發(fā)布時(shí)間：2020-03-19 13:34

【摘要】：微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)防科技、科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等多個(gè)方面,涉及到無(wú)線通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、遙感探測(cè)等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中,針對(duì)微波信號(hào)的測(cè)量技術(shù)至關(guān)重要。然而,伴隨著微波技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的微波測(cè)量技術(shù)正面臨瞬時(shí)帶寬、傳輸損耗、電磁干擾等一系列的挑戰(zhàn),越來(lái)越難以滿足寬帶微波信號(hào)的檢測(cè)需求。微波光子學(xué)的興起給微波信號(hào)的測(cè)量與分析帶來(lái)了新的思路。相對(duì)于電子學(xué)方法,其具有瞬時(shí)帶寬大、抗電磁干擾強(qiáng)、損耗低、輕型便攜等優(yōu)勢(shì)。以此為研究背景,本文圍繞光子型微波信號(hào)參數(shù)測(cè)量技術(shù),開(kāi)展了以下三方面研究:寬帶微波信號(hào)的瞬時(shí)頻率測(cè)量(IFM)、脈內(nèi)多維參數(shù)測(cè)量和調(diào)制格式識(shí)別、多普勒頻移(DFS)測(cè)量。1.提出了一種微波信號(hào)類型及頻率測(cè)量的方案。首先,利用偏振保持光纖的高雙折射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)光梳狀濾波器。其次,基于頻率-幅度映射原理,將連續(xù)波(CW)和脈沖微波信號(hào)的頻率信息分別轉(zhuǎn)為直流和低頻交流信號(hào)的幅度信息。CW信號(hào)被轉(zhuǎn)化為直流信號(hào),脈沖微波信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào),通過(guò)簡(jiǎn)單邏輯電路(如電容和電感)將直流信號(hào)和交流信號(hào)分離。最后,分別鑒別直流信號(hào)及交流信號(hào)(如一次諧波信號(hào))的幅值,得到幅度比函數(shù),以此反推出CW和脈沖信號(hào)的載波頻率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性,當(dāng)微波信號(hào)的載波頻率在5~20 GHz時(shí),脈沖重復(fù)頻率分別為0.25 MHz,0.5 MHz,和1MHz的微波信號(hào),頻率測(cè)量誤差分別在±0.1 GHz,±0.11GHz和±0.13 GHz以內(nèi);對(duì)于CW信號(hào),其頻率測(cè)量誤差在±0.08 GHz以內(nèi);同時(shí),該方案實(shí)現(xiàn)了CW和脈沖微波信號(hào)的鑒別。2.基于光梳狀濾波器,設(shè)計(jì)了三種并行量化編碼的數(shù)字式IFM方案,實(shí)現(xiàn)了不同二進(jìn)制編碼的數(shù)字化頻率測(cè)量結(jié)果。(1)基于倍增FSR式光梳狀濾波器陣列,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有自然二進(jìn)制編碼的測(cè)頻方案,其測(cè)量范圍為FSR,有效編碼位數(shù)為N。(2)結(jié)合多個(gè)相移光梳狀濾波器及單個(gè)倍增FSR式光梳狀濾波器,設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化頻率測(cè)量方案。僅需要一個(gè)高雙折射介質(zhì)即可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)相移光梳狀濾波器及倍增FSR的光梳狀濾波器,測(cè)量范圍擴(kuò)展為2×FSR,有效編碼位數(shù)為2(10)log_2~((N-1))。(3)基于互補(bǔ)光梳狀濾波器的數(shù)字化測(cè)頻方案。無(wú)需判別閾值,直接比較互補(bǔ)光濾波器兩輸出端口的光功率大小,得到二進(jìn)制編碼的數(shù)字化測(cè)頻結(jié)果。基于上述的三種結(jié)構(gòu),通過(guò)ASPIC仿真軟件,設(shè)計(jì)了具有馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)式多端口輸出的光梳狀濾波器,通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)MZI兩臂差即可得到相移和倍增兩種模式的光梳狀濾波器。3.提出一種光子型微波信號(hào)脈內(nèi)參數(shù)測(cè)量及調(diào)制格式識(shí)別方案。首先,分析了不同調(diào)制類型信號(hào)的時(shí)頻特征,可以看出時(shí)頻特征反映了信號(hào)的調(diào)制類型。其次,從時(shí)域分析方法出發(fā),理論上分析了光干涉儀結(jié)構(gòu)對(duì)簡(jiǎn)單脈沖微波信號(hào)、脈內(nèi)調(diào)制格式為BPSK、QPSK、LFM、BFSK、3FSK、4FSK信號(hào)的特征影響,并通過(guò)MZI驗(yàn)證了對(duì)上述微波信號(hào)的多維參數(shù)測(cè)量及調(diào)制格式識(shí)別。最后,理論分析了商用光器件搭建的IFM系統(tǒng)對(duì)不同信噪比下的微波信號(hào)及微弱微波信號(hào)的靈敏度,并給出了改善方法。4.基于光域混頻結(jié)構(gòu),提出了兩種高分辨率DFS測(cè)量方案。(1)基于級(jí)聯(lián)電光調(diào)制器(EOM)和光頻移器混頻結(jié)構(gòu)的DFS測(cè)量方案。激光器發(fā)出的光波被分成兩路:一支路中,發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)被加載到級(jí)聯(lián)的EOM上,它們之間的DFS信息被轉(zhuǎn)化為靠近光載波附近的光邊帶上。另一路中,光載波被上頻移了給定的頻率值(幾MHz到幾百M(fèi)Hz)。兩路合并的光信號(hào)經(jīng)低速光電轉(zhuǎn)換后得到低頻射頻信號(hào),對(duì)比該射頻信號(hào)的峰值頻率與給定頻移,得到DFS的大小和方向。(2)基于并聯(lián)EOM與相干光域正交解調(diào)方案。發(fā)射的微波信號(hào)和接收到的回波信號(hào)被加載在并聯(lián)的EOM上,它們之間的DFS被轉(zhuǎn)化為指定光邊帶的頻差,經(jīng)低速光電探測(cè)后得到同相和正交的DFS信號(hào)。通過(guò)對(duì)它們的頻譜和相位差的分析,實(shí)現(xiàn)DFS大小和方向鑒別。綜上所述,基于光域處理技術(shù),本文分別實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)的IFM、脈內(nèi)參數(shù)測(cè)量與調(diào)制格式識(shí)別、DFS測(cè)量,在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
【圖文】：

