基于微波光子I/Q混頻的寬帶低失真多普勒頻移模擬①

高永勝，王鑫圓，王武營，譚慶貴

(1.西北工業(yè)大學電子信息學院，西安 710129；2.中國空間技術研究院西安分院空間微波技術國家級重點實驗室，西安 710000)

0 引言

雷達目標多普勒頻移模擬器廣泛應用于雷達系統(tǒng)研制、調(diào)試和操作使用的各個階段[1]，它通過調(diào)控雷達信號的多普勒頻移信息，復現(xiàn)新的回波波形，從而模擬探測目標的徑向速度。雷達目標多普勒頻移模擬的實現(xiàn)途徑主要包括模擬射頻存儲(Analog RF Memory，ARFM)和數(shù)字射頻存儲(Digital RF Memory，DRFM)。ARFM利用微波I/Q混頻器對雷達信號直接調(diào)制產(chǎn)生多普勒頻移，受傳統(tǒng)I/Q混頻器的影響，ARFM常存在帶寬受限、I/Q幅相失衡等問題。DRFM在數(shù)字域完成雷達信號多普勒頻移模擬，具有相參性好、精度高、信號種類多樣等優(yōu)點，是現(xiàn)階段雷達目標多普勒頻移模擬的主要方法。但商用ADC和DAC的采樣率、分辨率以及FPGA的數(shù)據(jù)處理能力有限，導致DRFM的瞬時帶寬一般在百MHz量級以內(nèi)[2]，且隨著帶寬的增加其有效量化位數(shù)和雜散抑制比也顯著下降。傳統(tǒng)ARFM和DRFM技術逐漸難以滿足雷達目標模擬系統(tǒng)對大瞬時帶寬、寬頻段覆蓋、低雜散失真能力的迫切需要。

基于微波光子技術的雷達目標模擬器可利用光子技術大帶寬、低頻率依賴和抗電磁干擾的優(yōu)勢[3-5]，避免模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，為超寬帶雷達目標模擬提供一種更為簡單有效的解決方案。目前報道的能夠?qū)崿F(xiàn)多普勒頻移的方法包括：光纖色散時頻映射、聲光移頻、微波光子 I/Q 混頻。2018年，暨南大學與達爾文大學研究團隊提出基于色散時頻映射的多普勒頻移方法[6]，但該方法多普勒頻移大小取決于光纖色散值(光纖長度)，因此調(diào)諧性差，不能滿足雷達目標動態(tài)模擬的需求。2019年底，中科院上海光機所和中電51所研究團隊提出基于雙聲光頻移調(diào)諧的多普勒頻移架構(gòu)[7]，該方法簡單靈活、雜散抑制較好，但并行光路的非穩(wěn)定相干導致射頻信號相位不穩(wěn)，且對于多目標雷達信號多普勒頻移可能面臨混疊問題。微波光子 I/Q 混頻方法通過構(gòu)造單邊帶上變頻，實現(xiàn)雷達信號的多普勒頻移模擬。微波光子 I/Q 混頻結(jié)合了光子雙通道混頻和移相技術，根據(jù) I/Q 通道正交相位的實現(xiàn)方法可分為電移相[8]、色散移相[9]、光子移相[10-12]三類。2015至2019年涌現(xiàn)出多種光子I/Q下變頻方法，包括南京航空航天大學和北京郵電大學提出的光正交混合方法[10，11]，北京郵電大學提出的雙波長復用方法[12]，西南交通大學提出的相位偏振級聯(lián)調(diào)制方法[13]，空軍工程大學提出的偏振復用調(diào)制方法[14]，筆者提出的雙通道偏振調(diào)控方法[15，16]等。這些微波光子I/Q下變頻主要應用于鏡像抑制變頻、矢量信號直接解調(diào)以及多普勒頻移測量。與傳統(tǒng)微波 I/Q 混頻器不同，微波光子技術光電轉(zhuǎn)換的不可逆特性導致以上方法無法實現(xiàn)微波光子 I/Q 上變頻，進而無法應用于雷達信號的多普勒頻移。2016年，南京航空航天大學利用偏振復用調(diào)制器和寬帶正交耦合器，實現(xiàn)了等效單邊帶矢量調(diào)制[17]。2017年筆者利用雙通道上變頻的方法同時實現(xiàn)單邊帶上變頻和矢量信號調(diào)制[18]，接著利用平衡探測進一步改進方案，提高了信號質(zhì)量[19]。但截至目前報到的這些方案主要用于信號上變頻和矢量信號調(diào)制，并未對多普勒頻移模擬的應用進行研究和驗證。

