基于TDOA的目标模拟信号光子链路传输延时测量装置的制作方法

基于tdoa的目标模拟信号光子链路传输延时测量装置
技术领域
1.本发明涉及目标辐射源模拟技术领域，特别涉及一种基于tdoa的目标模拟信号光子链路传输延时测量装置。


背景技术：

2.在分布式到达时差(tdoa)定位系统中，通过确定辐射源到达空间离散分布的n个传感器的到达时间(toa)或到达时差(tdoa)来确定辐射源的位置信息。基于tdoa信息的目标模拟系统是通过n路射频信号发生器产生携带tdoa信息的n路射频信号，并将产生的n路射频信号分别传输给tdoa定位系统中对应的n个传感器，以模拟目标辐射源的运动轨迹。由于射频信号发生器与n个传感器(空间分布区域跨度大)之间的距离较远，而基于微波光子链路传输射频信号具有带宽大、损耗低、隐蔽性好、不受电磁噪声干扰、体积小、重量轻等优点，因此采用该方案传输目标模拟信号可以满足目标模拟系统远距离、高保真度的性能需求。基于tdoa的目标模拟系统组成见图1。
3.从图1可见，目标模拟系统需要通过射频、光纤链路分别向空间离散分布的n个传感器传输n路多波段目标模拟信号。射频链路的传输延时可以通过选择延时特性一致的同型号同批次器件以及长度一致的同型号同批次射频电缆来补偿掉，即由相同一致射频链路引起的tdoa趋于零。光纤传输路径长度的不一致性及光信号传输环境的不确定性使得光子链路传输延时具有未知性，这要求目标模拟系统的光子链路不仅要具备目标模拟信号远距离、高保真度传输功能，还要精确测量n路目标模拟信号经过光子链路的传输延时并上报系统，目标模拟系统的主控计算机记录这些传输延时测量值，根据这些数据实时校正所产生的n路目标模拟信号携带的tdoa信息。同时，这些不利因素和约束关系也增加了精确测量目标模拟信号经过光子链路传输延时的技术难度。因此，为产生tdoa信息精确控制的n路多频段宽带射频信号，精确测量目标模拟信号经光子链路传输延时是重要环节。
4.综上所述，基于tdoa的目标模拟系统光子链路的主要功能是传输带tdoa信息的多路多频段目标模拟信号，为保证目标模拟信号中所含的tdoa信息精度足够高，需要精确测量目标模拟信号经过光子链路的传输延时。一般要求目标模拟信号光子链路传输延时测量精度是传感器tdoa测量精度的1/3以上，延时测量精度越高，模拟的辐射源航迹精度越高。


技术实现要素：

5.本发明提出一种基于tdoa的目标模拟信号光子链路传输延时测量装置，旨在解决在基于tdoa信息的目标模拟系统中，在通过光子链路远距离、低失真传输多路多频段目标模拟信号的基础上，需要精确测量多频段目标模拟信号经过光子链路的传输延时的技术问题。
6.本发明提出一种基于tdoa的多频段目标模拟信号光子链路传输延时测量装置，其包括目标模拟信号光发送端和目标模拟信号光接收端；目标模拟信号光发送端包括电光转换器、延时测量芯片、延时测量发射模块、时延测量接收模块、第一光开关、第三光开关、4波
分dwdm复用器、以太网模块、第一光开关控制模块、状态接收模块；目标模拟信号光接收端包括光电转换器、时延测量中继接收器、时延测量中继发射器、第二光开关、第四光开关、4波分dwdm解复用器以及第二光开关控制模块、状态回传模块；当进行目标模拟信号传输时，在目标模拟信号光发送端，具有第一频段的目标模拟信号经过电光转换器转换成具有第一波长的第一光信号，经过第一光开关之后进入4波分dwdm复用器，经4波分dwdm复用器波分复用后合成第一光混合信号，通过光纤传输到目标模拟信号光接收端；在目标模拟信号光接收端，4波分dwdm解复用器解出第一光信号，该第一光信号进入第二光开关，第二光开关输出第一光信号，第一光信号经过光电转换器转换成第一频段的目标模拟信号；当进行目标模拟信号传输时，在目标模拟信号光