高永勝，王鑫圓，王武營，譚慶貴

(1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710129；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710000)

0 引言

雷達(dá)目標(biāo)多普勒頻移模擬器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)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(dá)信號的多普勒頻移信息，復(fù)現(xiàn)新的回波波形，從而模擬探測目標(biāo)的徑向速度。雷達(dá)目標(biāo)多普勒頻移模擬的實(shí)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(dá)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(dá)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(diǎn)，是現(xiàn)階段雷達(dá)目標(biāo)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(dǎo)致DRFM的瞬時帶寬一般在百M(fèi)Hz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(shù)逐漸難以滿足雷達(dá)目標(biāo)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(shù)的雷達(dá)目標(biāo)模擬器可利用光子技術(shù)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(dá)目標(biāo)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(xué)與達(dá)爾文大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(dá)目標(biāo)動態(tài)模擬的需求。2019年底，中科院上海光機(jī)所和中電51所研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)致射頻信號相位不穩(wěn)，且對于多目標(biāo)雷達(dá)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)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(shù)，根據(jù) I/Q 通道正交相位的實(shí)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(xué)和北京郵電大學(xué)提出的光正交混合方法[10，11]，北京郵電大學(xué)提出的雙波長復(fù)用方法[12]，西南交通大學(xué)提出的相位偏振級聯(lián)調(diào)制方法[13]，空軍工程大學(xué)提出的偏振復(fù)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(yīng)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(shù)光電轉(zhuǎn)換的不可逆特性導(dǎo)致以上方法無法實(shí)現(xiàn)微波光子 I/Q 上變頻，進(jìn)而無法應(yīng)用于雷達(dá)信號的多普勒頻移。2016年，南京航空航天大學(xué)利用偏振復(fù)用調(diào)制器和寬帶正交耦合器，實(shí)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(shí)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(jìn)一步改進(jìn)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(yīng)用進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

本文提出一種基于微波光子學(xué)的寬帶雷達(dá)目標(biāo)多普勒頻移模擬方法，通過構(gòu)建基于偏振復(fù)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(dá)信號直接I/Q調(diào)制，進(jìn)而改變雷達(dá)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(biāo)徑向速度、移動方向和相對雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)偏振復(fù)用，偏振復(fù)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(dá)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(shè)置XI和XQ的直流偏壓，使XI和XQ均工作在最小點(diǎn)，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(shè)置X-DPMZM的直流偏壓使其工作在90°正交點(diǎn)，對XI和XQ兩個子調(diào)制器輸出信號引入相位差90°，實(shí)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(dá)信號表示為VRFsin[2πfRFt+φ(t)]，其中VRF和fRF分別是雷達(dá)信號的幅度和中心頻率，φ(t)表示雷達(dá)信號的相位信息。雷達(dá)信號輸入YI的射頻端口，YQ射頻端口空載。設(shè)置YI的直流偏壓，使YI工作在最小傳輸點(diǎn)，則Y-DPMZM輸出：

(4)

其中mB=πVRF/(2Vπ)為雷達(dá)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(yuǎn)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(fù)用后輸出PDM-DPMZM，然后用光濾波器濾除RF調(diào)制的負(fù)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(fù)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(fù)用信號經(jīng)過PC進(jìn)入起偏器。使用PC調(diào)整光偏振角使偏振復(fù)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(jìn)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(dá)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??；

◆ 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(fù)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(shí)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(dú)立調(diào)諧。這種情況預(yù)期可以通過能任意指定α和θ的電調(diào)PC進(jìn)行改善。因此，該方案可實(shí)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(dá)目標(biāo)多普勒頻移模擬。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)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(dá)信號進(jìn)行I/Q上變頻。I/Q信號和雷達(dá)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(jìn)行起偏，最后PD探測后的電信號通過頻譜儀分析。

設(shè)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(diǎn)，X-DPMZM工作在+900正交點(diǎn)(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(xué)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(shí)驗(yàn)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(fù)用信號以45°進(jìn)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(dá)到最大值。以5MHz為步進(jìn)，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(diǎn)設(shè)置為-90°(負(fù)移頻模式)，測得負(fù)移頻5MHz～25MHz后的信號頻譜如圖3(a)中實(shí)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(shè)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?？梢钥吹剑c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(fù)上述實(shí)驗(yàn)，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(fù)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(shí)驗(yàn)中缺乏高速示波器，僅僅對回波信號的功率調(diào)諧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)(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(chǔ)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(jìn)。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(dǎo)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(dá)目標(biāo)多普勒頻移模擬方案，完成了理論推導(dǎo)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。雷達(dá)信號通過PDM-DPMZM調(diào)制、光濾波、偏振調(diào)控及光電探測后，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)信號的多普勒頻移模擬。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波信號功率的調(diào)諧以模擬雷達(dá)目標(biāo)RCS。該方法可以克服當(dāng)前DRFM雷達(dá)目標(biāo)模擬的帶寬瓶頸，在未來寬帶雷達(dá)目標(biāo)模擬、電子戰(zhàn)干擾轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中極具應(yīng)用潛力。