本文提出一種基于微波光子學的寬帶雷達目標多普勒頻移模擬方法，通過構(gòu)建基于偏振復用(Polarization Division Multiplexing，PDM)雙平行馬曾調(diào)制器(Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator,DPMZM)的微波光子I/Q上變頻系統(tǒng)，多普勒頻移分量對雷達信號直接I/Q調(diào)制，進而改變雷達信號的多普勒頻移大小、方向以及回波信號的功率，最終模擬目標徑向速度、移動方向和相對雷達散射截面(Radar Cross Section,RCS)。實驗分別測試了中心頻率為15GHz和20GHz的單音和寬帶射頻信號經(jīng)過不同數(shù)值(5MHz到25MHz)、不同頻移方向(正向和反向)的多普勒頻移后信號頻譜，雜散抑制比均在30dB以上。

1 方案原理

本文提出的基于微波光子I/Q混頻的多普勒頻移模擬方案如圖1所示，主要由直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)、激光器(Laser Diode，LD)、PDM-DPMZM、摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)、光濾波器、偏振控制器(Polarization Controller，PC)、起偏器和光電探測器(Photodetector，PD)組成。

PDM-DPMZM由一個光分路器、兩個并行的DPMZM(X-DPMZM和Y-DPMZM)、900偏振旋轉(zhuǎn)器(Polarization Rotator，PR)和一個偏振合束器(Polarization Beam Combiner，PBC)組成。其中X-DPMZM內(nèi)部包含兩個并聯(lián)的子調(diào)制器XI和XQ，Y-DPMZM內(nèi)部包含兩個并聯(lián)的子調(diào)制器YI和YQ。X-DPMZM和Y-DPMZM輸出的光信號共同輸入PBC實現(xiàn)偏振復用，偏振復用信號從PDM-DPMZM調(diào)制器輸出。DDS的兩個輸出端口分別通過電纜連接XI和XQ的射頻端口，待處理的雷達射頻(Radio Frequency，RF)信號通過電纜連接到Y(jié)I的射頻端口，YQ射頻端口空載。

圖1 方案原理圖

激光器輸出光載波信號表示為Ein(t)=Ecexp(j2πfct)，其中Ec為光載波的光場幅度，fc為光載波的頻率。該光載波信號在PDM-DPMZM中分為四路，分別送入XI、XQ、YI和YQ子調(diào)制器。DDS產(chǎn)生的兩路相位正交的多普勒頻率分量分別表示為I(t)=Asin(2πfdt)和Q(t)=Acos(2πfdt)，其中A為多普勒頻率分量的幅度，fd為多普勒頻率。這兩個正交信號分別在子調(diào)制器XI和XQ中對光載波調(diào)制。設置XI和XQ的直流偏壓，使XI和XQ均工作在最小點，則XI和XQ子調(diào)制器輸出的光信號分別可表示為：

(1)

(2)

其中mA=πA/(2Vπ)為調(diào)制指數(shù)，Vπ為調(diào)制器半波電壓。

通過設置X-DPMZM的直流偏壓使其工作在90°正交點，對XI和XQ兩個子調(diào)制器輸出信號引入相位差90°，實現(xiàn)兩個多普勒頻移分量的I/Q光調(diào)制，則輸出X-DPMZM的光信號表示為：

sin[mAcos(2πfdt)]]

(3)

雷達信號表示為VRFsin[2πfRFt+φ(t)]，其中VRF和fRF分別是雷達信號的幅度和中心頻率，φ(t)表示雷達信號的相位信息。雷達信號輸入YI的射頻端口，YQ射頻端口空載。設置YI的直流偏壓，使YI工作在最小傳輸點，則Y-DPMZM輸出：

(4)

其中mB=πVRF/(2Vπ)為雷達信號的調(diào)制指數(shù)，在小信號調(diào)制情況下，mB=1，高階貝塞爾函數(shù)值遠小于低階貝塞爾函數(shù)，高階光邊帶可以被忽略，在只考慮一階光邊帶的情況下，J1(mB)≈mB/2，則(4)式可以化簡為：

(5)

X-DPMZM和Y-DPMZM輸出的光信號偏振復用后輸出PDM-DPMZM，然后用光濾波器濾除RF調(diào)制的負一階邊帶，剩下多普勒頻率分量I/Q調(diào)制光信號和RF調(diào)制的正一階邊帶。此時偏振復用信號包含的X分量不變，Y分量變?yōu)椋?/p>

(6)

濾波后的偏振復用信號經(jīng)過PC進入起偏器。使用PC調(diào)整光偏振角使偏振復用光與起偏器的角度差為α，調(diào)整光的方位角使兩個偏振分量的相位差為θ，則起偏器輸出的光信號表示為：

Epol(t)=EX(t)cosα+EY_OF(t)sinαexp(jθ)

(7)

起偏器輸出的光信號進入PD光電探測，在小信號調(diào)制情況下，高階光邊帶可以被忽略，PD輸出的射頻信號電流表示為：

(8)

即所需的經(jīng)過多普勒頻移+fd的雷達信號。由上式可以看出：

◆ 通過DDS改變多普勒頻率分量fd的大小可以改變多普勒頻移的數(shù)值大小；

◆ 通過DDS兩通道多普勒頻移分量的相位差(+90度或-90度)可以改變多普勒頻移的方向；

◆ 通過PC調(diào)整偏振復用光與起偏器的角度差α可以改變信號幅度；

◆ 通過PC調(diào)整兩個偏振分量的相位差θ可以改變回波信號相位。

在實際情況中，手調(diào)PC會產(chǎn)生偏振方向和偏振引入相移互相影響的問題，難以獨立調(diào)諧。這種情況預期可以通過能任意指定α和θ的電調(diào)PC進行改善。因此，該方案可實現(xiàn)多普勒頻移數(shù)值大小、方向、回波功率、回波相位均可以調(diào)諧的寬帶雷達目標多普勒頻移模擬。

2 實驗驗證

在實驗中，按照原理圖1所示連接各器件和儀器，部分器件的具體型號參數(shù)如表1所示。

表1 器件的型號參數(shù)

激光器輸出的光載波發(fā)送到PDM-DPMZM，對雷達信號進行I/Q上變頻。I/Q信號和雷達信號分別由任意函數(shù)發(fā)生器和矢量信號源產(chǎn)生，之后依次通過EDFA和光濾波器，然后通過調(diào)控PC來控制光波的偏振角與方位角進行起偏，最后PD探測后的電信號通過頻譜儀分析。

設置任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生雙通道的正弦信號，兩信號功率均為5dBm，頻率均為25MHz，相位差900。矢量信號源產(chǎn)生的寬帶射頻信號中心頻率為15GHz，信號帶寬為20MHz，功率為10dBm。調(diào)節(jié)直流源電壓，使XI、XQ、YI、YQ工作在最小點，X-DPMZM工作在+900正交點(正移頻狀態(tài))。經(jīng)過光濾波器前后的光譜如圖2所示。經(jīng)過光濾波器后，-1階光學邊帶和殘余載波被很好地抑制。

(a)光濾波器后的光譜 (b)光濾波器后的光譜

實驗中首先測試了中心頻率為15GHz單音射頻信號的多普勒頻移情況，通過調(diào)節(jié)PC，使偏振復用信號以45°進入起偏器，此時PD輸出的多普勒頻移信號(中心頻率為15GHz+5MHz)的頻譜功率達到最大值。以5MHz為步進，依次增加任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的雙通道正弦信號頻率為10MHz、15MHz、20MHz和25MHz，使用頻譜儀測試輸出PD的信號頻譜，在圖3(a)中用虛線繪出。接下來將X-DPMZM的正交點設置為-90°(負移頻模式)，測得負移頻5MHz～25MHz后的信號頻譜如圖3(a)中實線所示。可以看到，在移頻范圍從-25MHz到+25MHz變化過程中，多普勒頻移后的頻譜質(zhì)量較好，所需要的移頻信號功率保持相對穩(wěn)定，對雜散失真的抑制比在30dB以上。然后將射頻信號設為帶寬20MHz的調(diào)制信號，頻譜類型為高斯型，同樣測得寬帶射頻信號多普勒頻移-25MHz到+25MHz后的頻譜如圖3(b)所示?？梢钥吹?，與單音射頻信號多普勒頻移類似，寬帶射頻信號經(jīng)過不同大小和方向的多普勒頻移后所需要的信號功率保持平穩(wěn)，雜散抑制比依然大于30dB。

調(diào)整矢量信號源將單音射頻信號和寬帶射頻信號的中心頻率更改為20GHz，重復上述實驗，測得移頻范圍從-25MHz到+25MHz后的多普勒頻移頻譜如圖4(a、b)所示。無論是單音還是寬帶射頻信號，在經(jīng)過不同大小和方向的多普勒頻移后，信號幅度穩(wěn)定，對雜散失真的抑制比高于30dB，得到的多普勒頻移信號質(zhì)量很好。該結(jié)果表明，本文所提出的方案具有很好的頻率調(diào)諧特性。

(a)單音信號 (b)寬帶信號

根據(jù)理論分析，通過PC調(diào)整偏振復用光與起偏器的角度差α可以改變多普勒頻移后的回波信號幅度，通過PC調(diào)整兩個偏振分量的相位差θ可以改變多普勒頻移后的回波信號相位。由于實驗中缺乏高速示波器，僅僅對回波信號的功率調(diào)諧進行了實驗驗證。調(diào)整矢量信號源將寬帶射頻信號中心頻率更改為15GHz，帶寬為20MHz，通過任意函數(shù)發(fā)生器將雙通道正弦信號頻率更改為25MHz，調(diào)節(jié)直流源電壓，使X-DPMZM工作在+900正交點(正移頻狀態(tài))，在PD后產(chǎn)生15.025GHz的多普勒頻移信號。在此基礎上調(diào)節(jié)PC，更改偏振角度從而調(diào)節(jié)多普勒頻移信號功率從-16dBm改變到-6dBm，以2dB為步進。最終得到不同功率的電譜如圖5所示，表明該方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多普勒頻移，還具有功率調(diào)諧的功能，與理論推導相吻合。

圖5 不同功率的多普勒頻移信號頻譜

3 結(jié)論

文章提出了一種基于微波光子I/Q混頻的寬帶雷達目標多普勒頻移模擬方案，完成了理論推導并進行了實驗驗證。雷達信號通過PDM-DPMZM調(diào)制、光濾波、偏振調(diào)控及光電探測后，實現(xiàn)了雷達信號的多普勒頻移模擬。實驗中分別測試了不同頻率下單音與寬帶射頻信號經(jīng)過-25MHz到+25MHz多普勒頻移后的頻譜質(zhì)量，以及多普勒頻移后的功率調(diào)諧能力。實驗結(jié)果表明該方案可實現(xiàn)寬帶雷達信號寬工作頻段、大頻移范圍、低雜散失真的多普勒頻移模擬，并可通過光偏振角實現(xiàn)雷達回波信號功率的調(diào)諧以模擬雷達目標RCS。該方法可以克服當前DRFM雷達目標模擬的帶寬瓶頸，在未來寬帶雷達目標模擬、電子戰(zhàn)干擾轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中極具應用潛力。