发送端，具有第二频段的目标模拟信号经过电光转换器转换成具有第二波长的第二光信号，经过第三光开关之后进入4波分dwdm复用器，经4波分dwdm复用器波分复用后合成第一光混合信号，通过光纤传输到目标模拟信号光接收端；在目标模拟信号光接收端，4波分dwdm解复用器解出第二光信号，该第二光信号进入第四光开关，第四光开关输出第二光信号，第二光信号经过光电转换器转换成第二频段的目标模拟信号；当进行目标模拟信号传输延时测量时，在目标模拟信号光发送端，启动延时测量芯片计数，同时时延测量发射模块产生具有第一波长的延时测量脉冲信号，延时测量脉冲信号进入第一光开关，经过第一光开关进入4波分dwdm复用器，经4波分dwdm复用器波分复用后合成第一光混合信号，通过光纤传输到目标模拟信号光接收端；在目标模拟信号光接收端，4波分dwdm解复用器解出延时测量脉冲信号，延时测量脉冲信号进入第二光开关，第二光开关输出延时测量脉冲信号，延时测量脉冲信号进入时延测量中继接收器之后再进入时延测量中继发射器输出具有第二波长的延时测量脉冲信号，并且该延时测量脉冲信号再次输入第四光开关，经过第四光开关进入4波分dwdm解复用器复用形成第二光混合信号，通过光纤回传到目标模拟信号光发送端；在目标模拟信号光发送端，4波分dwdm复用器接收第二光混合信号并解出具有第二波长的延时测量脉冲信号，进入第三光开关输出具有第二波长的延时测量脉冲信号，并且其进入时延测量接收模块解出延时测量脉冲信号，再进入延时测量芯片，延时测量芯片停止计数；延时测量芯片对测量启动时接收的延时测量脉冲信号和回送的延时测量脉冲信号进行对比以得到延时测量信息。
7.优选的，当进行目标模拟信号传输时，在目标模拟信号光发送端，具有第一频段的目标模拟信号和具有第二频段的目标模拟信号分别进行电光转换形成具有第一波长的第一光信号和具有第二波长的第二光信号，第一、第二光信号经过4波分dwdm复用器复用后合成第一光混合信号，通过单芯光纤传输到目标模拟光信号接收端；在目标模拟光信号接收端，第一光混合信号通过4波分dwdm解复用器转换解调出第一光信号和第二光信号。
8.优选的，具有第一频段的目标模拟信号是uhf频段信号。
9.优选的，具有第二频段的目标模拟信号是ku频段信号。
10.优选的，目标模拟信号携带tdoa信息。
11.优选的，当进行目标模拟信号传输延时测量时，第一光开关、第二光开关、第三光开关、第四光开关切换至延时测量通道。
12.优选的，当进行目标模拟信号传输时，第一光开关、第二光开关、第三光开关、第四光开关切换至目标模拟信号传输通道。
13.优选的，可以具有多套基于tdoa的多频段目标模拟信号光子链路传输延时测量装
置，延时测量芯片在fpga的控制下对多路传输通道进行传输延时测量。
14.优选的，在第一光开关和第三光开关之前设置光隔离器，当进行目标模拟信号传输时，由目标模拟信号转换而成的光信号首先经过光隔离器，再经过第一光开关和/或第三光开关输出；当进行目标模拟信号传输延时测量时，延时测量脉冲信号经过第一光开关和/或第三光开关输出。
15.优选的，当进行目标模拟信号传输延时测量时，主控计算机将传输通道切换至延时测量通道，测量得到传输延时测量信息通过以太网模块上报主控计算机，主控计算机记录延时测量数据；当进行目标模拟信号传输时，主控计算机下发指令将传输通道切换至目标模拟信号传输通道。
16.本发明通过光开关实现目标模拟系统光子链路延时测量功能和多频段目标模拟信号传输功能的切换，延时测量信号和目标模拟信号分时占用单根光纤的相同光传输波道，光子链路延时测量不依赖光波长和光纤类型，从机理上满足了目标模拟系统光子链路延时精确测量所需的硬件条件。本发明又采用基于门延迟计数的专用延时测量芯片解决了光子链路延时测量的高精度、高分辨率需求。试验结果表明，本发明所提出的技术方案可以实现目标模拟系统光子链路延时的高精度测量，测量误差小于2ns(比传感器tdoa测量精度高一个数量级)，满足目标模拟系统对光子链路传输延时的测量精度指标要求。此外，还可以实现多路多波段宽带射频信号的远距离传输，最大无中继传输距离可以达到100km。本技术方案具有良好的通用性和扩展性，有望在高精度时间同步、电子侦察、精密仪器测量等领域获得广泛应用。
附图说明
17.图1是现有基于tdoa的多频段目标模拟系统组成框图。
18.图2是单路多波段目标模拟信号产生及光子链路传输实现原理框图。
19.图3是目标模拟系统光子链路延时测量原理框图。
20.图4是小于2.4μs时延测量原理框图。
21.图5是大于二倍参考时钟周期时延测量原理框图。
22.图6是单路信号传输和延时测量分时工作方案图。
23.图7是光子链路目标模拟信号传输和延时测量技术实现框图。
24.图8是目标模拟信号光子传输链路所用光开关组成框图。
25.图9是光子链路传输延时精确测量部分实现框图。
具体实施方式
26.本发明提出一种基于tdoa的多频段目标模拟信号光子链路传输延时测量装置，其包括目标模拟信号光发送端和目标模拟信号光接收端。
27.如图7所示，目标模拟信号光发送端包括电光转换器、延时测量芯片、延时测量发射模块、时延测量接收模块、第一光开关、第三光开关、4波分dwdm复用器、以太网模块、第一光开关控制模块、状态接收模块；目标模拟信号光接收端包括光电转换器、时延测量中继接收器、时延测量中继发射器、第二光开关、第四光开关、4波分dwdm解复用器以及第二光开关控制模块、状态回传模块。
28.当进行目标模拟信号传输时，在目标模拟信号光发送端，具有第一频段的目标模拟信号经过电光转换器转换成具有第一波长的第一光信号，经过第一光开关之后进入4波分dwdm复用器，经4波分dwdm复用器波分复用后合成第一光混合信号，通过光纤传输到目标模拟信号光接收端。
29.在目标模拟信号光接收端，4波分dwdm解复用器解出第一光信号，该第一光信号进入第二光开关，第二光开关输出第一光信号，第一光信号经过光电转换器转换成第一频段的目标模拟信号。
30.当进行目标模拟信号传输时，在目标模拟信号光发送端，具有第二频段的目标模拟信号经过电光转换器转换成具有第二波长的第二光信号，经过第三光开关之后进入4波分dwdm复用器，经4波分dwdm复用器波分复用后合成第一光混合信号，通过光纤传输到目标模拟信号光接收端。
31.在目标模拟信号光接收端，4波分dwdm解复用器解出第二光信号，该第二光信号进入第四光开关，第四光开关输出第二光信号，第二光信号经过光电转换器转换成第二频段的目标模拟信号。
32.当进行目标模拟信号传输延时测量时，在目标模拟信号光发送端，启动延时测量芯片计数，同时时延测量发射模块产生具有第一波长的延时测量脉冲信号，延时测量脉冲信号进入第一光开关，经过第一光开关进入4波分dwdm复用器，经4波分dwdm复用器波分复用后合成第一光混合信号，通过光纤传输到目标模拟信号光接收端。
33.在目标模拟信号光接收端，4波分dwdm解复用器解出延时测量脉冲信号，延时测量脉冲信号进入第二光开关，第二光开关输出延时测量脉冲信号，延时测量脉冲信号进入时延测量中继接收器之后再进入时延测量中继发射器输出具有第二波长的延时测量脉冲信号，并且该延时测量脉冲信号再次输入第四光开关，经过第四光开关进入4波分dwdm解复用器复用形成第二光混合信号，通过光纤回传到目标模拟信号光发送端。
34.在目标模拟信号光发送端，4波分dwdm复用器接收第二光混合信号并解出具有第二波长的延时测量脉冲信号，进入第三光开关输出具有第二波长的延时测量脉冲信号，并且其进入时延测量接收模块解出延时测量脉冲信号，再进入延时测量芯片，延时测量芯片停止计数；延时测量芯片对测量启动时接收的延时测量脉冲信号和回送的延时测量脉冲信号进行对比以得到延时测量信息。
35.当进行目标模拟信号传输时，在目标模拟信号光发送端，具有第一频段的目标模拟信号和具有第二频段的目标模拟信号分别进行电光转换形成具有第一波长的第一光信号和具有第二波长的第二光信号，第一、第二光信号和经过4波分dwdm复用器复用后合成第一光混合信号，通过单芯光纤传输到目标模拟光信号接收端；在目标模拟光信号接收端，第一光混合信号通过4波分dwdm解复用器转换解调出第一光信号和第二光信号。
36.目标模拟信号光发送端还包括以太网模块、第一光开关控制模块、状态接收模块；以太网模块与主控计算机连接交互，第一光开关控制模块生成第三波长的光开关控制指令信号，该光开关控制指令信号经4波分dwdm复用器复用到第一光混合信号经光纤传输到目标模拟信号光接收端。
37.目标模拟信号光接收端还包括光第二开关控制模块和状态回转模块，4波分dwdm解复用器接收第一光混合信号并解出光开关控制指令信号，再将其发送给第二光开关控制
模块，第二光开关控制模块解出光开关控制指令信号；状态回传模块生成具有第四波长的设备状态回传信息调制信号，并送入4波分dwdm解复用器复用到第二光混合信号，回传到目标模拟信号光发送端；光开关控制指令信号用于控制各光开关在目标模拟信号传输与目标模拟信号传输延时测量模式之间进行切换。
38.目标模拟信号光发送端的4波分dwdm解复用器从第二光混合信号中解出具有第四波长的设备状态回传信息调制信号并送入状态接收模块。状态接收模块解出设备状态回传信息。
39.具有第一频段的目标模拟信号是uhf频段信号，具有第二频段的目标模拟信号是ku频段信号。其中目标模拟信号携带tdoa信息。
40.当进行目标模拟信号传输延时测量时，第一光开关、第二光开关、第三光开关、第四光开关切换至延时测量通道。
41.当进行目标模拟信号传输时，第一光开关、第二光开关、第三光开关、第四光开关切换至目标模拟信号传输通道。
42.可以具有多套基于tdoa的多频段目标模拟信号光子链路传输延时测量装置，延时测量芯片在fpga的控制下对多路传输通道进行传输延时测量。
43.在第一光开关和第三光开关之前设置光隔离器，当进行目标模拟信号传输时，由目标模拟信号转换而成的光信号首先经过光隔离器，再经过第一光开关和/或第三光开关输出。当进行目标模拟信号传输延时测量时，延时测量脉冲信号经过第一光开关和/或第三光开关输出。
44.当进行目标模拟信号传输延时测量时，主控计算机将传输通道切换至延时测量通道，测量得到传输延时测量信息通过以太网模块上报主控计算机，主控计算机记录延时测量数据；当进行目标模拟信号传输时，主控计算机下发指令将传输通道切换至目标模拟传输通道。
45.以下说明基于tdoa的多频段目标模拟信号光子链路传输延时测量装置的详细的工作方式。
46.在基于tdoa信息的目标模拟系统中，在通过光子链路远距离、低失真传输多路多频段目标模拟信号的基础上，需要精确测量多频段目标模拟信号经过光子链路的传输延时，本发明旨在解决该技术问题。由于目标辐射源模拟系统对光子链路延时测量精度指标(误差在
±
1ns以内)要求高，而光子链路延时测量结果不仅与目标辐射源模拟系统的系统设计实现方法、多频段目标模拟信号的光子链路传输技术方案有关，还受限于测量器件的精度及特定应用场合，现在未见针对目标辐射源模拟系统光子链路延时精确测量的其他有效技术方法。本方法所涉及的技术有基于tdoa信息的目标辐射源模拟系统设计方法、基于微波光子链路的多频段宽带射频信号远距离传输技术、基于门延迟计数原理的光子链路延时精确测量技术、延时测量脉冲信号的采样光调制技术、模拟调制光波分复用/解复用技术。
47.本发明借鉴微波光子学的思想，采用光域内波分复用的方法传输单路多频段目标模拟信号，这里以传输uhf、ku频段目标模拟信号为例，目标模拟系统单路多波段目标模拟信号产生、光子链路传输实现方法见图2。
48.其设计思路是通过uhf(300mhz～3ghz)、ku(12ghz～18ghz)频段信号发生器分别
产生n路频率范围覆盖这2个频段的目标模拟信号，该目标模拟信号是射频信号，将2个频段射频信号分别进行电/光转换、波分复用后合成一束光，通过单芯光纤传输到光信号接收端，每个接收端再通过波分解复用、光/电转换解调出原目标模拟信号。因此，测量2个频段目标模拟信号经过光子链路的传输延时就是要测量目标模拟信号经过远距离光纤传输介质后的传输延时。
49.针对目标模拟信号经过远距离光纤传输介质的传输延时精确测量技术问题，本技术方案实现过程为：首先由一个高稳定的脉冲信号发生器输出一个延时测量脉冲信号，同时启动一个延时测量芯片开始计时，延时测量脉冲信号经整形处理后转换成光脉冲，通过波分复用方式传输到接收端，然后通过波分解复用、光/电转换解调出脉冲信号，解调出的电脉冲信号重新整形处理后经电/光转换传送回发送端，再次经光/电转换恢复出电脉冲信号，该脉冲信号整形处理后控制延时测量芯片终止计数，见图3。光子链路传输延时主要通过测量延时测量芯片计时启动脉冲与停止脉冲(计数)的时间间隔来确定，根据延时测量芯片内部的逻辑门计数器计数数值大小和该温度下实时校正的单门延时大小，就可以知道延时测量脉冲信号来回传输所经历的全部时间，进而计算得出光子链路传输延时。
50.当测量时延范围小于2.4μs，采用内部逻辑门延迟来以高精度测量时间间隔，图4阐述了这种绝对时间测量门延迟计数原理结构。测量的精度完全取决于内部信号通过内部逻辑门的时间。其中启动脉冲和停止脉冲可以选择信号的上升沿或下降沿触发。
51.当测量时延范围大于二倍参考时钟周期，并不采用内部逻辑门延迟的方法测量整个时间间隔，仅测量从启动信号或停止信号到相邻的基准时钟上升沿的间隔时间(精计数)，在两次精密测量之间，记下基准时钟周期数(粗计数)，见图5。
52.为避免不同的光波长和光纤类型对传输延时测量精度的影响，本技术方案采用分时工作的方法实现光子链路的多频段目标模拟信号传输功能和延时精确测量功能，分别用延时测量脉冲信号和目标模拟信号对同一个波长的光进行电光调制，然后通过光开关在延时测量脉冲信号和目标模拟信号这两种光信号之间按指令切换，见图6。
53.分时工作流程：在传输目标模拟信号之前，需要先通过指令控制信号将光开关切换至延时测量通道，得到光子链路延时测量值并用来精确补偿射频信号传输通道的延时。然后将光开关切换到射频信号传输通道，以完成目标模拟信号高保真、远距离传输，见图8。
54.由于tdoa信息包含在n路目标模拟信号中，所以需要知道n路目标模拟信号通过各自光子链路的传输延时。n路相对于单路采用相同的链路设计架构，上述方法可推广应用至n路目标模拟信号的光子链路传输延时测量场合，见图9。
55.基于上述设计思想，本发明提出一种基于tdoa的目标模拟信号光子链路传输延时测量装置。本方案采用分时工作模式实现目标模拟信号光子链路传输功能和传输延时精确测量功能，技术实现框图见图7。
56.从图7可以看出，目标模拟信号与延时测量信号分时占用波长为λ1和λ2的光通道进行传输。目标模拟系统加电后，先通过发送和接收端的fpga分别控制对应的第一、第二、第三、第四光开关切换至延时测量通道传输延时测量信号，对光子链路进行延时测量，基于回传的延时测量信号得到的延时测量信息通过以太网模块上报主控计算机，主控计算机记录延时测量数据并下发指令将发送端和接收端的fpga分别控制对应的第一、第二、第三、第四光开关切换至目标模拟信号传输通道以传输目标模拟射频信号。
57.波长为λ1和λ2的光通道分别用来传输uhf频段射频信号和ku频段射频信号。波长为λ3和λ4的光通道分别用来实现光开关控制指令信号和设备状态回传信息调制信号的传输。λ1波长为1551.721nm、λ2波长为1548.515nm、λ3波长为1554.94nm、λ4波长为1556.555nm。
58.在光路延时测量期间，发送端控制单元在fpga的控制下给延时测量芯片一个启动脉冲，启动延时测量芯片计数，同时将产生的延时测量脉冲信号通过电/光转换调制到光域(此时光波长为λ1)，延时测量信号调制光经过光开关之后途经uhf频段目标模拟信号调制光所经的链路，至接收端中继接收、中继发射(此时光波长为λ2)返回，途经ku频段目标模拟信号调制光所经的链路，至发送端经光开关、光/电转换解调出延时测量脉冲信号，该脉冲信号作为停止脉冲，终止延时测量芯片计数，技术实现见附图7。通过对计数信息的处理，完成光子链路传输延时的测量。
59.波长为λ1和λ2的光所用的4个光开关组成相同，但光的方向不同。光开关主要由光隔离器和1
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2光开关组成，见附图8。其中带光隔离器的1路用来传输目标模拟信号调制光，不带光隔离器的1路用来传输延时测量信号调制光，光隔离器的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光子链路产生的不良影响，满足目标模拟信号低失真、远距离传输的性能需求。
60.本发明采用专用延时测量芯片，在芯片内部集成了许多的门延时电路，这些门电路通过特殊的半导体工艺制造，延时稳定性较高，每个门的延时控制在一定范围(本发明为50～60ps)，以启动信号(同步延时测量脉冲信号发送时刻)开始延时测量，以停止信号(同步延时测量脉冲信号接收时刻)终止延时测量，测量周期内经历的门的数量就代表了延时的长短。由于延时测量是以逻辑门作为计时标准，门延时误差经校准后在50ps左右，而计数的最小单位就是1个门延时，因此在排除脉冲信号边沿抖动及噪声影响的前提下，门延时的绝对测量精度可以达到50ps。当然这是芯片能达到的理想指标，现实中会受到各种来自电路的或环境温度的干扰。由于半导体的内部延时也会受到环境温度的影响，因此当环境温度变化时需要对延时测量芯片进行自校正操作，一般在每次测量前进行，校正后可以使芯片本身的计数误差降到最低。
61.本发明实施的最后一个环节还包括延时测量误差校正。校正方法主要发送特定脉宽和周期的测试信号，通过对接收到的测试信号与发送端信号在高精度示波器上进行边沿比对获得实际的延时数据，理论上该数据会与延时测量数据存在一个相对固定的偏差，通过采集不同温度环境下该偏差值的变化情况建立校正模型，对延时数据进行修正。
62.根据试验数据，当采用一个周期脉冲与高精度示波器作对比测试时，光子链路传输延时测量误差在2ns之内。
63.本发明能实现光子链路传输延时测量精度小于2ns，高于现有的其他技术手段。通过微波光子链路实现n路多频段目标模拟信号远距离、低失真传输的方法应予以保护，通过光域内波分复用实现uhf(300mhz～3ghz)、ku频段(12ghz～18ghz)目标模拟信号100km传输的光子链路解决方案应予以保护。通过光开关实现目标模拟信号和延时测量信号分时占用单芯光纤的相同光传输波道，避免采用不同光波长和光纤类型对精确测量目标模拟信号光子链路传输延时的影响，这一创新点应予以保护。采用基于门延迟计数的专用延时测量芯片实现单路目标模拟信号光子链路传输延时高精度、高分辨测量的方法应予以保护。本发明通过微波光子链路实现n路目标模拟信号远距离、低失真传输，又能精确测量目标模拟信
号光子链路传输延时(误差小于2ns)。