一种雷达信号瞬时频率测量方法和装置与流程

1.本技术涉及无线电技术领域，尤其涉及一种雷达信号瞬时频率测量方法和装置。


背景技术：

2.现行的基于光电结合方法的雷达信号瞬时频率测量方法主要包括基于光纤色散效应的雷达信号瞬时频率测量方法和基于四波混频效应的雷达信号瞬时频率测量方法。基于光纤色散效应的雷达信号瞬时频率测量方法对雷达信号频率的测量范围较小，而且测量误差比较大，对于单个的acf曲线测量频率值，低频率范围的测量误差将更大。基于四波混频效应的雷达信号瞬时频率测量方法的频率测量范围较大，利用一些具有高非线性的芯片可以减少功率损耗，但基于四波混频的雷达信号频率测量方案误差都很大。
3.传统的基于电子学的频率测量系统，难以提高测量的带宽和速度；高速电子器件成本高、损耗大、系统复杂、体积大，难以现代信息化环境下对瞬时频率测量的需求。


技术实现要素：

4.本技术提出一种雷达信号瞬时频率测量方法和装置，解决现有技术频率测量范围小、效益低的问题，本技术的技术方案弥补上述两种方法的缺点，频率测量范围大并且测量误差低。
5.首先，本技术实施例提出一种雷达信号瞬时频率测量方法，包含以下步骤：
6.将来自激光器的激光分为两路，作为光载波；用待测雷达信号作为调制信号对其中一路光载波进行幅度调制，生成泵浦光信号；用扫频信号作为调制信号对另一路光载波进行频率调制，生成探测光输入信号；
7.将所述泵浦光信号和所述探测光输入信号相向输入光纤段，利用光纤受激布里渊散射效应，使泵浦光和探测光之间发生能量转换；对传输后的探测光输出信号探测光输出信号进行光电检测，确定输出电信号强度最大时对应的扫频信号频率值。
8.优选地，所述光纤段采用高非线性光纤。
9.优选地，幅度调制时，调制器工作在最小工作点，输出载波抑制双边带调制信号。
10.进一步地，根据电信号强度最大时对应的扫频信号频率值和所述光纤段的受激布里渊散射频率，得到被测雷达信号的瞬时频率值。
11.其次，本技术还提出一种雷达信号瞬时频率测量装置，用于实现本技术任意一项实施例所述方法，所述装置包含：
12.激光产生模块，用于产生光载波；
13.泵浦模块，用于产生所述泵浦光信号，其输入一路光载波，并输入所述待测雷达信号，对所述一路光载波进行幅度调制；
14.探测模块，用于产生所述探测光输入信号，其输入另一路光载波，并输入扫频信号，对所述另一路光载波进行调频；
15.转换模块，用于产生受激布里渊散射效应，将所述泵浦光的能量向所述探测光转
移；
16.光电接收模块；对转换模块探测光输出信号进行强度检测，确定输出电信号强度最大时对应的扫频信号频率值。
17.优选地，所述泵浦模块包含强度调制器、光放大器、直流偏置控制模块。一路光载波进入所述强度调制器后被待测雷达信号调制产生强度调制信号，调制后的信号经光放大器输出。所述强度调制器接入所述直流偏置控制模块，使强度调制器工作在最小工作点。
18.优选地，所述探测模块包含信号发生器、相位调制器、光隔离器。由所述信号发生器产生微波扫频信号，通过相位调制器对另一路光载波进行相位调制，生成探测光输入信号，经隔离器输出。
19.优选地，所述转换模块包含光纤段和环形器。所述环形器用于向所述光纤段第一端输入所述泵浦光信号，再将所述光纤段第一端的探测光输出信号传送到所述光电接收模块。所述光纤段另一端输入所述探测光输入信号。
20.优选地，所述光电接收模块包含光电探测器，所述转换模块的探测光输出信号在所述光电探测器中拍频接收；还包含数据处理器，对所述光电探测器的输出电信号进行数据采集，识别输出电信号强度最大值、所述强度最大值对应的扫频信号频率值。
