李 培，劉 禹

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

在以信息科學(xué)技術(shù)為核心的現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)爭背景下，敵我雙方對(duì)電磁信息權(quán)的爭奪將影響戰(zhàn)場的局勢，雷達(dá)對(duì)抗已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的一項(xiàng)重要手段[1]。

對(duì)艦船、飛機(jī)和彈道導(dǎo)彈等加裝電子干擾設(shè)備，可以有效地保護(hù)自身或打擊敵方的電磁防御系統(tǒng)，有助于在電磁戰(zhàn)爭中掌握戰(zhàn)場局勢。通常，干擾設(shè)備需要對(duì)接收到的雷達(dá)脈沖信號(hào)進(jìn)行可重構(gòu)、高保真度的存儲(chǔ)，經(jīng)處理分析后再以一定的干擾樣式發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)電子干擾。電子對(duì)抗干擾系統(tǒng)中，射頻存儲(chǔ)模塊是至關(guān)重要的組成單元，它能夠?qū)碜酝{雷達(dá)的射頻脈沖信號(hào)進(jìn)行復(fù)制、存儲(chǔ)。在特定的控制時(shí)間延遲后再次發(fā)射該信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)威脅雷達(dá)欺騙式的干擾。然而，考慮到微波頻段的模/數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率受限，僅利用電子手段對(duì)復(fù)雜的微波雷達(dá)脈沖信號(hào)進(jìn)行高保真度存儲(chǔ)具有挑戰(zhàn)性。數(shù)字射頻存儲(chǔ)(DRFM)是目前針對(duì)射頻信號(hào)存儲(chǔ)比較有效的措施[2]。該存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能取決于存儲(chǔ)時(shí)間延遲，且所存儲(chǔ)的信號(hào)不隨時(shí)間變化。然而缺點(diǎn)是無法同時(shí)確保獲取寬的瞬時(shí)帶寬和大的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)楸忍財(cái)?shù)和采樣率越高，處理的數(shù)據(jù)量越龐大，導(dǎo)致系統(tǒng)本身成本高且更為復(fù)雜；另外，模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換速率受限，從而限制了瞬時(shí)帶寬。

光學(xué)技術(shù)為上述問題提供了解決措施。對(duì)于微波和毫米波調(diào)制信號(hào)，光波導(dǎo)可作為一種有效的信號(hào)延遲介質(zhì)。光電信號(hào)處理具有高時(shí)間帶寬積的特征，它能突破傳統(tǒng)電子信號(hào)處理器中的采樣速度受限的瓶頸。利用光纖進(jìn)行雷達(dá)脈沖射頻信號(hào)的延遲存儲(chǔ)，即光學(xué)射頻存儲(chǔ)(PRFM)，無需模/數(shù)轉(zhuǎn)換，在較長的光學(xué)延遲線上傳輸光學(xué)調(diào)制信號(hào)損耗極低，動(dòng)態(tài)范圍廣，且它的瞬時(shí)帶寬(40 GHz)要比DRFM的寬數(shù)十倍以上[3]。這些優(yōu)勢使得PRFM能夠處理復(fù)制工作頻段內(nèi)的任何雷達(dá)信號(hào)，包括頻率捷變信號(hào)和脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)。在傳統(tǒng)的PRFM模塊中，延遲線回路中存在的同頻率的光對(duì)實(shí)際需要的輸出調(diào)制光信號(hào)產(chǎn)生了干擾，限制了最大存儲(chǔ)時(shí)間以及最終解調(diào)后輸出脈沖信號(hào)的質(zhì)量。

本文介紹了一種新穎的基于光學(xué)移頻的PRFM方法，可解決上述缺陷，保證較長的射頻存儲(chǔ)時(shí)間、寬瞬時(shí)帶寬以及大動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)比討論了所提出的PRFM相比于傳統(tǒng)的PRFM在輸出脈沖射頻信號(hào)方面的優(yōu)勢。通過仿真分析了PRFM的系統(tǒng)性能。

1 光學(xué)儲(chǔ)頻技術(shù)