[3-12]。圖1-1 電子學(xué)方法和光子學(xué)方法的微波測(cè)量[3]Fig. 1-1 Microwave measurements and photonic solutions[3](EMI: electromagnetic interference)目前，電子學(xué)方法依然是微波測(cè)量中最為典型的方法[3-12]。它被廣泛應(yīng)用在各種微波系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能，例如，時(shí)域波形測(cè)量、功率/電壓測(cè)量、頻率/頻譜測(cè)量、噪聲測(cè)量、散射參數(shù)測(cè)量、矢量/標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析、環(huán)境變化監(jiān)測(cè)。此外，隨著電子技術(shù)發(fā)展，很多新的功能已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，，如非線性系統(tǒng)中多功能信號(hào)測(cè)量、實(shí)時(shí)信號(hào)分析以及矢量信號(hào)網(wǎng)絡(luò)分析。然而，隨著微波和射頻技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們對(duì)高速、大容量數(shù)據(jù)通信的增長(zhǎng)式需求，傳統(tǒng)的微波測(cè)量技術(shù)正面臨著一系列的挑戰(zhàn)[3-12]。一方面，隨著雷達(dá)和下一代通信技術(shù)頻段向毫米波段發(fā)展

的發(fā)展機(jī)遇。1.2 微波光子信號(hào)測(cè)量研究現(xiàn)狀圖1-2 光子學(xué)方法執(zhí)行的微波測(cè)量功能Fig. 1-2 Measurement functionalities enabled by photonic approach微波光子測(cè)量技術(shù)是微波光子學(xué)眾多研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，大致涉及到兩方面的測(cè)量[3, 43]。一個(gè)是微波信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量，包括頻率/頻譜、幅度(PA)、脈沖寬度(PW)，脈沖重復(fù)頻率(PRF)、調(diào)制格式、相位噪聲等多個(gè)參數(shù)測(cè)量；另外一個(gè)是利用微波作為中間參量執(zhí)行非接觸物體特征參數(shù)測(cè)量，如到達(dá)角度(AOA)測(cè)量、位置和速度測(cè)量。圖 1-2 所示為光子學(xué)方法執(zhí)行的測(cè)量功能，包含了電子學(xué)方法所能涉及的對(duì)象。下面我們就微波光子測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。1.2.1 頻率/頻譜測(cè)量研究現(xiàn)狀就目前的研究情況來(lái)看，光子學(xué)微波測(cè)頻方案大致可以劃分為五類：掃描型[45-55]、頻率-幅度映射型[56-99]、頻率-時(shí)間映射型[100, 101]、信道化型[102-125]、壓縮感知技術(shù)[126-143]，其中信道化型測(cè)頻按原理又可以分為空分式(SDM)[102, 103]、波分復(fù)用式(WDM)[104-119]、時(shí)分復(fù)用式(TDM)[120-125]三種結(jié)構(gòu)。掃描型測(cè)頻與寬帶電子技術(shù)型測(cè)頻儀表類似
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN015

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本文編號(hào)：2590294