【摘要】：微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防科技、科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等多個方面,涉及到無線通信、衛(wèi)星通信、雷達、電子戰(zhàn)、遙感探測等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中,針對微波信號的測量技術(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)的微波測量技術(shù)正面臨瞬時帶寬、傳輸損耗、電磁干擾等一系列的挑戰(zhàn),越來越難以滿足寬帶微波信號的檢測需求。微波光子學的興起給微波信號的測量與分析帶來了新的思路。相對于電子學方法,其具有瞬時帶寬大、抗電磁干擾強、損耗低、輕型便攜等優(yōu)勢。以此為研究背景,本文圍繞光子型微波信號參數(shù)測量技術(shù),開展了以下三方面研究:寬帶微波信號的瞬時頻率測量(IFM)、脈內(nèi)多維參數(shù)測量和調(diào)制格式識別、多普勒頻移(DFS)測量。1.提出了一種微波信號類型及頻率測量的方案。首先,利用偏振保持光纖的高雙折射效應(yīng)實現(xiàn)互補光梳狀濾波器。其次,基于頻率-幅度映射原理,將連續(xù)波(CW)和脈沖微波信號的頻率信息分別轉(zhuǎn)為直流和低頻交流信號的幅度信息。CW信號被轉(zhuǎn)化為直流信號,脈沖微波信號轉(zhuǎn)化為交流信號,通過簡單邏輯電路(如電容和電感)將直流信號和交流信號分離。最后,分別鑒別直流信號及交流信號(如一次諧波信號)的幅值,得到幅度比函數(shù),以此反推出CW和脈沖信號的載波頻率。通過實驗驗證了方案的可行性,當微波信號的載波頻率在5~20 GHz時,脈沖重復頻率分別為0.25 MHz,0.5 MHz,和1MHz的微波信號,頻率測量誤差分別在±0.1 GHz,±0.11GHz和±0.13 GHz以內(nèi);對于CW信號,其頻率測量誤差在±0.08 GHz以內(nèi);同時,該方案實現(xiàn)了CW和脈沖微波信號的鑒別。2.基于光梳狀濾波器,設(shè)計了三種并行量化編碼的數(shù)字式IFM方案,實現(xiàn)了不同二進制編碼的數(shù)字化頻率測量結(jié)果。(1)基于倍增FSR式光梳狀濾波器陣列,設(shè)計并實現(xiàn)了具有自然二進制編碼的測頻方案,其測量范圍為FSR,有效編碼位數(shù)為N。(2)結(jié)合多個相移光梳狀濾波器及單個倍增FSR式光梳狀濾波器,設(shè)計了一種數(shù)字化頻率測量方案。僅需要一個高雙折射介質(zhì)即可以實現(xiàn)多個相移光梳狀濾波器及倍增FSR的光梳狀濾波器,測量范圍擴展為2×FSR,有效編碼位數(shù)為2(10)log_2~((N-1))。(3)基于互補光梳狀濾波器的數(shù)字化測頻方案。無需判別閾值,直接比較互補光濾波器兩輸出端口的光功率大小,得到二進制編碼的數(shù)字化測頻結(jié)果。基于上述的三種結(jié)構(gòu),通過ASPIC仿真軟件,設(shè)計了具有馬赫曾德爾干涉儀(MZI)式多端口輸出的光梳狀濾波器,通過簡單調(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脈內(nèi)參數(shù)測量及調(diào)制格式識別方案。首先,分析了不同調(diào)制類型信號的時頻特征,可以看出時頻特征反映了信號的調(diào)制類型。其次,從時域分析方法出發(fā),理論上分析了光干涉儀結(jié)構(gòu)對簡單脈沖微波信號、脈內(nèi)調(diào)制格式為BPSK、QPSK、LFM、BFSK、3FSK、4FSK信號的特征影響,并通過MZI驗證了對上述微波信號的多維參數(shù)測量及調(diào)制格式識別。最后,理論分析了商用光器件搭建的IFM系統(tǒng)對不同信噪比下的微波信號及微弱微波信號的靈敏度,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測量方案。(1)基于級聯(lián)電光調(diào)制器(EOM)和光頻移器混頻結(jié)構(gòu)的DFS測量方案。激光器發(fā)出的光波被分成兩路:一支路中,發(fā)射信號和回波信號被加載到級聯(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MHz)。兩路合并的光信號經(jīng)低速光電轉(zhuǎn)換后得到低頻射頻信號,對比該射頻信號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)射的微波信號和接收到的回波信號被加載在并聯(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)低速光電探測后得到同相和正交的DFS信號。通過對它們的頻譜和相位差的分析,實現(xiàn)DFS大小和方向鑒別。綜上所述,基于光域處理技術(shù),本文分別實現(xiàn)了微波信號的IFM、脈內(nèi)參數(shù)測量與調(diào)制格式識別、DFS測量,在雷達、通信、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
【圖文】：

[3-12]。圖1-1 電子學方法和光子學方法的微波測量[3]Fig. 1-1 Microwave measurements and photonic solutions[3](EMI: electromagnetic interference)目前，電子學方法依然是微波測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)，用來實現(xiàn)不同的測量功能，例如，時域波形測量、功率/電壓測量、頻率/頻譜測量、噪聲測量、散射參數(shù)測量、矢量/標量網(wǎng)絡(luò)分析、環(huán)境變化監(jiān)測。此外，隨著電子技術(shù)發(fā)展，很多新的功能已經(jīng)被開發(fā)出來，，如非線性系統(tǒng)中多功能信號測量、實時信號分析以及矢量信號網(wǎng)絡(luò)分析。然而，隨著微波和射頻技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們對高速、大容量數(shù)據(jù)通信的增長式需求，傳統(tǒng)的微波測量技術(shù)正面臨著一系列的挑戰(zhàn)[3-12]。一方面，隨著雷達和下一代通信技術(shù)頻段向毫米波段發(fā)展

的發(fā)展機遇。1.2 微波光子信號測量研究現(xiàn)狀圖1-2 光子學方法執(zhí)行的微波測量功能Fig. 1-2 Measurement functionalities enabled by photonic approach微波光子測量技術(shù)是微波光子學眾多研究領(lǐng)域的一個熱點，大致涉及到兩方面的測量[3, 43]。一個是微波信號的關(guān)鍵參數(shù)測量，包括頻率/頻譜、幅度(PA)、脈沖寬度(PW)，脈沖重復頻率(PRF)、調(diào)制格式、相位噪聲等多個參數(shù)測量；另外一個是利用微波作為中間參量執(zhí)行非接觸物體特征參數(shù)測量，如到達角度(AOA)測量、位置和速度測量。圖 1-2 所示為光子學方法執(zhí)行的測量功能，包含了電子學方法所能涉及的對象。下面我們就微波光子測量技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行介紹。1.2.1 頻率/頻譜測量研究現(xiàn)狀就目前的研究情況來看，光子學微波測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]，其中信道化型測頻按原理又可以分為空分式(SDM)[102, 103]、波分復用式(WDM)[104-119]、時分復用式(TDM)[120-125]三種結(jié)構(gòu)。掃描型測頻與寬帶電子技術(shù)型測頻儀表類似
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN015

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本文編號：2590294