張業(yè)斌 ，王 凱 ，童 陽

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實驗室，安徽 合肥 230088)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的全面感知至關(guān)重要，是決定這戰(zhàn)爭成敗的關(guān)鍵因素之一。電子偵察[1-2]就是獲得戰(zhàn)場態(tài)勢繼而控制戰(zhàn)場主動權(quán)的重要手段，通過接收和分析敵方的雷達等主要電子信息系統(tǒng)的電磁信號，在空間上精確定位目標、識別敵方目標才能更有針對性地開展干擾、欺騙甚至摧毀等有效的電子對抗。微波信號測向技術(shù)是電子偵察技術(shù)的重要組成部分，通過測向可以判定敵方雷達等輻射源的方向，結(jié)合距離探測便可進而定位到敵方目標的精確位置。微波測向系統(tǒng)可以提供敵方輻射源所在的方向或者位置。根據(jù)工作的方式測向技術(shù)一般分為兩個大類，即主動測向技術(shù)和被動測向技術(shù)。主動測向技術(shù)主要是雷達系統(tǒng)采用，通過系統(tǒng)本身產(chǎn)生信號并通過天線輻射出去，再接收反射回來的電磁波信號，通過在一定的角度范圍內(nèi)掃描，并根據(jù)信號的大小來判斷目標信號的空間位置、敵方所在的位置。該方法由于接收的是己方發(fā)射的特定頻率和制式的信號，因此系統(tǒng)的接收帶寬要求不高，但由于其本身也是個輻射源，從而導致其輻射的電磁信號也容易被敵方捕獲進而被打擊的風險大大提高。被動測向技術(shù)是只通過捕獲和接收敵方目標主動輻射的電磁信號，進行分析從而得出其方向和位置信息，系統(tǒng)本身并不主動產(chǎn)生和向外輻射電磁射信號。因此，相對主動測向技術(shù)，被動測向技術(shù)具有更強的隱蔽性，但由于其接收和分析的是未知頻率的電磁信號，故對接收系統(tǒng)的帶寬要求一般較高。

隨著電子技術(shù)水平的不斷提高和軍事裝備的快速發(fā)展，通信、雷達、電子戰(zhàn)[3]等電子系統(tǒng)對信號處理的要求也越來越高，其工作帶寬越來越大，工作頻率也越來越高，這也給傳統(tǒng)的電學測向方法帶來了很大的挑戰(zhàn)。在高頻段工作時傳統(tǒng)的微波電路的瞬時帶寬很難做大，同時在工作帶寬內(nèi)的幅頻響應也較差，微波傳輸線的高頻損耗也會急劇增加，并且傳統(tǒng)電子系統(tǒng)進行超寬帶信號處理時往往需要多臺設備的堆疊，導致其體積和功耗也較大，并且容易受電磁干擾。受到上述這些“電子瓶頸”的限制，使得其很難滿足電子裝備發(fā)展的需要。微波光子技術(shù)[4]相對電子技術(shù)具有工作帶寬大、帶內(nèi)平坦度好、抗電磁干擾等優(yōu)勢，因此得到了廣泛的關(guān)注。微波光子技術(shù)有望突破現(xiàn)有電子技術(shù)的瓶頸，一般對于10 GHz以上帶寬的超寬帶射頻信號的測向精度要求在3°以內(nèi)，一些基于微波光子技術(shù)的微波信號測向系統(tǒng)[5-10]相繼被提出且其測向精度也達到2°甚至更低，但系統(tǒng)對器件、設備量等的要求均較高。

1 微波光子測向技術(shù)原理

本文所提的基于微波光子的測向方法，主要是利用兩路光學調(diào)制信號的干涉，構(gòu)建出相位差與光功率的映射關(guān)系，再通過對光功率的測量實現(xiàn)對寬帶微波信號的實時相位差測量，繼而推導出微波信號的來向。采用雙平行馬赫曾德調(diào)制器(DP-MZM)來實現(xiàn)兩路信號的調(diào)制和疊加。雙平行馬赫曾德調(diào)制器的上下兩個子調(diào)制器均工作在載波抑制雙邊帶模式，并控制兩個調(diào)制信號的相位差再進行相干疊加和干涉。為了消除直流項對測量信號的干擾，干涉后光信號采用平衡探測的方法來提高系統(tǒng)的測向的精度?；陔p平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測向的原理框圖如圖1 所示。

圖1 基于雙平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測向原理圖

激光器輸出的光載波信號輸入到雙平行馬赫曾德調(diào)制器中。設進入雙平行馬赫曾德調(diào)制器的光載波的表達式為：

其中E0與ω0分別為信號的幅度和角頻率。如圖2 所示，天線陣面接收回來的兩路射頻信號分別加載在雙平行馬赫曾德調(diào)制器的兩個射頻輸入口上，設兩路射頻輸入信號的表達式為：

圖2 雙平行馬赫曾德調(diào)制器各節(jié)點處的輸出信號光譜圖

其中E1m(t)、E2m(t)分別表示加載在第一、第二子調(diào)制器上的射頻信號，Em表示兩個天線陣元接收到的信號幅度，φ 表示兩個陣元接收的微波信號之間的相位差。

通過控制調(diào)制器的直流偏壓，使得第一子調(diào)制器和第二子調(diào)制器均工作在載波抑制雙邊帶工作模式，即最小偏置點。由于天線前端接收到的信號一般都比較小，因此忽略高階級(2 階以上)的信號，經(jīng)過第一子調(diào)制和第二子調(diào)制后的光信號分別可以表示為：

其中：m 表示射頻信號的調(diào)制深度，如式(6)所示；J±1(m)分別為對應調(diào)制深度的±1 階貝塞爾函數(shù)的值。

第一子調(diào)制和第二子調(diào)制的輸出光信號經(jīng)過第三子調(diào)制后合束輸出，通過控制雙平行馬赫曾德調(diào)制器的第三個偏置電壓，在兩路光信號之間額外引入一個相位差，其輸出表達式為：

其中θ 為第三馬赫曾德調(diào)制器上加載的直流偏壓所引入的相位差。

經(jīng)過雙平行馬赫曾德調(diào)制器后的光信號經(jīng)光耦合器后分為上、下兩路，兩路光信號分別經(jīng)過光濾波器進行濾波，上路只有上邊帶光信號輸出，光信號的下邊帶被濾除。同樣下路只有下邊帶光信號輸出，光濾波器將其上邊帶光信號濾除。經(jīng)過濾波后的上、下兩路光信號在進入平衡探測器前其光信號的表達式可以寫為：

故而進入上光探測器的光信號的能量表示為：

同時進入下光探測器的光信號的能量表示為：

從上述的分析可以看出，當通過設置第三子調(diào)制器的偏置電壓引入第一、第二馬赫曾德調(diào)制器輸出光信號之間的相位差θ 為90°時：

從上式可以看出，進入平衡探測器的上下兩路信號含有兩路被測信號相位差的余弦項有180°的相位差，因此經(jīng)過平衡探測器后的信號輸出為：

其中R 表示探測器的響應度。

通過測量探測器輸出信號的大小，就可以直接得出相位差信息，并推算出微波信號的來波方向。從平衡探測器的輸出表達式可以看出，通過平衡探測可以將不含相位差信息的直流無關(guān)項消除，從而減小其對信號項的干擾，可以提高測量系統(tǒng)對相位差的測量精度。一般用歸一化處理后的值來評估方向角Ф，其表達式為：

其中，In是歸一化后的探測輸出信號，而Io是來波方向為正向時測量出來的輸出信號值。

2 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)與結(jié)果分析

根據(jù)上述的基于雙平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測向技術(shù)方案，利用仿真軟件對系統(tǒng)進行了仿真分析。仿真中主要模塊的性能參數(shù)作如下設置：激光器的中心波長為1 550 nm，光濾波器的帶寬均設置為5 GHz；選擇了5 GHz、20 GHz、40 GHz 三個頻點分別進行仿真，在兩路微波信號的相位差為30°時該系統(tǒng)輸出的電信號如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在同樣的30°的相位差下，5 GHz、20 GHz、40 GHz 三個不同的微波信號，經(jīng)過上述測向系統(tǒng)后其輸出信號幅度是完全一致的。同樣系統(tǒng)也仿真分析了φ 分別為0°、60°、90°情況下，輸入不同頻點下的信號，系統(tǒng)的輸出信號同樣也是完全一致，仿真輸出結(jié)果表明在輸入的兩路信號相位差不變的情況下，其輸出信號的大小與頻率無關(guān)，說明系統(tǒng)具備超寬帶的工作性能，這與理論分析結(jié)果一致。

圖3 5 GHz、20 GHz、40 GHz 下平衡探測器的信號

進一步仿真分析了在相位差不同時系統(tǒng)的輸出信號的變化。仿真過程中選取20 GHz 為工作頻點，由于上述已經(jīng)驗證了輸出信號與頻率無關(guān)，選取任意工作頻點進行分析對結(jié)果沒有影響。對應天線陣面兩個天線單元的相位差，在仿真軟件中設置進入雙平行馬赫曾德干涉儀的兩路射頻信號的相位差為0°、30°、60°和90°時，得到系統(tǒng)的輸出結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可以看出，在兩路輸入信號的相位差為0°、30°、60°、90°等不同的情況下的，系統(tǒng)仿真后輸出信號功率隨著相位差的變化而變化。對其進行歸一化處理和擬合后，可得到在不同的微波信號的相位差與輸出信號功率的關(guān)系，在進行系統(tǒng)搭建和實驗測試后，將仿真、實驗結(jié)果與理論分析的結(jié)果進行對比，其結(jié)果如圖5 所示。

圖4 不同相位差下平衡探測器的信號

圖5 中方塊代表仿真結(jié)果，圓點表示實測結(jié)果，曲線表示理論值，從圖中可以清晰地看出仿真結(jié)果與理論分析十分一致。在±90°的相位差范圍內(nèi)，比較得到實測結(jié)果的相位誤差為±2°。

圖5 歸一化的探測器輸出與相位差的關(guān)系圖

3 結(jié)論

本文提出并理論仿真了一種基于雙平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測向系統(tǒng)，借助相位干涉儀測向原理，利用光學方法實現(xiàn)對射頻信號相位差測量進而可以得到來波方向角，仿真和實驗結(jié)果表明在5～40 GHz 頻率范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)-90°～90°的相位差測量，測量相位誤差在±2°以內(nèi)，具有超寬帶、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊簡單等優(yōu)勢，適合在未來電子偵察系統(tǒng)中應用。