基于微波光子學(xué)的射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真方法研究

潘時(shí)龍,田 義,劉世鋒,李小琳

(1.南京航空航天大學(xué) 雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211100;2.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)

0 引言

隨著隱身[1-2]、干擾[3-5]等技術(shù)的發(fā)展,作戰(zhàn)目標(biāo)越來(lái)越難以被辨別,迫使射頻精確制導(dǎo)武器不斷迭代升級(jí)。目前,合成孔徑成像[1,6-7]、相控陣[8-11]等技術(shù)已應(yīng)用到射頻制導(dǎo)系統(tǒng)中,使制導(dǎo)系統(tǒng)的分辨率得到了提升,制導(dǎo)系統(tǒng)獲取的目標(biāo)信息也更加豐富[9-16]。為了驗(yàn)證射頻精確制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),需進(jìn)行大量復(fù)雜的射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)[17-18]。針對(duì)新型射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真驗(yàn)證需求,新一代射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)需要具備瞬時(shí)大帶寬仿真、多波段仿真、多仿真系統(tǒng)協(xié)同工作等能力。但在傳統(tǒng)微波技術(shù)框架下,射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)在寬帶信號(hào)的低損耗傳輸、高精度幅相控制、實(shí)時(shí)復(fù)雜回波產(chǎn)生以及高性能可調(diào)諧本振信號(hào)產(chǎn)生等方面受到電子瓶頸限制,難以進(jìn)一步提升。微波光子技術(shù)融合了微波技術(shù)和光子技術(shù),將寬帶微波信號(hào)在光域進(jìn)行產(chǎn)生、傳輸與處理。光子系統(tǒng)中光波頻率達(dá)到數(shù)百太赫茲且波長(zhǎng)資源豐富,可承載較大帶寬的微波信號(hào)且具有強(qiáng)大的并行處理能力。因此,基于微波光子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)對(duì)多波段、大帶寬信號(hào)處理的需求。此外,微波光子技術(shù)采用質(zhì)量輕、損耗小的光纖作為傳輸介質(zhì),可減小半實(shí)物仿真系統(tǒng)體積,降低其傳輸鏈路的質(zhì)量和功耗,且具有良好的抗干擾性能。因此,本文將探討基于微波光子技術(shù)的解決思路,為新一代射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研制和研發(fā)提供新的思路。

1 射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)基本架構(gòu)

半實(shí)物仿真系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示,其整體架構(gòu)應(yīng)圍繞參試制導(dǎo)控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。參試的制導(dǎo)控制系統(tǒng)包括3個(gè)子系統(tǒng),分別是導(dǎo)引頭、制導(dǎo)指令形成裝置、舵系統(tǒng)。射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)用于物理模擬目標(biāo)的電磁輻射和運(yùn)動(dòng)特性,為制導(dǎo)控制系統(tǒng)提供目標(biāo)散射或輻射特性ER和失調(diào)角(εh,εv)的物理模擬[18]。飛行姿態(tài)模擬系統(tǒng)為射頻制導(dǎo)系統(tǒng)提供彈體姿態(tài)信息(ωx,ωy,ωz,θ,Ψ,γ)的物理模擬,其中θ,Ψ,γ和ωx,ωy,ωz分別是繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角及角速度。負(fù)載力矩模擬系統(tǒng),為舵系統(tǒng)提供負(fù)載力矩(M y,M z)的物理模擬。實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)主要包括仿真模型解算模塊,用于實(shí)時(shí)解算彈體模型、彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型等數(shù)學(xué)模型。對(duì)于完整的射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng),還包括仿真控制管理、實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、控制接口、數(shù)據(jù)采集記錄等模塊。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.1 Basic structure of the semi-physical simulation system

1.2 目標(biāo)模擬系統(tǒng)基本架構(gòu)

在整個(gè)射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)是核心。對(duì)于不同體制的射頻制導(dǎo)系統(tǒng),要求目標(biāo)能按照射頻制導(dǎo)系統(tǒng)的工作模式精確模擬目標(biāo)的回波信號(hào)。回波信號(hào)應(yīng)包括目標(biāo)電磁散射或反射特性,以及距離、位置信息等。圖2給出了射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)的基本架構(gòu)。由圖可見(jiàn)：配置信息輸入來(lái)自于實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)的模型解算,輸出是模擬的回波電磁輻射。

射頻系統(tǒng)需要在吸波暗室環(huán)境中運(yùn)行,吸波暗室實(shí)質(zhì)上是射頻輻射系統(tǒng)的一部分。

圖2 射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)Fig.2 Schematic of the RF target simulation system