21.进一步地，所述数据处理器，还用于：根据输出电信号强度最大时对应的扫频信号频率值和所述光纤段的受激布里渊散射频率，得到被测雷达信号的瞬时频率值。
22.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
23.本发明的目的在于提供一种雷达信号瞬时频率测量方法和装置，现行的基于光电结合方法的雷达信号瞬时频率测量方法的测量范围小，测量误差大。本发明提出一种基于光纤受激布里渊散射效应的雷达信号瞬时频率测量方法和装置，频率测量范围大并且测量误差低。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
25.图1是本技术方法的实施例示意图；
26.图2是雷达信号瞬时频率测量装置的系统框图；
27.图3是泵浦模块组成框图；
28.图4是探测模块组成框图；
29.图5是转换模块组成框图；
30.图6是光电接收模块组成框图。
具体实施方式
31.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
33.图1是本技术方法的实施例示意图。
34.本技术提出的一种雷达信号瞬时频率测量方法的实现过程为：
35.步骤11、将来自激光器的激光分为两路，作为光载波；
36.例如，由激光产生模块发射的激光信号作为光载波信号，经耦合器后分为上下两支路。
37.步骤12、用待测雷达信号作为调制信号对其中一路光载波进行幅度调制，生成泵浦光信号；
38.下支路的光载波信号被待测信号调制后得到泵浦光信号，待测雷达信号的频率为f
x
。例如，下支路的光载波信号进入马赫-曾德尔强度调制器后被待测雷达信号调制产生强度调制信号。
39.优选地，幅度调制时，调制器工作在最小工作点，输出载波抑制双边带调制信号。
40.步骤13、用扫频信号作为调制信号对另一路光载波进行频率调制，生成探测光输入信号；
41.光载波信号的上支路被信号源提供的射频信号调制，得到扫频相位调制信号，作为探测光。例如，上支路的光载波信号经过相位调制器实现相位调制，相位调制器外加的微波调制信号由信号发生器提供，信号发生器产生扫频信号，扫频信号的瞬时频率为fs。相位调制器对输出光信号经过隔离器后进入转换模块，作为受激布里渊散射效应的探测信号光。
42.步骤14、将所述泵浦光信号和所述探测光输入信号相向输入光纤段，利用光纤受激布里渊散射效应，使泵浦光和探测光之间发生能量转换；
43.例如，下支路的泵浦光与上支路的探测光输入信号进入一转换模块，利用光纤受激布里渊散射效应实现相位调制信号到强度调制信号的转换。优选地，所述光纤段采用高非线性光纤，受激布里渊频移量为fb。
44.步骤15、对传输后的探测光输出信号探测光输出信号进行光电检测，确定输出电信号强度最大时对应的扫频信号频率值f
smax
。
45.根据电信号强度最大时对应的扫频信号频率值和所述光纤段的受激布里渊散射频率，得到被测雷达信号的瞬时频率值。
46.例如，从转换模块输出的探测光输出信号进入光电接收模块，进行光电转换和数据采集处理，得到：
47.f
x＝fsmax-fbꢀꢀꢀ
(1)
48.具体地，当待测雷达信号频率f
x
大于布里渊频移量fb时，光电探测器的拍频信号经过数据采集处理模块后可得到f
s1
和f
s2
两个信号频率值，均和待测信号频率值相差布里渊频移量，满足f
x
＝f
s2-fb＝f
s1
fb；
49.当待测雷达信号频率f
x
小于布里渊频移量fb时，光电探测器的拍频信号经过数据采集处理模块后可得到f
s1
和f
s2
两个信号频率值，但此时f
s1
与待测信号频率并不相差布里渊频移量fb，满足f
x
＝f
s2-fb＝f
b-f
s1
。
50.也就是说，当电信号强度存在2个局部最大时，在公式(1)中，取＝f
smax
＝f
s2
，即2个峰值信号对应的扫频信号频率值中的最大值。
51.如果取f
smax
＝f
s1
，即2个峰值信号对应的扫频信号频率值中的最小值，则需要区分
两种情况：
52.f
x
》fb时，f
x＝fsmax
fbꢀꢀꢀ
(2)
53.f
x
《fb时，f
x＝fb-f
smax
ꢀꢀꢀ
(3)
54.图2是雷达信号瞬时频率测量装置的系统框图。
55.本技术还提出一种雷达信号瞬时频率测量装置，用于实现本技术任意一项实施例所述方法，如图2所示，基于光纤受激布里渊散射效应的瞬时频率测量装置主要包括激光产生模块、探测模块、泵浦模块、转换模块和光电接收模块。
56.其中，激光产生模块，用于产生光载波。泵浦模块，用于产生所述泵浦光信号，其输入一路光载波，并输入所述待测雷达信号，对所述一路光载波进行幅度调制。探测模块，用于产生所述探测光输入信号，其输入另一路光载波，并输入扫频信号，对所述另一路光载波进行调频。转换模块，用于产生受激布里渊散射效应，将所述泵浦光的能量向所述探测光转移。光电接收模块，对转换模块探测光输出信号进行强度检测，确定输出电信号强度最大时对应的扫频信号频率值。
57.激光产生模块产生光载波信号，经过耦合器后分为上、下两个支路，上支路进入探测模块，被信号源提供的射频信号调制，得到扫频相位调制信号，作为探测光输入信号。下支路的光载波信号进入泵浦模块，被待测信号调制后得到泵浦光信号，该信号与上支路的扫频相位调制信号进入转换模块，利用光纤受激布里渊散射效应实现相位调制信号到强度调制信号的转换。之后进入光电接收模块，进行光电转换和数据采集处理。
58.泵浦模块用于产生受激布里渊散射效应中的泵浦光信号，泵浦模块的组成框图如图3所示。优选地，所述泵浦模块包含强度调制器、光放大器、直流偏置控制模块。一路光载波进入所述强度调制器后被待测雷达信号调制产生强度调制信号，调制后的信号经光放大器输出。所述强度调制器接入所述直流偏置控制模块，使强度调制器工作在最小工作点。
59.例如，由激光产生模块发射的激光信号作为光载波信号，其频率为fc，经耦合器后分为上下两支路，下支路的光载波信号进入马赫-曾德尔(mzm)强度调制器后被待测雷达信号调制产生强度调制信号。由于mzm具有较大的工作带宽和良好的稳定性，所以本模块采用mzm强度调制器实现抑制载波的双边带强度调制。待测雷达信号的频率为f
x
。强度调制器接入直流偏置控制模块，使强度调制器工作在最小工作点，实现载波抑制双边带调制，得到的载波抑制双边带调制信号经过掺铒光纤放大器后作为泵浦光进入转换模块。
60.探测模块对射频信号进行调制得到光载射频信号，探测模块的组成框图如图4所示。优选地，所述探测模块包含信号发生器、相位调制器、光隔离器。由所述信号发生器产生微波扫频信号，通过相位调制器对另一路光载波进行相位调制，生成探测光输入信号，经隔离器输出。
61.例如，由激光产生模块发射的激光信号作为光载波信号，其频率为fc，经耦合器后分为上下两支路，上支路的光载波信号经过相位调制器实现相位调制，相位调制器外加的微波调制信号由信号发生器提供，信号发生器产生扫频信号，信号实时频率为fs。相位调制器对两路电光信号进行调制后的输出光信号经过隔离器后进入转换模块，作为受激布里渊散射效应的信号光。
62.在光隔离器中，光信号从相位调制器到转换模块传输方向的衰减比较小，而反方向的衰减则很大，所以从转换模块到相位调制器传输方向的光信号经过光隔离器后通过的
光信号很少，不会对相位调制器产生影响，保证相位调制器处于稳定的工作状态。
63.转换模块实现相位调制信号到强度调制信号的转换，转换模块的组成框图如图5所示。优选地，所述转换模块包含光纤段和环形器。所述环形器用于向所述光纤段第一端输入所述泵浦光信号，再将所述光纤段第一端的探测光输出信号传送到所述光电接收模块。所述光纤段另一端输入所述探测光输入信号。
64.例如，转换模块实现相位调制信号到强度调制信号的转换，泵浦模块生成的泵浦光信号从环形器的1口进入，2口输出进入高非线性光纤。在高非线性光纤中，上支路的扫频相位调制信号与下支路的泵浦光信号相向传输，当二者间的频率间隔为布里渊频移量fb时，发生受激布里渊散射效应，在与输入泵浦信号间隔受激布里渊频移量fb的位置，低于泵浦光频率的位置产生一个增益谱，高于泵浦光频率的位置产生一个损耗谱，则相应的扫频相位调制信号的一阶边带幅度会发生变化，相位调制信号转换到强度调制信号，从环形器2口输入，3口输出进入光电接收模块。
65.需要说明的是，高非线性光纤(hnlf)考虑以下几个方面：首先，光纤的非线性系数能够获得足够的非线性效应；其次，光纤损耗较低以增加有效作用长度l
eff
；高非线性光纤还具有低的偏振模式色散(pmd)。对于石英基的高非线性光纤，为了满足以上要求，折射率剖面的设计非常重要。在高非线性光纤的设计中，小的芯区有效面积a
eff
，低的色散斜率以及远小于工作波长的截止波长必须同时实现。例如，可以采用w型剖面设计，在阶跃折射率芯周围引入低折射率内包层。优选长飞公司生产的高非线性光纤，有较高的非线性系数且同时拥有很低的色散斜率。
66.光电接收模块将光信号转换为电信号并对其进行采集处理，光电接收模块组成框图如图6所示。光电接收模块将光信号转换为电信号并对其进行采集处理，转换模块中环路器的3口输出的经过受激布里渊散射效应后的光信号进入光电探测器拍频。经过光电探测器探测到的微波信号输入到数据处理器进行处理，得到待测信号的频率值。
67.优选地，所述光电接收模块包含光电探测器，所述转换模块的探测光输出信号在所述光电探测器中拍频接收；还包含数据处理器，对所述光电探测器的输出电信号进行数据采集，识别输出电信号强度最大值、所述强度最大值对应的扫频信号频率值f
smax
。
68.进一步地，所述数据处理器，还用于：根据输出电信号强度最大时对应的扫频信号频率值和所述光纤段的受激布里渊散射频率，得到被测雷达信号的瞬时频率值。
69.需要说明的是，如果没有受激布里渊散射效应发生，在小信号调制情况下，由于相位调制器的输出中包括载波和幅度相等相位相差180
°
的两个一阶边带，那么调制信号通过光电探测器后拍频产生的基带信号就会被完全抵消掉，这样导致待测信号不能被探测出来。但是当引入受激布里渊散射效应后，可以打破相位调制信号的边带平衡，实现相位调制到强度调制的转换，这样就可以实现相位调制信号的探测。
70.综上所述，本技术提出了一种新的瞬时频率测量技术。基于光电结合方法的瞬时频率测量技术与传统的微波测频手段相比具有很多突出的优势，主要包括器件物理尺寸小、重量轻、损耗低、抗电磁干扰能力强以及频率测量范围大等多个方面，使得雷达信号的频率测量性能得到大幅提升，能够满足现代电子信息环境下的瞬时频率测量需求。尤其是，将该技术应用于武器装备，可以提升战场环境侦测能力。
71.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的
包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素
72.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。