基于微波光子技术对到达时差和抵达角的估计

常　超

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)



基于微波光子技术对到达时差和抵达角的估计

常超

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

针对传统方法测量雷达时域参数方法较不够灵活的问题，提出了一种基于光功率测量估计微波参数的方法。该测量方法主要基于两个马-曾干涉仪，原理是通过测量输出端的光功率反推得到两个微波信号之间的相位差，进而计算到达时差(TDOA)和抵达角(AOA)。通过对模型仿真，发现该方法可有效测量微波时域参数，且具有较高的精度。

微波；光子技术；到达时差和抵达角估计

应用于雷达和电子战的微波信号接收机需要具有获取超带宽未知微波信号的瞬时频率，脉冲宽度，到达时差(TDOA)和抵达角(AOA)以及调制方式等能力。随着毫米波雷达的日益普及，由于受到接收机有限带宽的限制，现有雷达常数测量技术不够灵活[1]，不能满足应用需求。利用微波光子技术实现雷达参数测量的方法已经很普遍。微波光子技术在处理微波信号时具有许多优点，其较宽的瞬时带宽适合于传输、控制和处理宽带微波信号。已有的研究侧重于宽带微波信号的频率测量和频谱分析[2-4]。但迄今为止对于到达时差和抵达角度等关键参数测量的方法则较少。对此，本文提出了一种基于微波光子技术对关键参数TDOA和AOA的估计方法。

1　系统结构及原理

本文提出TDOA和AOA估计方法是基于两个电光调制器实现的，TDOA和AOA的测量被转换成两个级联的调制器上调制信号之间相移的测量[5]。从连续激光器发射的光载波经过第一个强度调制器上的微波信号调制后在光载波的两边产生两个一阶边带[6]。因调制器工作在载波抑制方式，所以光载波受到抑制。这两个边带通过第二个强度调制器时，被与前一个调制信号同频不同相的微波信号调制。因第二个强度调制器也工作在载波抑制方式，所以在原始光载波上产生了两个同频的光学成分，但这两个成分是同频不同相的。由于这两个光学成分的相干干涉，载波处的总功率是相移的一个函数[7]。因此通过测量光功率可实现对相移的估计，进而计算出信号到达时差和抵达角。因该测量方法是在光域实现的，所以有较强的抗干扰能力。此系统的结构框图如图1所示，该系统包括一个连续波激光器(CW)、两个强度调制器(MZM)、一个光学陷波器和光功率计。通过调节调制器的偏置电压使两个强度偏置器都工作在抑制载波上边带调制上[8]。

图1　测量TDOA和AOA的系统框图

假设AOA为θ，则到达时差τ可由下式得出

(1)

其中，d是两个调制器之间接收天线的距离；c是真空中的光速。相移φ、到达时差τ，抵达角θ之间的关系式可由下式表达

(2)

(3)

其中，Ω是微波信号的角频率；L是两个调制器的光链路长度；k是由系统的物理参数决定的常数[9]。

由于第一个强度调制器工作在载波抑制偏置点，所以经过第一个调制器输出的光场可表示为

E1(t)∝jJ1(β1)[expj(ω-Ω)t+expj(ω+Ω)t]

(4)

其中，ω是来自于连续激光器的光载波角频率；β1是第一个调制器的调制深度；J1(·)是一阶贝塞尔函数[9]。由上式可知，载波产生了两个一阶边带。这两个边带被第二个强度调制器中与第一个调制信号有相位差的微波信号调制，因第二个强度调制器也工作在载波抑制偏置点，所以第二个强度调制器的输出光场[10]可表示为

(5)

其中，β2是第二个调制器的调制深度。由式(5)可知，载波经过两个调制器后产生了两个相同频率 的光学成分，同时也产生了其他的频率成分。多余的频率成分可利用一个固定中心频率和带宽的光学滤波器滤除。剩余两个光学部分的总光功率可表示为

p3∝2[J1(β1)J1(β2)]2×[1+cos(2φ)]

(6)

由式(6)可知，光功率是相移φ的函数，所以通过计算光功率可估算相移φ。得到相移φ后，通过式(2)和式(3)可计算出到达时差τ和抵达角θ。需要注意的是对于抵达角的估计，两个调制器的固定载波抑制是关键，载波抑制的调节可通过调节直流偏置电压或者直接利用陷波器来实现[11]。

2　系统仿真验证

使用Optisystem光学仿真软件对该系统进行仿真，验证本文测量方法的有效性。仿真结构如图1所示，由于单端的强度调制器会受到偏置漂移的影响，并缺乏直流偏置控制器，为了使调制器工作于载波抑制方式，在仿真中使用一个理想的陷波器抑制光载波进入第二个调制器。在第二个强度调制器后接入一个光滤波器，实现保留原始载波处的光学部分，移除其他频率成分的功能。然后通过一个光功率计测量总光功率。在仿真中，连续激光器发射的光载波波长为1 550 nm，线宽为10 MHz，两个强度调制器中加载的微波信号同频不同相。

载波经过第一个强度调制器后产生两个边带，在第一个强度调制器后接入一个波长为1 550 nm，带宽10 GHz的陷波器来实现光载波抑制。这两个边带信号传输到第二个强度调制器后，由于两个强度调制器中的微波信号频率相同，相位不同，所以会在光原始载波处产生同频的两个光学成分[12]。这两个光学成分输出的总光功率就是微波信号相位差的函数。通过测量载波波长上的功率值，能够估算出微波信号的相移，从而得出到达时间差和抵达角。

为验证式(6)的正确性，设加载到两个强度调制器(MZM) 上的微波信号频率设定为 18 GHz。第二个强度调制器上加载的微波信号和第一个强度调制器上加载的微波信号之间有一个相位差φ，该相位差由-160°～ 40°，以 20°的步长线性变化，最后得到的光功率通过光功率计来测量。不同初始相位差所对应的测量功率如图2所示，可看出本文的计算结果和仿真结果基本一致。

图2　功率与相移曲线关系图

由式(2)和式(3)可知，相移影响到达时差τ和抵达角θ的计算精度。若要提高对到达时差和抵达角的测量精度，首先需要对相移φ准确测量。系统中实际的相移φ可通过测量的总功率反推得到。为了验证该方法对相移φ的检测精度。图3显示了微波信号的测量误差。由图3可知，测量相位差的误差基本可以控制在3°以内。若将相位和功率强度关系曲线映射在余弦函数的线性区域，可适当提高相位差的测量精度，但也相应减小测量范围[13]。若要增大测量范围可做分段处理，这样测量范围也就相应分段，总的测量范围增大。

图3　相位差误差曲线

3　微波参数计算结果

由总功率反推出相移φ后，代入式(2)和式(3)可计算出微波信号到达时差τ和抵达角θ。设两个天线的距离d=0.1 m，调制器之间的链路长度L=3.86 m。根据计算可得到，到达时差τ能测量的范围是-24.7～6.2 ps。若将整个光链路所导致的固定时间延迟也包括在测量范围之内[14]，可得到微波信号的到达时差τ的测量误差为0.44 ps之内。到达时差τ随相移φ的变化关系如图4所示。

图4　到达时差与相移的关系

图5　抵达角与相移的关系

根据所得的到达时差τ，由式(3)可计算出抵达角θ的值。图5为d=0.1 m与d=0.05 m时抵达角θ随相移φ的变化关系。根据仿真结果可知，当天线距离d=0.1 m时抵达角的测量范围约为88.5°～94°，当天线距离d=0.05 m时，抵达角的测量范围约为88°～98°。由此可知，若要扩大微波信号抵达角φ的测量范围，可适当减小两个接收天线的距离，但在实际应用中，天线之间的距离并不能做到较短，比如达到厘米甚至是毫米数量级是不现实的[15]，所以该测量范围并不能达到全覆盖。

4　结束语

本文提出了一种基于微波光子技术测量到达时差和抵达角的方法。该方法的主要部件是两个电光调制器，通过接收到的光功率反推出施加在两个调制器件上的微波信号相位差，再由相位差计算出微波信号到达时差和抵达角。所以对微波信号相位差的测量精度影响着对微波信号到达时差和抵达角的计算精度。通过实例仿真可知，本方法可有效、准确的测量微波信号到达时差和抵达角，并可应用到实际测量中。

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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，硕士研究生。研究方向：集成光学调制器的建模仿真及信号处理。

TN957.5

A

1007-7820(2016)08-043-03