射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)可抽象為4大模塊：信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、角位置控制系統(tǒng)、射頻輻射系統(tǒng)。信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)根據(jù)所要模擬的目標(biāo)類(lèi)型和參試制導(dǎo)控制系統(tǒng)的信號(hào)體制,按照輸入實(shí)時(shí)生成或回放回波信號(hào),主要包含回波的頻域和時(shí)域信息。信號(hào)生成后經(jīng)過(guò)波導(dǎo)、同軸電纜等信號(hào)傳輸系統(tǒng),以及如隔離器、放大器等有源無(wú)源器件,將信號(hào)發(fā)送給射頻輻射系統(tǒng)。為了保證空間輻射信號(hào)低失真地傳輸?shù)綄?dǎo)引頭,一般情況下射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)角位置控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式分為“電控式”[19-20]和“機(jī)械式”[21]。典型的“電控式”目標(biāo)模擬系統(tǒng)采用天線(xiàn)陣列來(lái)模擬目標(biāo)輻射的空間角位置。“機(jī)械式”目標(biāo)模擬系統(tǒng)的角位置控制由機(jī)械導(dǎo)軌或多層機(jī)械陣帶動(dòng)單個(gè)天線(xiàn)或小規(guī)模天線(xiàn)陣列運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 回波信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)基本架構(gòu)

回波信號(hào)產(chǎn)生是目標(biāo)模擬系統(tǒng)的核心功能之一。無(wú)論是主動(dòng)體制還是被動(dòng)體制,其信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的基本架構(gòu)一致,基本原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 回波信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)Fig.3 Generation system of the RF echo signal

對(duì)于主動(dòng)式制導(dǎo)系統(tǒng),輸入的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻至中頻,即從射頻信號(hào)中抽取基帶信號(hào),經(jīng)過(guò)高速A/D采樣將數(shù)字信號(hào)傳至數(shù)字射頻存儲(chǔ)模塊,數(shù)字射頻存儲(chǔ)模塊一般由FPGA 和DSP聯(lián)合對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,根據(jù)參數(shù)配置信息如彈目距離、當(dāng)前目標(biāo)姿態(tài)等,將目標(biāo)的回波特性加載到數(shù)字信號(hào)中,完成對(duì)回波數(shù)字信號(hào)的脈沖調(diào)制、載頻調(diào)制、脈內(nèi)調(diào)制、幅度調(diào)制等。將數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào),再上變頻成射頻信號(hào)輸出到信號(hào)傳輸系統(tǒng)。其中,對(duì)于捷變頻雷達(dá)或跳頻雷達(dá)發(fā)射機(jī)的信號(hào)需要瞬頻測(cè)試接收機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量輸入的頻率,再由頻綜提供多個(gè)本振信號(hào)作為混頻的基準(zhǔn)。

2 射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動(dòng)穩(wěn)定寬帶射頻信號(hào)低損耗傳輸

當(dāng)目標(biāo)模擬系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)架構(gòu)時(shí),從信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的復(fù)雜信號(hào)上傳到高速運(yùn)動(dòng)的二維導(dǎo)軌或框架上,要求傳輸媒介具備以下特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍,傳輸帶寬足夠大,射頻信號(hào)傳輸損耗足夠小;為線(xiàn)性系統(tǒng),降低信號(hào)非線(xiàn)性畸變,能保證信號(hào)的低失真;足夠柔軟,能跟隨導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)而彎曲;支持高速大范圍運(yùn)動(dòng),能適應(yīng)振動(dòng)環(huán)境;對(duì)外界電磁信號(hào)的屏蔽性好。而當(dāng)前的寬帶射頻信號(hào)傳輸媒介采用半柔性同軸電纜或波導(dǎo),存在無(wú)法彎曲、無(wú)法適應(yīng)運(yùn)動(dòng)環(huán)境、射頻信號(hào)損耗大的特點(diǎn)。當(dāng)多套射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)協(xié)同工作時(shí),要求射頻信號(hào)需要在多個(gè)分布式半實(shí)物仿真系統(tǒng)之間低延時(shí)、低損耗傳輸,傳輸距離可能達(dá)幾千米,傳統(tǒng)的射頻傳輸模式也無(wú)法適用。由此可見(jiàn),動(dòng)穩(wěn)定寬帶射頻信號(hào)的遠(yuǎn)距傳輸已成為制約當(dāng)前射頻目標(biāo)模擬系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

2.2 瞬時(shí)大帶寬射頻信號(hào)幅相精確控制

當(dāng)前的射頻器件例如移相器和衰減器瞬時(shí)工作帶寬較窄(校準(zhǔn)后的帶寬約為300 MHz)。對(duì)于固態(tài)式目標(biāo)模擬系統(tǒng),當(dāng)三元組工作時(shí),需要保證三元組的幅度相位的一致性,而傳統(tǒng)的移相器只能保證在個(gè)別頻點(diǎn)或很窄的帶寬內(nèi)的相位一致性,而在寬頻段范圍內(nèi),則需要通過(guò)特定的手段補(bǔ)償三元組之間不同頻點(diǎn)相位的差別。此外無(wú)論是衰減控制還是延時(shí)控制,都希望保證幅頻和相頻特性獨(dú)立可調(diào),這樣才能夠精確控制輻射中心的移動(dòng),否則會(huì)出現(xiàn)幅度和相位控制的耦合,導(dǎo)致控制復(fù)雜度的提升,甚至?xí)?lái)控制盲區(qū)。因此,瞬時(shí)大帶寬信號(hào)的精確幅相控制是傳統(tǒng)移相器和衰減器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,急需新技術(shù)、新途徑。

2.3 復(fù)雜寬帶毫米波/亞毫米波回波信號(hào)高速實(shí)時(shí)生成

回波信號(hào)生成的前提是低失真地提取雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào),在提取過(guò)程中一般需要將射頻信號(hào)下變頻,使之與當(dāng)前AD 轉(zhuǎn)換和數(shù)字射頻存儲(chǔ)模塊的處理速度匹配。考慮到這種信號(hào)提取,復(fù)雜寬帶毫米波/亞毫米波回波信號(hào)高速實(shí)時(shí)生成具有以下難點(diǎn)：1)由于傳統(tǒng)AD 轉(zhuǎn)換的采樣率瓶頸,很難對(duì)毫米波或亞毫米波信號(hào)直接進(jìn)行高速AD 轉(zhuǎn)換,而這必然會(huì)丟失部分發(fā)射機(jī)的信息;2)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)字射頻存儲(chǔ)的瞬時(shí)帶寬一般不超過(guò)2 GHz,即使將發(fā)射機(jī)的信號(hào)進(jìn)行下變頻,寬帶的中頻信號(hào)也難以得到處理;3)在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,需要實(shí)時(shí)將復(fù)雜的目標(biāo)特性加載到發(fā)射信號(hào)上,這對(duì)任意波形生成能力提出了極高要求。因此,需要新的技術(shù)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)的高保真提取,完成對(duì)其高速高精度處理,從而逼真模擬出目標(biāo)的回波信息。

2.4 高速連續(xù)可調(diào)高Q 值射頻本振生成

對(duì)于半實(shí)物仿真系統(tǒng)作為測(cè)試和驗(yàn)證手段,理論上其精度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)高于被測(cè)設(shè)備(各種體制雷達(dá))的信號(hào)品質(zhì),尤其是本振的信號(hào)品質(zhì)主要決定了系統(tǒng)的信號(hào)品質(zhì)。當(dāng)前信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的本振一般采用石英晶振,雖然能獲得高Q值的穩(wěn)定振蕩,但是無(wú)法直接獲得高頻本振(例如亞毫米波、太赫茲波段),必須通過(guò)分頻、倍頻、混頻、功率放大等手段,由于在多個(gè)環(huán)節(jié)引入噪聲,導(dǎo)致信號(hào)品質(zhì)急劇下降。

3 基于微波光子學(xué)的解決思路

基于傳統(tǒng)微波技術(shù)的射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)面臨著4個(gè)重要限制因素：1)在傳輸方面,同軸電纜對(duì)高頻寬帶射頻信號(hào)的傳輸損耗大、傳輸距離短、質(zhì)量體積大,難以滿(mǎn)足半實(shí)物仿真系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)環(huán)境以及不同仿真系統(tǒng)間長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枨?2)在幅相控制方面,傳統(tǒng)微波器件處理帶寬小且幅相耦合嚴(yán)重;3)在回波信號(hào)產(chǎn)生方面,電ADC 采樣速率低,射頻存儲(chǔ)瞬時(shí)帶寬小,任意波形生成難度大;4)在本振信號(hào)產(chǎn)生方面,高頻本振相位噪聲惡化,品質(zhì)下降嚴(yán)重。針對(duì)這些技術(shù)問(wèn)題,微波光子學(xué)有望從低損耗線(xiàn)性化寬帶微波光子鏈路、基于圓偏振光波長(zhǎng)對(duì)的微波光子幅相控制技術(shù)、微波光子信道化接收與頻時(shí)映射任意波形信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)、低相位噪聲光電振蕩器及其頻率綜合技術(shù)等方面提供新的解決思路,接下來(lái)對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 微波光子傳輸鏈路及穩(wěn)相傳輸技術(shù)

在射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,寬帶、線(xiàn)性、大動(dòng)態(tài)、抗彎曲,以及抗震的鏈路傳輸系統(tǒng)成為迫切需求。光纜與電纜性能對(duì)比見(jiàn)表1。由表可見(jiàn),微波光子鏈路的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在光纖的低損耗和大帶寬。但是由于電光/光電轉(zhuǎn)換會(huì)引入噪聲和非線(xiàn)性失真,所以要想獲得高保真?zhèn)鬏?模擬光鏈路還需進(jìn)行線(xiàn)性化,并采取措施降低噪聲的影響。

表1 光纜與電纜對(duì)比Tab.1 Comparison of the optical cable and the electrical cable

光子鏈路的非線(xiàn)性主要由電光調(diào)制器引起,主要包括二階諧波、三階交調(diào)與五階交調(diào)引起的非線(xiàn)性。為了消除微波光子鏈路的非線(xiàn)性,并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,多種線(xiàn)性化方法被提出。這些方法主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是電域線(xiàn)性化;另一類(lèi)是光域線(xiàn)性化。光域線(xiàn)性化技術(shù)由于沒(méi)有電子器件帶寬瓶頸,相比電域線(xiàn)性化技術(shù)得到了更廣泛的研究。光域線(xiàn)性化技術(shù)主要是通過(guò)設(shè)計(jì)、組合系統(tǒng)各種復(fù)雜的調(diào)制結(jié)構(gòu),使調(diào)制過(guò)程產(chǎn)生的非線(xiàn)性失真互相抵消,或在光譜中分析系統(tǒng)非線(xiàn)性失真的產(chǎn)生根源,并采取相應(yīng)的處理手段消除失真分量的產(chǎn)生,在光域中實(shí)現(xiàn)模擬光鏈路系統(tǒng)的線(xiàn)性化。該技術(shù)主要包括基于光邊帶抑制的線(xiàn)性化技術(shù)[22-24]、低偏置技術(shù)[25]、基于非線(xiàn)性失真抵消的線(xiàn)性化技術(shù)[26-35],表2對(duì)這幾種典型的線(xiàn)性化技術(shù)進(jìn)行了綜合比較。由表可見(jiàn),針對(duì)射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的寬帶、高線(xiàn)性度與大動(dòng)態(tài)范圍的性能需求,基于非線(xiàn)性失真抵消的線(xiàn)性化鏈路技術(shù)更加適用于射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

表2 典型線(xiàn)性化技術(shù)的性能比較Tab.2 Comparison of the linearity technologies for analog photonic links

此外,在多套射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)協(xié)同工作時(shí),需要對(duì)高頻微波信號(hào)進(jìn)行分布式傳輸,且保持各通道中傳輸信號(hào)的相位穩(wěn)定性,即實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。目前,常見(jiàn)的光纖射頻信號(hào)穩(wěn)相傳輸方法分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于鎖相環(huán)的主動(dòng)式穩(wěn)相技術(shù)[36],基本原理是構(gòu)建一個(gè)鎖相環(huán)使得傳輸后信號(hào)的相位一直保持穩(wěn)定;另一類(lèi)是基于混頻的被動(dòng)穩(wěn)相技術(shù)[37],基本原理是將兩路帶有相同傳輸相位延時(shí)的信號(hào)混頻以消除相位抖動(dòng)。

表3是2017—2018年部分單位所實(shí)現(xiàn)的微波光子鏈路性能對(duì)比。由表可見(jiàn),射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中寬帶、高線(xiàn)性、大動(dòng)態(tài)、高穩(wěn)定等問(wèn)題有望用微波光子技術(shù)來(lái)解決。

表3 光子鏈路性能對(duì)比Tab.3 Performance comparison of different optical links

3.2 微波光子幅相控制技術(shù)

射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中需要對(duì)寬帶微波信號(hào)進(jìn)行無(wú)耦合、高精度幅相控制。微波光子幅相操控技術(shù)是用光的方法控制微波信號(hào)的幅度和相位,由于幅度可以簡(jiǎn)單通過(guò)放大或衰減控制,且當(dāng)前商用的光衰減器可達(dá)到0.1 d B調(diào)控精度,光學(xué)帶寬＞100 nm(對(duì)應(yīng)射頻帶寬12.5 THz)的性能,可以滿(mǎn)足當(dāng)前應(yīng)用需求,因此對(duì)微波信號(hào)相位的無(wú)幅相耦合與高速操控是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

微波光子移相技術(shù)一般將微波信號(hào)經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換調(diào)制到光信號(hào)上,通過(guò)光控移相方法控制信號(hào)的相位后經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成微波信號(hào),實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)相位的控制。根據(jù)微波光子移相的實(shí)現(xiàn)方法,現(xiàn)有的微波光子移相機(jī)理可大致分為以下4類(lèi)：1)基于慢光效應(yīng)的微波光子移相技術(shù)[38-42];2)基于光矢量和的微波光子移相技術(shù)[43-44];3)基于外差混頻的微波光子移相技術(shù)[45-46];4)基于正交圓偏振光波對(duì)的光子移相技術(shù)。南京航空航天大學(xué)提出了一種基于正交圓偏振光波長(zhǎng)對(duì)的微波光子移相技術(shù),如圖4所示。

圖4 基于圓偏振光波長(zhǎng)對(duì)的微波光子移相原理Fig.4 Principle of the microwave photonic shifter based on a pair of circularly-polarized wavelengths

由圖可見(jiàn),基于正交圓偏振光波長(zhǎng)對(duì)的微波光子移相技術(shù)的基本原理是：通過(guò)將一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光信號(hào)通過(guò)檢偏器檢偏后經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換到微波域,所產(chǎn)生微波信號(hào)的幅度恒定、相位與檢偏角成正比[47-49]。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)幅相無(wú)耦合

由于圓偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器后,隨著檢偏器檢偏角度的變化,光信號(hào)強(qiáng)度不變,相移發(fā)生線(xiàn)性改變,從而突破了Kramers-Kronig關(guān)系的限制。

2)工作帶寬大

上述系統(tǒng)的工作帶寬主要受限于光電器件的工作帶寬,實(shí)驗(yàn)中得到了10～40 GHz范圍內(nèi),0～360°可連續(xù)調(diào)諧的相移。通過(guò)操控光譜可以實(shí)現(xiàn)微波光子2倍頻、4倍頻、8倍頻信號(hào)的相移,理論帶寬可達(dá)1.7～184 GHz。

3)響應(yīng)平坦

在系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)具有平坦的相頻響應(yīng)和幅頻響應(yīng)。

4)多路拓展性好

由于該方案中信號(hào)的相移通過(guò)調(diào)節(jié)檢偏器的檢偏角度控制,若是將圓偏振光波長(zhǎng)對(duì)分成多路,每一路使用一個(gè)檢偏器控制信號(hào)的相位,則可以實(shí)現(xiàn)多路獨(dú)立可控的微波光子移相。

5)調(diào)相速度快

系統(tǒng)中所用的檢偏器可由電控檢偏器取代,例如可通過(guò)高速偏振調(diào)制取代,調(diào)相速度高達(dá)40 Gbt/s。

綜上所述,基于偏振調(diào)制的微波光子移相技術(shù)可有效克服Kramers-Kronig關(guān)系引入的幅相耦合問(wèn)題,具有帶寬大、0～360°連續(xù)可調(diào)諧、響應(yīng)平坦、多路拓展性良好、調(diào)諧速度快等優(yōu)勢(shì),有望成為應(yīng)用于射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)最有效的微波光子移相技術(shù)。

3.3 微波光子寬帶射頻信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)

射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的復(fù)雜寬帶回波高速實(shí)時(shí)生成包含兩部分：一是寬帶雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)的提取和處理;二是攜帶復(fù)雜目標(biāo)散射特性的微波信號(hào)產(chǎn)生。針對(duì)復(fù)雜寬帶雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)的提取和處理,解決方法主要是基于微波光子技術(shù)的信道化接收。該方法的特點(diǎn)在于利用光的寬帶承載特點(diǎn),將復(fù)雜寬帶雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換到光域。利用微波光子下變頻技術(shù),將寬帶的接收信號(hào)信道化成窄帶信號(hào),滿(mǎn)足后端AD 采樣的需求,從而提高信息提取和處理速度。

目前常見(jiàn)的信道化方法主要分為2類(lèi)：

1)基于“參數(shù)掃描+寬帶混頻”掃描式信道化接收機(jī)方案[50-52]

圖5給出了基于“光載射頻信號(hào)掃描”的寬帶接收機(jī)及其工作模式。從圖5(a)可以看出,激光器輸出的連續(xù)波光信號(hào)分成兩路。其中一路通過(guò)電光調(diào)制加載天線(xiàn)接收的寬帶信號(hào)并送入循環(huán)移頻模塊。移頻模塊包含載波抑制單邊帶調(diào)制器、摻鉺光纖放大器和帶通濾波器等。移頻后的信號(hào)與另一路純凈的光載波信號(hào)(光本振)通過(guò)相干接收機(jī)實(shí)現(xiàn)下變頻接收。從圖5(b)可以看出,調(diào)制的光微波信號(hào)經(jīng)過(guò)移頻模塊后每循環(huán)一次信號(hào)在頻譜上將移動(dòng)一定頻率。由于光本振在每個(gè)循環(huán)時(shí)刻將對(duì)準(zhǔn)不同的頻率分量,所以每次通過(guò)與光本振混頻至基帶的是接收信號(hào)中不同頻率處的頻譜分量,如圖5(c)所示,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶信號(hào)的掃描接收。

圖5 基于循環(huán)移頻的掃描式寬帶接收機(jī)原理圖及其工作模式Fig.5 Wideband scanning RF receiver based on FRS Loop

2)“多頻本振+寬帶混頻”的并行式信道化接收方式[53-55]

利用同時(shí)產(chǎn)生的上百個(gè)光微波載頻形成“本振池”,對(duì)輸入的多頻微波信號(hào)同時(shí)變頻至多個(gè)通道,然后采用可編程光濾波器選擇想要的變頻分量(1個(gè)或多個(gè)),最后進(jìn)行光子輔助的信道化接收。該方法真正發(fā)揮了光子技術(shù)寬帶承載能力和并行工作能力,可在1套系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率和超大帶寬信號(hào)的同時(shí)信道化接收,具有可重構(gòu)性好和通用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),圖6為典型的基于相干雙光頻梳的信道化接收機(jī)原理圖[54]。值得說(shuō)明的是,該方案由于光電探測(cè)得到的電流正比于輸入光場(chǎng)的平方,處于光本振兩側(cè)的頻譜分量在光電探測(cè)后將會(huì)混疊在一起,產(chǎn)生鏡頻干擾。這些干擾無(wú)法通過(guò)濾波去除,因此無(wú)法直接得到接收信號(hào)中的有用信息。該問(wèn)題在多頻信號(hào)與多頻本振同時(shí)進(jìn)行混頻時(shí)尤為突出和嚴(yán)重。因此,研究人員提出了基于數(shù)字I/Q解調(diào)技術(shù)[55]和模擬鏡頻抑制混頻[56]的光子信道化接收,通過(guò)數(shù)字/模擬信號(hào)處理技術(shù),將原本交織在一起的信號(hào)重新分離開(kāi),從而提取出有用信息。

圖6 基于相干雙光頻梳的信道化接收機(jī)原理Fig.6 Channelized receiver based on coherent optical combs

針對(duì)復(fù)雜寬帶毫米波/亞毫米波回波信號(hào)生成,微波光子學(xué)的實(shí)現(xiàn)方法主要是通過(guò)采用一系列整形方法,對(duì)光脈沖在幅度、相位、延時(shí)、頻譜等維度上進(jìn)行精確操縱,然后通過(guò)不同的映射機(jī)制,將整形后的信號(hào)映射至?xí)r域,得到目標(biāo)的時(shí)域波形信號(hào)。目前利用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜寬帶波形信號(hào)產(chǎn)生的方法主要有以下幾種：1)直接空時(shí)脈沖映射技術(shù)[57-58];2)時(shí)間域脈沖整形技術(shù)[59];3)頻率時(shí)間映射技術(shù)。前2種技術(shù)仍存在器件設(shè)計(jì)加工難度大、系統(tǒng)框架復(fù)雜、信號(hào)精準(zhǔn)度很難保證等問(wèn)題,難以實(shí)用化。第3種技術(shù)的頻時(shí)映射也被稱(chēng)為實(shí)時(shí)傅里葉變換,可以類(lèi)比于空間光的近場(chǎng)衍射原理或者時(shí)間域的超短脈沖色散機(jī)制,相比于前2種技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有更高的可靠性。

圖7(a)給出了基于頻時(shí)映射實(shí)現(xiàn)任意波形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)包含1個(gè)脈沖源、1個(gè)光頻譜濾波器(也稱(chēng)頻譜整形器)、1個(gè)色散器件和1個(gè)光電探測(cè)器。光脈沖源產(chǎn)生1個(gè)超短的脈沖信號(hào),其在頻譜上表現(xiàn)為一個(gè)寬譜的光信號(hào)。通過(guò)對(duì)光頻譜濾波器的編程控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)光脈沖頻譜形狀的編輯。經(jīng)過(guò)頻譜整形的光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)色散介質(zhì)和光電探測(cè)后,光信號(hào)頻譜的形狀將映射至?xí)r域,即最終產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)域波形與脈沖整形后的光譜形狀完全相同。因此,通過(guò)對(duì)光脈沖形狀的靈活操作和整形(即對(duì)光頻譜濾波器的靈活編程控制)即可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)域波形的微波信號(hào)。圖7(b)給出了頻時(shí)映射的原理示意圖。通常情況下,光脈沖整形器可以通過(guò)商用的可編程光濾波器[60]、基于空間器件(如液晶)的空間光調(diào)制器[61]、光纖布拉格光柵[62]、硅基集成的波導(dǎo)光纖布拉格光柵[63]、硅基集成的微環(huán)陣列[64]等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7 基于頻時(shí)映射實(shí)現(xiàn)任意波形信號(hào)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖與時(shí)頻分析圖Fig.7 Schematic of the arbitrary signal generation based on frequency-to-time mapping

結(jié)合以上2種技術(shù),采用基于微波光子混頻的信道化接收技術(shù)對(duì)寬帶的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行接收及處理,隨后將回波信號(hào)作為頻譜整形單元的控制信號(hào),利用微波光子寬帶任意波形產(chǎn)生技術(shù),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜寬帶毫米波/亞毫米波回波信號(hào)的實(shí)時(shí)生成。

3.4 基于微波光子的射頻本振產(chǎn)生技術(shù)

本振信號(hào)是半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的核心部件,其射頻性能直接決定著系統(tǒng)的信號(hào)品質(zhì)。由于射頻半實(shí)物仿真系統(tǒng)需要具備多種體制雷達(dá)的測(cè)試與驗(yàn)證適應(yīng)性,其射頻性能需要遠(yuǎn)高于被測(cè)設(shè)備,因而對(duì)本振信號(hào)的頻譜純度、可調(diào)諧性能提出了極高的要求。目前,半實(shí)物仿真系統(tǒng)中本振信號(hào)主要基于頻率綜合技術(shù)產(chǎn)生。現(xiàn)有的頻率綜合技術(shù)主要包括直接模擬頻率合成、直接數(shù)字頻率合成和鎖相式頻率合成[65],它們具有不同的優(yōu)缺點(diǎn),但其具有共同特征,即都需要標(biāo)準(zhǔn)頻率源作為參考且標(biāo)準(zhǔn)頻率源直接決定著輸出信號(hào)的性能。因此要獲得高性能的頻率綜合器,必須首先具有高頻率穩(wěn)定度和低相位噪聲的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率源。

目前常用作標(biāo)準(zhǔn)頻率源的微波振蕩器,如TCXO,OCXO 等自身的振蕩頻率較低,通常為100 MHz左右,再通過(guò)利用倍頻的方式產(chǎn)生高頻信號(hào)時(shí),相位噪聲會(huì)按照20 lgN的規(guī)律惡化,其中N為倍頻因子。相對(duì)于傳統(tǒng)微波技術(shù)的局限性,光子技術(shù)具有低噪聲、低損耗和大帶寬的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),因此通過(guò)光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能標(biāo)準(zhǔn)參考源已獲得人們的廣泛重視[66]。光電振蕩器[67-68]作為其中一種具有實(shí)用化前景的關(guān)鍵技術(shù),能夠輸出高頻、超低相位噪聲、穩(wěn)定的參考信號(hào),主要由光源、電光調(diào)制器、高Q光儲(chǔ)能單元(或一定長(zhǎng)度的光纖)、光電探測(cè)器、帶通濾波器、微波放大器、移相器、微波耦合器等組成,并正反饋回路,其基本結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。光電振蕩器利用馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器(MZM)以及光纖低損耗的特性將連續(xù)光變?yōu)榉€(wěn)定的、頻譜純凈的微波信號(hào)。振蕩的能量來(lái)自于MZM 前的光載波,光載波經(jīng)過(guò)電光調(diào)制后生成調(diào)制光信號(hào),該光信號(hào)在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)化成電信號(hào),再經(jīng)過(guò)放大與窄帶濾波后,一部分用于輸出,另一部分反饋入MZM 的射頻輸入端口,完成一次循環(huán)過(guò)程。這樣不斷循環(huán),最終形成穩(wěn)定的振蕩。光電振蕩器可在其原理本質(zhì)上產(chǎn)生數(shù)兆赫茲到數(shù)百吉赫茲的高性能射頻信號(hào),其相位噪聲在理論上甚至可以接近量子極限(-163 dBc/Hz),是一種理想的微波振蕩器[69],其結(jié)果如圖8(b)所示。

圖8 光電振蕩器原理結(jié)構(gòu)圖及其相位噪聲Fig.8 Schematic of optoelectronic oscillator and its phase noise

光電振蕩器能輸出高質(zhì)量單頻信號(hào),但無(wú)法滿(mǎn)足仿真系統(tǒng)對(duì)寬帶可調(diào)諧本振的需求。為產(chǎn)生大帶寬、高速可調(diào)諧的本振信號(hào),人們提出了以O(shè)EO 輸出的高頻率、低相噪的微波信號(hào)源為標(biāo)準(zhǔn)頻率源,利用特殊設(shè)計(jì)的微波鏈路實(shí)現(xiàn)微波頻率綜合,其頻率穩(wěn)定度、相位噪聲等性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基于晶體振蕩器的頻率綜合器[70],對(duì)應(yīng)的原理結(jié)構(gòu)如圖9所示。

為進(jìn)一步拓展頻率綜合器的輸出頻率范圍,將DDS輸出信號(hào)與III路的輸出的高階次諧波分量進(jìn)行混頻,提升進(jìn)入混頻器2的LO 端輸入頻率,經(jīng)過(guò)變頻鎖相后可將頻率綜合器的輸出范圍成倍提升,從而滿(mǎn)足半實(shí)物仿真系統(tǒng)對(duì)高頻、寬帶、高性能本振信號(hào)的需求。此外,由于DDS 具有極快的調(diào)頻時(shí)間,因此該系統(tǒng)頻率調(diào)諧速度可到微秒級(jí)。

圖9 基于光電振蕩技術(shù)的頻率綜合器原理結(jié)構(gòu)Fig.9 Frequency synthesizer based on optoelectronic oscillator

該系統(tǒng)工作的大致流程如下：光電振蕩器輸出低相位噪聲本振信號(hào),通過(guò)功分器分成I、II、III三路信號(hào)。其中,I路信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)下變頻混頻器1,直接與來(lái)自壓控振蕩器的信號(hào)混頻得到中頻信號(hào)IF1;III路信號(hào)經(jīng)過(guò)10分頻器后,由帶通濾波器濾出分頻后的次諧波分量,作為直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的時(shí)鐘信號(hào)。DDS 輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器2與中頻信號(hào)IF1混頻后,再由帶通濾波器濾出頻率為100 MHz的中頻信號(hào)IF2;II路信號(hào)通過(guò)100分頻器,由帶通濾波器濾出100 MHz的鑒頻鑒相器的參考信號(hào),并與反饋信號(hào)IF2鑒頻鑒相,相位誤差信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)化成電壓誤差信號(hào),反饋控制壓控振蕩器。當(dāng)鎖相環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定時(shí),就可以得到與光電振蕩器相位鎖定的輸出信號(hào)。此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)直接數(shù)字頻率合成器的輸出頻率,就可以獲得一個(gè)寬帶的壓控振蕩器信號(hào)輸出,而直接頻率綜合器的頻率步進(jìn)就是壓控振蕩器的頻率步進(jìn),其相位噪聲結(jié)果如圖10所示。該方案采用了混頻器內(nèi)插鎖相環(huán)技術(shù),降低了分頻系數(shù),不但能很好改善環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲,而且能很好抑制環(huán)路帶寬內(nèi)直接頻率合成器輸出的雜散信號(hào)和混頻后的交調(diào)分量。

圖10 基于光電振蕩技術(shù)的頻率綜合器相位噪聲圖Fig.10 Phase noise of the frequency synthesizer based on optoelectronic oscillator

4 結(jié)論

針對(duì)射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中在多波段、大帶寬、多仿真系統(tǒng)協(xié)同工作情況下遇到的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析。基于傳統(tǒng)微波技術(shù)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)面臨從信號(hào)產(chǎn)生、控制、處理到傳輸?shù)榷囗?xiàng)瓶頸問(wèn)題。為此,結(jié)合微波光子技術(shù)在寬帶、低損耗、低噪聲等優(yōu)勢(shì),分析了基于微波光子的高性能鏈路傳輸技術(shù)、穩(wěn)相傳輸技術(shù)、無(wú)耦合幅相控制技術(shù)、微波光子回波產(chǎn)生技術(shù)及其處理、高性能本振產(chǎn)生技術(shù)等,為射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的破局提供了新的思路和解決途徑。

值得注意的是,為了實(shí)現(xiàn)基于微波光子技術(shù)的先進(jìn)射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng),需要將多項(xiàng)微波光子關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行融合,并解決其中各關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)、集成、封裝與測(cè)試問(wèn)題。

隨著微波光子集成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,所提出的微波光子技術(shù)正快速朝小型化、集成化、低功耗方向發(fā)展,必將為新一代射頻半實(shí)物仿真系統(tǒng)提供有力的支撐。