频精度往往以窄的测频带宽为 代价。如果采用多个光源产生不同波长的载波，可以 在保持较大测频带宽的情况下提高测量的分辨率， 但会增加结构的复杂度和成本。实验中在１１～１３．６ ＧＨｚ的频率范围内，实现了４－０．０２ ＧＨｚ的测量误 差精度。这种方法测频精度相对较高，可通过载波光 源实现测频带宽和分辨率的调谐，但对载波光源的 要求苛刻，测频带宽受载波光源影响较大。
不同波长的光信号被两个光电探钡４器分别转化
为电信号，用于后续电路的处理。该系统对两个光源
的中心频率有不同的要求：其中一个光源的中心频
率应为滤波器的带通频率，另一个光源的中心频率
为滤波器的抑制频率。这样可以得到一个线性度较
好的幅度比较函数，有利于减少测试误差。经过信号
＾Ｌ，一—１＋ｃｏｓ（２，—ｒｆｍ／ＦＳＲ）。１’ 处理，可得到幅度比较函数如下：
盘婆Ｉ
光强度调制器
Ｉ选遮墨Ｉｌ堡型矍ｌ匕
１ 基于强度调制的微波频率瞬时测量
将待测射频信号调制到两个不同波长的光波信 号上，通过一个传递函数为正弦函数的微波光子滤 波器后‘１。，用分波器把两种不同波长的调制光载波 信号分开，如图１所示。
嚣言丁司瓣卧
Ｆｉｇ．１
图１瞬时测频原理图 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
者筵器溜羹 ２７８
光
电
丽燕—水斟＜．兰＞叫羔羔羔ｌ嚣
光强度调制器Ｌ二＝一＝二二，二＝一Ｌ兰
子
技
术
第３０卷
泽干涉结构中不产生干涉现象，输入调制载波信号 通过臂长不同的光纤路径，产生微小的延迟，通过对 马一泽结构两个输出口信号的处理，可以得到一个仅 与频率有关的幅度比较函数。
Ｆｉｇ．５
图５瞬时测频系统原理图 Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ＩＦＭ ｓｙｓｔｅｍ
．．。 １一ＣＯＳ（２７ｒｆｍ／ＦＳＲ）
，１、
其中：丘为待测射频信号频率，ＦＳＲ为滤波器的自 由频谱范围，可通过设计滤波器的不同参数获得一 个合适的值。从上式可以看出，幅度比较函数仅与待 测信号频率有关，因此，不受光源功率波动和待测信 号功率大小的影响。实验中实现了Ｏ～２０ ＧＨｚ微波 频率的测量，误差在－４－＿０．２ ＧＨｚ之内。但该结构中， 采用Ｓａｇｎａｃ环作为光子滤波器，影响了系统的稳定 性，光调制器的偏置点漂移降低了测试精度，且系统 不可重构，测试范围和分辨率不能调整。结构复杂， 用的光学器件多，成本较高。
Ｗａｎｇ Ｘｕ，Ｈｕ Ｚｏｎｇｈｕａ，Ｆｅｎｇ Ｚｈｉｒｏｎｇ，Ｗａｎｇ Ｑｕａｎｈｕｉ，Ｃｈｅｎ Ｘｉｕｌｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８Ｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｘｉｎｘｉａｎｇ Ｈｅｎａｎ ４５３００７，ＣＨＮ）
关键词：瞬时测频；微波光子技术；电子对抗
中图分类号：ＴＮ９７４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５—４８８Ｘ（２０１０）０４—０２７５—０４
Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｉ ｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
统的瞬时测频接收机采用电子学的方法，可以提供 ０．５～１８ ＧＨｚ的频率测试（灵敏度不高于一５０ ｄＢｍ），结构复杂，体积庞大，造价昂贵且易受电子干 扰。近年来，在电子战系统中，毫米波段（Ｏ．５～４０ ＧＨｚ）的信号已投入使用，传统的探测手段难以实现 如此大的带宽操作，微波光子技术为瞬时测频接收
收稿日期：２０１０一ｄｓ一２８ 作者简介：王旭（１９６５一），男，博士．副教授，主要从事微波光子学方面的研究；（Ｅ—ｍａｉｌ：０２２０７２＠ｈｔｕ．ｃｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｍｏｄｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｕｎｋｎｏｗｎ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｒｒｉｅｒ ｗａｖｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏ－ ｌｏｇｙ，ａｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｒｒｉｅｒ ｇｏｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｅｒｔａｉｎ ｏｐｔｉｃａ—ｆｉｂｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｎｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ＳＯ ｔｈａｔ ｍｉ— ｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃａｎ ｂｅ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｒａｄａｒ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｕｔｈｅｒｍｏｒｅ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｒａｄａｒ ｓｉｇｎａｌ’ｓ ｆｕｌｌ—ｂａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉＳ ｉｎｓｔｒｏｄｕｃｅｄ．
个低通滤波效应。低通滤波效应的表达式可表示为：
ⅣＩ，（厂）＝Ｅｃｏｓ（７ｃ论ｒ）］２
（２）
其中：厂为待测微波信号频率，△ｆ为偏振保持光纤
引入的差分群延迟值。
下臂引入一段色散补偿光纤，调整该臂上的偏
光器，使其偏振轴与保偏光纤慢轴方向一致，让只沿
慢轴传输的光信号通过偏光器进入色散补偿光纤。
色散补偿光纤带来的功率衰退使调制载波信号经历
度调制器调制到光载波上获得调制载波信号，调制 载波信号经过由两个耦合系数不同的耦合器构成的 光纤马一泽结构，该结构如图６所示。光纤马一泽结构 臂长差需远大于载波光源的相干长度（单色宽带光
Ｎｉｕｓｈａ Ｓａｒｋｈｏｓｈ等人利用激光半导体放大器 的非线性效应，对两个差分延时的光载波进行混频， 建立微波频率与激光半导体放大器混频效应的关系 函数ｒｓ］，成功地实现了２～２０ ＧＨｚ的微波频率测 量，且仅用一个低成本的直流光电探测器，降低了系 统成本。
。２ 基于相位调制的微波频率瞬时测量
用马一泽强度调制器实现微波频率的瞬时测量， 需要用复杂的电路控制马一泽强度调制器的直流偏 置点，容易引入测量误差。用相位调制器取代马一泽 强度调制器的测频方案［６］，不用设置调制器的直流 偏置点，避免了偏置点的漂移引起系统的不稳定。此 外，相位调制器结构简单，插入损耗较少，更适于实 际中的应用。
３ 采用偏振调制器的微波频率瞬时测 量方法
Ｆｉｇ．３
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
用一分布反馈激光器产生载波信号，光学器件
之间采用保偏光纤连接，载波信号经过半波片，调整
半波片的中心轴，使其与偏振保持光纤的慢轴成
胡总华（１９８２～），男，硕士研究生，主要从事光电子学方面的研究； 冯志荣（１９８７一），女，硕士研究生，主要从事光纤通信方面的研究。
万方数据
光
电
子
技
术
第３０卷
机性能的提升和改进提供了可能，能够提供一个宽 带测频、低损耗、抗干扰、系统小型便携的解决方案。 利用微波光子学的方法实现微波信号的瞬时测频， 能够克服电子瓶颈，适应复杂的电磁环境，有望取代 传统的电子学实现方法，具有较强的应用前景。
４ 一种结构简单的雷达微波信号测频 方法
以上的各种测频方法，相比传统的电子学测频 方法有很强的优越性，但结构相对复杂，且无法实现 对雷达微波信号的全频段测量。本文提出了一种基 于光纤马一泽结构的测频方法，实现了雷达微波信号 Ｏ～４０ ＧＨｚ的全频段测量。光路结构如图５所示。
采用单色宽带光源产生载波信号，马一泽强度调 制器设置在最小偏置点，待测微波信号经过马一泽强
为进一步降低系统成本，可采用单光源产生载
万方数据
第４期
王旭，等：微波光子技术在瞬时测频中的应用
２７７
波信号，利用相位调制技术，通过两个不同的光路，
赢篇昌禹惫 达到瞬时测频的目的‘划。光路结构如图３所示。 信 号 后 期 处 相位调制器 偏瀛舞弊噬监 理
中实现了１．７～１２．２ ＧＨｚ的微波带宽的高精度测 量，测量误差低于土０．０７ ＧＨｚ，能够满足现实需要。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（ＩＦＭ）；ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｕｎｔｅｒ