低功率微波信号一体化处理方法与一体化接收机与流程

1.本发明涉及微波技术与光通信技术的交叉领域，特别涉及一种低功率微波信号一体化处理方法与一体化接收机。


背景技术：

2.复杂电磁环境下微波信号的探测在遥感遥测、射频通信、雷达、电子战系统等诸多领域都有着重要的应用。
3.在复杂电子环境下，有用的低功率微波信号可能与复杂的噪声环境共存，微弱微波信号的探测具有一定难度。传统微波信号的接收主要包括放大、滤波、下变频三个部分：即通过天线接收微波信号，然后对微波信号进行放大，通过滤波后进行下变频处理，最终实现中频输出，中频输出信号直接进行模/数转换后即转变为数字信号，再通过数字信号处理器完成对信号处理过程。在传统微波信号接收系统中，实现放大功能要引入微波放大器，微波放大器属于典型有源器件，会引入较大噪声；滤波器在微波频段q值较低，带宽较大，不能有效抑制带外噪声；同时下变频过程需要混频器与一本振源来完成，也会产生附加噪声与镜像信号等干扰因素。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一是提供一种低功率微波信号一体化处理方法，旨在突破传统电子式微波接收技术的局限性，实现放大、滤波与下变频过程的一体化处理，在保证极低引入噪声、有效抑制镜像信号、简化系统复杂性的同时兼具抗电磁干扰性。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低功率微波信号一体化处理方法，包括以下步骤：
6.首先，通过一个光电混合环路实现对低功率微波信号提取、放大，并对光载波进行调制，再利用相移光纤光栅提取已调光信号；同时通过另一光电混合环路基于环路的自激振荡产生光电混合振荡信号，并利用相移光纤光栅提取与已调光信号相干的本振光信号；
7.然后，利用光电探测器的包络检波功能实现已调光信号与本振光信号的混频，实现微波信号的下变频功能；
8.最后，通过低通滤波器抑制带外噪声，实现中频信号输出。
9.具体而言，是通过构建上、下两个光电混合环路，利用可调谐激光器产生光载波信号，将光载波信号通过光耦合器1后，分流至上、下两个光电混合环路；通过天线对待处理低功率微波信号进行接收并输入上光电混合环路，由上光电混合环路完成待处理低功率微波信号的提取、放大，并对光载波进行调制，再经相移光纤光栅1提取已调光信号并输出；由下光电混合环路产生光电混合振荡信号，再经相位光纤光栅2提取并输出与已调光信号相干的本振光信号。
10.进一步地，在上光电混合环路中，天线接收的待处理低功率微波信号通过电耦合器2引入，通过电光相位调制器1实现对光载波的相位调制后进入光放大器1被放大，放大后
的光信号通过环形器1进入相移光纤光栅1，反射后的光信号则通过光电探测器1还原成电信号，主干道电信号再返回至电光相位调制器1进行下一次循环，循环电信号通过电耦合器1实现部分输出，完成了原频信号输出，同时基于该上光电混合环路中也实现了微波信号对光载波的相位调制，再通过相移光纤光栅1对其中一个边带实现窄带滤波，输出已调光信号。
11.更进一步地，在下光电混合环路中，光耦合器1输出的光信号通过电光相位调制器2作为环路的光载波，环路的点噪声信号通过电光相位调制器2对光载波进行相位调制后进入光放大器2被放大，再通过环形器2对其中一个边带抑制后进入光纤延时线实现光延时，然后通过光电探测器2还原成电信号，并通过窄带滤波器实现单频输出再返回至电光相位调制器2进行下一轮循环；在此过程中，对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件，该频点的信号就能实现正反馈而产生振荡，最后经由相移光纤光栅2实现与已调光信号相干的本振光信号输出。
12.其中，通过调节可调谐激光器波长，使得让上光电混合环路中的信号在光电
‑
电光转换过程中不断被光放大器1放大增强，进而实现原频信号输出并使得其中一边带信号透过相移光纤光栅1输出；上式中，λ1为调节后的激光器波长，λ2为相移光纤光栅1陷波波长，ω为接收微波频率，n为光纤折射率；
13.通过调节下光电混合环路中光纤延时量与窄带滤波器得到单频振荡信号，利用该信号调制光载波以实现本振光信号输出；
14.经相移光纤光栅1输出的已调光信号与经相移光纤光栅2输出的已调光信号相干的本振光信号一同输入至光耦合器2中，经光电探测器3拍频，通过光学差频实现微波信号的下变频，最后通过低通滤波器抑制带外噪声，实现中频输出。
15.另外，本发明还涉及一种采用上述低功率微波信号一体化处理方法对接收的低功率微波信号进行处理的低功率微波信号一体化接收机。
16.具体而言，所述低功率微波信号一体化接收机包括天线、可调谐激光器、光耦合器1、上光电混合环路、下光电混合环路、相移光纤光栅1、相移光纤光栅2、光耦合器2、光电探测器3及低通滤波器；
17.所述可调谐激光器产生光载波信号，所述光载波信号通过光耦合器1后，分流至上光电混合环路和下光电混合环路；所述天线接收待处理的低功率微波信号并输入上光电混合环路中，由上光电混合环路完成待处理低功率微波信号的提取、放大，并对光载波进行调制，再利用相移光纤光栅1提取已调光信号并输出；所述下光电混合环路产生光电混合振荡信号，再经相位光纤光栅2提取并输出与上环路相干的本振光信号；
18.经所述相移光纤光栅1输出的已调光信号与经相移光纤光栅2输出的已调光信号相干的本振光信号一同输入至光耦合器2中，经所述光电探测器3拍频，通过光学差频实现微波信号的下变频，最后通过所述低通滤波器抑制带外噪声，实现中频输出。
19.其中，所述上光电混合环路包括依次首尾连接的电光相位调制器1、光放大器1、光环形器1、光电探测器1、电耦合器1和电耦合器2，所述电光相位调制器1连接光耦合器1的一个输出端口，所述电耦合器2与天线连接，所述光环形器1还连接相移光纤光栅1；
20.所述天线接收的待处理低功率微波信号经电耦合器2引入上光电混合环路，通过
电光相位调制器1实现对光载波的相位调制后进入光放大器1被放大，放大后的光信号通过环形器1进入相移光纤光栅1，反射后的光信号通过光电探测器1还原成电信号，主干道电信号再返回至电光相位调制器1进行下一次循环，循环电信号通过电耦合器1实现部分输出，基于该上光电混合环路中实现微波信号对光载波的相位调制，最后通过相移光纤光栅1对其中一个边带实现窄带滤波，实现已调光信号的输出。
21.其中，所述下光电混合环路包括依次首尾连接的电光相位调制器2、光放大器2、光环形器2、光纤延时线、光电探测器2和窄带滤波器，所述电光相位调制器2连接光耦合器1的另一输出端口，所述光环形器2还连接相移光纤光栅2；
22.所述光耦合器1输出的光信号通过电光相位调制器2作为下光电混合环路的光载波，下光电混合环路的点噪声信号通过电光相位调制器2对光载波进行相位调制后进入光放大器2被放大，再通过环形器2对其中一个边带抑制后进入光纤延时线实现光延时，然后通过光电探测器2还原成电信号，并通过窄带滤波器实现单频输出再返回至电光相位调制器2进行下一轮循环；在此过程中，对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件，该频点的信号就能实现正反馈而产生振荡，最后经由相移光纤光栅2对其中一个边带实现窄带滤波，实现与已调光信号相干的本振光信号输出。
23.进一步地，在所述低功率微波信号一体化接收机中，调节所述可调谐激光器波长，使得即可让上光电混合环路中的信号在光电
‑
电光转换过程中不断被光放大器1放大增强，进而实现原频信号输出并使得其中一边带信号透过相移光纤光栅1进入光耦合器2中；上式中，λ1为调节后的激光器波长，λ2为相移光纤光栅1陷波波长，ω为接收微波频率，n为光纤折射率；通过调节下光电混合环路中光纤延时量与窄带滤波器得到单频振荡信号，该信号调制光载波后即可实现本振光信号输出。
24.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明突破了传统信道化接收系统的“电子瓶颈”，基于光纤的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点，将低功率微波信号的接收在光域完成，在保证极低引入噪声、有效抑制镜像信号、简化系统复杂性的同时兼具抗电磁干扰性，实现了集放大、滤波与下变频功能的一体化处理。
附图说明
25.图1是低功率微波信号处理流程图；
26.图2是低功率微波信号一体化接收机的结构图；
27.图3是基于相移光纤光栅实现单边带调制信号分析图。
具体实施方式
28.为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图对本发明作更进一步的说明，应当理解的是，下面提及的具体实施方式仅用于对本发明进行说明，而非对本发明的具体限制。
29.图1是本发明所涉低功率微波信号一体化处理的流程图，包括产生已调制光信号 产生已调制本振光源、光域混频实现下变频及低通滤波，共三个流程，具体而言：
30.首先，基于光电混合环路实现对低功率微波信号提取、放大，并对光载波进行调
制，利用相移光纤光栅的光学特性提取已调制的光信号(为简化表述，统一将该已调制的光信号简称为“已调光信号)；同时构建另一光电混合环路，基于环路的自激振荡产生光电混合振荡信号，并基于相移光纤光栅的光学特性提取本振光源(即与已调光信号相干的本振光信号)。
31.然后，基于光电探测器的包络检波特性实现对已调光信号与本振光信号(即已调制的振荡光信号)实现混频，实现下变频输出。
32.最后，将下变频输出信号通过低通滤波器，实现中频输出。
33.中频输出的信号通过模/数转换器转变为数字信号，再利用现有的数字信号处理方法进一步处理即可。
34.下面对实现前述流程的低功率微波信号一体化接收机的具体结构及原理进行详细说明。
35.图2是本发明所涉一体化接收机结构图。如图2所示，低功率微波信号一体化接收机包括天线、可调谐激光器、光耦合器1、上光电混合环路(以下简称为“上环路”)、下光电混合环路(以下简称为“下环路”)、相移光纤光栅1、相移光纤光栅2、光耦合器2、光电探测器3及低通滤波器。可调谐激光器产生光载波信号，光载波信号通过光耦合器1后，分流至上环路和下环路。通过天线接收待处理的低功率微波信号并输入上环路中，由上环路完成待处理低功率微波信号的提取、放大，并对光载波进行调制，再利用相移光纤光栅1提取已调光信号并输出；下环路旨在产生光电混合振荡信号，再经相位光纤光栅2提取并输出与上环路相干的本振光信号。经前述相移光纤光栅1输出的已调光信号与经前述相移光纤光栅2输出的本振光信号一同输入至光耦合器2中，经光电探测器3拍频，通过光学差频实现微波信号的下变频，最后通过低通滤波器抑制带外噪声，实现中频输出。
36.具体来说，在图2中，上环路由依次首尾连接的电光相位调制器1、光放大器1、光环形器1、光电探测器1、电耦合器1以及电耦合器2组成。此外，电光相位调制器1还连接光耦合器1的一个输出端口，电耦合器2与天线连接，光环形器1还连接相移光纤光栅1。天线接收待处理低功率微波信号后，通过电耦合器2引入上环路，经电光相位调制器1实现对光载波的相位调制后进入光放大器1被放大，放大后的光信号通过环形器1进入相移光纤光栅1。反射后的光信号则进入光电探测器1还原成电信号，主干道电信号再返回至电光相位调制器1进行下一次循环；部分循环电信号通过电耦合器1实现部分输出，即完成了原频信号输出。同时，基于该光电混合环路也实现了微波信号对光载波的相位调制，相移光纤光栅能够对其中一个边带实现“窄带滤波”，实现已调光信号的输出。
37.如前所述，下环路的目的旨在产生光电混合振荡信号，并输出与上环路相干的本振光信号。在图2中，下环路由依次首尾连接的电光相位调制器2、光放大器2、光环形器2、光纤延时线、光电探测器2和窄带滤波器组成。此外，电光相位调制器2还连接光耦合器1的另一输出端口，光环形器2还连接相移光纤光栅2。光耦合器1输出的光信号通过电光相位调制器2作为环路的光载波，环路的点噪声信号通过电光相位调制器2对光载波进行相位调制后进入光放大器2被放大，然后通过环形器2对其中一个边带抑制后再进入光纤延时线实现光延时，再通过光电探测器2还原成电信号，最后通过窄带滤波器实现单频输出再返回至电光相位调制器2进行下一轮循环。对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件(开环增益大于1，相位差为2π的整数倍)，该频点的信号就能实现正反馈而产生振荡。基于相移光纤
光栅的光学特性，能够在相移光纤光栅2中实现本振光信号输出。上环路通过相移光纤光栅1输出的已调光信号与下环路通过相移光纤光栅2输出的本振光信号通过光耦合器2进行合波，进入光电探测器3实现包络检波后进行光混频并还原成电信号；最后通过低通滤波器实现中频信号输出。
38.上环路产生原频信号并输出调制光信号的原理如下：光载波经过相位调制器，在外加信号v(t)＝v0cosωt(v0为信号幅度，ω为信号圆频率)的调制下，输出光信号的电场可表示为：
39.e
out
(t)＝e
in
(t)e
j(mcosωt)
ꢀꢀꢀ
(1)；
40.其中，m＝πv0/v
π
为调制系数，v
π
为调制器的半波电压，对式(1)进行jacobi
‑
anger展开可得：
[0041][0042]
式(2)中，j
n
(m)为n阶第一类贝塞尔函数，可以看出相位调制信号在光域产生了多对频谱分量，即为边带，对称分布在光载波两侧，在小信号近似条件下，只考虑0和
±
1阶调制信号，式(2)可简化为：
[0043]
e
out
(t)＝e
in
(t)[j0(m) j
‑1j
‑1(m)e
‑
jωt
jj1(m)e
jωt
]
ꢀꢀꢀ
(3)；
[0044]
而j
‑
n
(m)＝(
‑
1)
n
j
n
(m)，故上式(3)可化简为：
[0045]
e
out
(t)＝e
in
(t)[j0(m)
‑
j
‑1j1(m)e
‑
jωt
jj1(m)e
jωt
]
ꢀꢀꢀ
(4)：
[0046]
由此可以看出，
±
1阶边带的相位相差为π，如果该相位调制信号直接经过光电探测器拍频，则输出的光电流为：
[0047]
i
∝
[j0(m)2 2j1(m)2 2j1(m)2cos2ωt]
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0048]
由上式可以看出，相位调制信号直接经过光电探测器，无法恢复原始信号的频谱成分。通过相移光纤光栅对其中一个边带抑制，剩余载波与另一个边带进行拍频，可产生原信号频率，如图3所示：当一微波信号对光载波进行相位调制后，会产生两个相位相反的边带；已调光信号通过相移光纤光栅后，其中一边带(边带频率与抑制峰相等)被抑制，只剩下另一边带与载波，即实现了单边带调制；单边带调制后的信号通过光电探测器拍频后可实现原信号输出。其原理如下：相位调制后，信号通过相移光纤光栅，其中一信号被抑制，实现单边带调制后的信号可表示为：
[0049]
e
out
(t)’＝e
in
(t)[j0(m)
‑
j1(m)e
jωt
]
ꢀꢀꢀ
(6)；
[0050]
该信号通过光电探测器拍频后为：
[0051]
i
’∝
[j0(m)2 j1(m)2‑
j0(m)j1(m)cosωt]
ꢀꢀꢀ
(7)；
[0052]
由上式可看出，拍频后产生了直流项与信号项输出信号。
[0053]
综上，天线接收的低功率微波信号进入上环路，通过电光相位调制器1对光载波进行调制；通过调节激光器波长，使得(λ1为调谐后的激光器波长，λ2为位移光纤光栅陷波波长，ω为接收微波频率，n为光纤折射率)，信号在不断实现光电/电光转换过程中被光放大器1放大增强，最终实现原频信号输出，且其中一边带信号(e
in
(t)j1(m)e
jωt
)透过相移光纤光栅1进入光耦合器2中。
[0054]
下环路产生光电混合振荡信号并输出与上环路相干的本振光信号原理如下：载波
光信号通过电光相位调制器2被环路的电噪声调制，然后通过光放大器2放大，通过光环环形器2进入相移光纤光栅2，反射后通过光纤延时线进行延时，再通过光电探测器2还原成电信号，完成单边带调制过程，然后通过窄带滤波器完成滤波后进入电光相位调制器2进行下一次循环。对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件(开环增益大于1，相位差为2π的整数倍)，该频点的信号就能实现正反馈而产生振荡，基于相移光纤光栅的光学特性，能够在相移光纤光栅2中实现本振光信号输出。在下环路中，系统振荡起源于环内噪声，设该噪声为(a为信号幅度，ω0为信号圆频率)，经过首次循环后为二次循环为n次循环为其中α为系统的开环幅度增益、τ为延时量；多次叠加后的电信号可表示为根据等比数列求和可计算得
[0055][0056]
信号的幅值为：
[0057][0058]
由上式不难得出ω0τ＝n
·
2π(n为整数)时，幅值取得最大值，且呈周期性分布，通过调节延时量τ与窄带滤波器可得到单频振荡信号，该信号调制光载波后即实现本振光信号输出。
[0059]
之后，上环路输出的已调光信号与下环路输出的本振光信号同时输入至光耦合器2中，然后通过光电探测器3拍频实现光学混频。其原理为：上环输出的已调光信号与下环输出的本振光信号分别表为：s
上
＝e
in
(t)e
jωt
，通过光电探测器3拍频后还原成电信号，产生的光电流为：
[0060]
i
p
＝(s
上
s
下
)
·
(s
上
s
下
)
*
＝2ρ|e
in
(t)|2[1 cos(ω0‑
ω)t]
ꢀꢀꢀ
(10)；
[0061]
上式中ρ为光电探测器的响应度。式中包含直流项与下变频信号项，即通过光学差频实现了微波信号的下变频，最后通过低通滤波器抑制带外噪声，实现中频输出。
[0062]
综合以上分析可知，本实施例所采用的低功率微波信号一体化接收机突破了传统信道化接收系统的“电子瓶颈”，其基于光纤的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点，将低功率微波信号的接收在光域完成，在保证极低引入噪声、有效抑制镜像信号、简化系统复杂性的同时兼具抗电磁干扰性，实现了集放大、滤波与下变频功能的一体化接收。
[0063]
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
[0064]
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本技术文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。