傳統(tǒng)的PRFM結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。激光光源發(fā)射出的連續(xù)光波經(jīng)輸入的雷達(dá)脈沖信號(hào)電光調(diào)制之后，進(jìn)入到光循環(huán)延遲線回路。該延遲線主要由光耦合器、光放大器以及一定長度的單模光纖構(gòu)成。調(diào)制光信號(hào)以極低的損耗在回路中循環(huán)，達(dá)到一定延遲時(shí)間后，通過回路輸出端的一個(gè)高速光學(xué)開關(guān)來控制輸出經(jīng)延遲后的脈沖調(diào)制信號(hào)。光放大器的作用是補(bǔ)償系統(tǒng)的損耗，以獲得足夠多的循環(huán)次數(shù)來確保較長的儲(chǔ)頻時(shí)間。然而這樣的PRFM結(jié)構(gòu)存在著激光輻射諧振問題。當(dāng)一個(gè)射頻脈沖調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)入到光纖回路中，調(diào)制信號(hào)通過光放大器放大經(jīng)歷一次回路循環(huán)后，經(jīng)光耦合器分路，一部分信號(hào)繼續(xù)在光纖回路中循環(huán)，另一部分信號(hào)通過光開關(guān)選擇性地輸出。因此，在光纖回路中始終存在著與入射激光同頻率的光信號(hào)，不斷地經(jīng)過循環(huán)放大及損耗。當(dāng)后續(xù)進(jìn)入的射頻脈沖調(diào)制的光信號(hào)，經(jīng)過回路一定的時(shí)間延遲之后輸出時(shí)，在光耦合器的出射端會(huì)與回路中殘留的同頻率信號(hào)發(fā)生諧振。當(dāng)相位差不為零甚至相差π rad時(shí)，會(huì)造成輸出信號(hào)功率的嚴(yán)重衰減，信噪比低，限制了延遲線的穩(wěn)定性和最終輸出射頻信號(hào)的保真度。

這里提出了一種新型的PRFM結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。在光纖延遲線回路中加入光學(xué)頻移器，因此調(diào)制光信號(hào)每經(jīng)歷一次循環(huán)都產(chǎn)生一次頻移Δf，這樣避免了光纖回路中殘留信號(hào)光的頻率與入射光頻率相同而發(fā)生上述的諧振問題，從而可以實(shí)現(xiàn)更多次的回路延遲循環(huán)。在延遲回路的輸入端加入一光開關(guān)，通過脈沖控制光調(diào)制的射頻脈沖序列進(jìn)入回路，并在輸出端也引入一光學(xué)開關(guān)控制輸出達(dá)到所需求的時(shí)間延遲后的信號(hào)。延遲回路中的電子釋放開關(guān)可用于將環(huán)路中的背景信號(hào)釋放至環(huán)路外，從而減少環(huán)路的損耗。開關(guān)的控制時(shí)序可依據(jù)射頻脈沖及儲(chǔ)頻脈沖的輸出時(shí)序來設(shè)定。

圖1 傳統(tǒng)PRFM與所提出的PRFM對(duì)比

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 最大存儲(chǔ)時(shí)間

在PRFM中，輸出射頻脈沖信號(hào)的信噪比(SNR)決定了該系統(tǒng)最大的射頻存儲(chǔ)時(shí)間，起到限制SNR作用的因素包括自濾波效應(yīng)和回路放大器產(chǎn)生的信號(hào)自發(fā)的差拍噪聲。自濾波效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)參鉺光纖放大器(EDFA)增益譜寬變窄。盡管這樣可以抑制放大的自發(fā)輻射噪聲，但也導(dǎo)致不同波長的光信號(hào)通過放大器后具有不一樣的幅度值。在設(shè)計(jì)的PRFM中，射頻脈沖在光纖回路中循環(huán)若干次，從而自濾波產(chǎn)生，導(dǎo)致EDFA的增益譜變窄，限制總的光循環(huán)次數(shù)，即對(duì)應(yīng)限制最大存儲(chǔ)時(shí)間。

通過數(shù)學(xué)建模分析，得到了經(jīng)過i次光纖回路循環(huán)之后一個(gè)射頻脈沖信號(hào)的SNR表達(dá)式，即射頻脈沖信號(hào)功率PRF與噪聲功率Pnoise的比值，如下[4]：

(1)

式中：κ為光纖耦合效率；g為EDFA增益，是光頻率f的函數(shù)；f0為激光中心頻率；ls為頻移器的插入損耗；nsp為自發(fā)輻射因子；G為放大器增益；hν為光量子能量；W為雷達(dá)信號(hào)脈沖寬度；T為脈沖重頻間隔；B為接收器帶寬；Pin為激光光源的功率；lm為光調(diào)制器的插入損耗；VRF為輸入射頻脈沖信號(hào)電壓值；Vm為光調(diào)制器的轉(zhuǎn)換電壓。

圖2展示了通過仿真計(jì)算得到的SNR隨循環(huán)次數(shù)i的變化曲線關(guān)系。仿真時(shí)參數(shù)選取為：κ=0.5，f0=194 THz，ls=0.05，nsp=3.5，G=2，W=0.25 μs，T=0.5 ms，B=200 THz，Pin=3 mW，lm=0.05，VRF/Vm=1，Δf=100 MHz。這里對(duì)于EDFA增益函數(shù)g，假設(shè)滿足簡單的洛倫茲譜線型[5]。從圖中可以觀察到，SNR下降到-10 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)約為390，即對(duì)應(yīng)光纖回路內(nèi)射頻存儲(chǔ)的時(shí)間上限值。

2.2 相位畸變

PRFM中長的射頻存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)應(yīng)著調(diào)制光信號(hào)在光纖回路中經(jīng)歷更多的循環(huán)次數(shù)，即意味著調(diào)制光信號(hào)在相當(dāng)長的一段光纖里傳輸。由于光信號(hào)實(shí)際并不是單色的，從而存在著光纖色散問題。假設(shè)激光光源的線寬明顯要比射頻信號(hào)帶寬小得多，且回路中的光纖具有線性群延遲響應(yīng)，那么通過光纖之后的射頻信號(hào)的相位改變量滿足[4]：

(2)

式中：τ(f0)為群延遲；f0為光載頻；D為光纖色散系數(shù)；L為光纖長度；λ為載波波長；c為光在真空中的傳播速率；式中第2項(xiàng)對(duì)應(yīng)著由于光纖色散引起的相位畸變。

對(duì)該相位畸變項(xiàng)進(jìn)行了仿真。所選取的參數(shù)為：高頻微波信號(hào)覆蓋頻率范圍為1～18 GHz，單模光纖循環(huán)若干次后回路總長為20 km；激光載波的中心波長為1 550 nm。針對(duì)不同的色散系數(shù)(D分別取0.5、1、5、10和15 ps·nm-1·km-1)下的仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可以觀察到：在高頻部分，色散引起的相位畸變更嚴(yán)重。對(duì)于D小于0.5 ps·nm-1·km-1的單模光纖所產(chǎn)生的相位畸變小于0.1 rad。因此，使用理想的零色散的光纖，可以避免高頻微波信號(hào)延遲的相位畸變問題，從而可實(shí)現(xiàn)更長的儲(chǔ)頻時(shí)間。在實(shí)際設(shè)計(jì)選擇光纖時(shí)，應(yīng)充分考慮光纖的色散系數(shù)以滿足所需要的頻段內(nèi)射頻信號(hào)最大存儲(chǔ)時(shí)間工作要求。

圖3 不同光纖色散系數(shù)下相位畸變與射頻頻率的關(guān)系

3 仿真對(duì)比分析結(jié)果

通過信號(hào)模擬仿真，比較了傳統(tǒng)PRFM法和本文所提方法對(duì)于射頻信號(hào)輸出的差異，驗(yàn)證了光學(xué)移頻的有效性。模擬時(shí)設(shè)定輸入的射頻脈內(nèi)信號(hào)為幅度為1、頻率為10 GHz、基線值為1的正弦波，光學(xué)信號(hào)為幅度為1、頻率為100 THz的正弦波。假設(shè)二者初始同相位。圖4(a)所示的是經(jīng)過脈內(nèi)射頻信號(hào)調(diào)制后的光信號(hào)(僅顯示一小段時(shí)間內(nèi))。調(diào)制光信號(hào)每經(jīng)過一次光纖回路所產(chǎn)生的相位延遲為(2k+1)π，其中k為整數(shù)。在所提出的PRFM中，設(shè)置光學(xué)頻移量為2 MHz。圖4(b)和(c)分別為傳統(tǒng)法和本文方法中調(diào)制光信號(hào)經(jīng)過光纖回路循環(huán)390次之后所輸出的信號(hào)。在圖(b)中信號(hào)最終為零，是由于光纖回路中若干相同頻率的正弦波相互疊加干涉，在滿足相互間相位反相時(shí)的結(jié)果。然而經(jīng)過本文方法中的光學(xué)移頻處理，得到如圖4(c)所示的不同頻率正弦波相互疊加干涉的波形圖，可以觀察到其仍保持著原始的輸入信號(hào)的信息，其中外包絡(luò)信號(hào)頻率由移頻量和循環(huán)次數(shù)所確定。經(jīng)解調(diào)后，可以恢復(fù)復(fù)制的射頻信號(hào)。因此，傳統(tǒng)方法會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)在滿足相位條件一定下，出現(xiàn)信號(hào)減少的現(xiàn)象。然而本文提出的基于光學(xué)移頻的方法避免了上述問題，保證了輸出信號(hào)的高保真性。

圖4 傳統(tǒng)PRFM與所提出的PRFM傳輸信號(hào)仿真模擬對(duì)比

4 結(jié)束語

光纖儲(chǔ)頻作為一種模擬儲(chǔ)頻技術(shù)，運(yùn)用光纖延遲線能夠?qū)㈦姽庹{(diào)制的射頻脈沖信號(hào)進(jìn)行完整的延遲存儲(chǔ)，在對(duì)抗敵方雷達(dá)而實(shí)施的電子干擾中發(fā)揮著重要作用。在傳統(tǒng)PRFM基礎(chǔ)上，通過在光纖回路中引入光移頻器，有效避免了光纖回路中殘留信號(hào)的光頻率與入射光頻率相同而發(fā)生諧振，導(dǎo)致信號(hào)功率下降的問題，從而可以實(shí)現(xiàn)更多次的回路延遲循環(huán)，保證最大化的儲(chǔ)頻時(shí)間。光纖儲(chǔ)頻模塊所具有的瞬時(shí)帶寬大、動(dòng)態(tài)范圍寬等技術(shù)優(yōu)勢，適用于研發(fā)同時(shí)干擾不同型號(hào)不同頻段的多目標(biāo)雷達(dá)。