CC BY
40ВКВО-2019 Радиофотоника
РАДИФОТОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННЫХ ЧАСТОТ МНОЖЕСТВА РАДИОСИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ АДДИТИВНОГО ЧАСТОТНОГО СМЕЩЕНИЯ
С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕРЯЕМЫХ ЧАСТОТ
*
Иванов А.А. , Морозов О.Г., Сахабутдинов А.Ж., Сарварова Л.М., Колесников В.Ю.
Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет им. А. Н. Туполева - КАИ, г. Казань
* E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16039
Введение. С развитием оптико-электронных систем радиофотонные методы измерения мгновенной частоты (ИМЧ) радиосигналов являются перспективным инструментом как в военной (радиотехническая разведка, радиоэлектронная борьба), так и в гражданской области (оценка электромагнитной обстановки, программно-определяемое радио и т.д.). Радиофотонные методы позволяют проводить обработку радиосигналов в оптическом диапазоне и использовать такие присущие фотонным технологиям достоинства как более широкий рабочий диапазон (по частоте и амплитуде) по сравнению с электронными методами, малые потери, невосприимчивость к электромагнитным полям, упрощенная конструкция и малый размер [1]. Среди фотонных методов ИМЧ радиосигналов на основе преобразования «частота-амплитуда» наиболее часто используются методы с использованием волоконной решетки Брэгга (ВРБ) в качестве дисперсионного элемента [2].
На основе предложенного и исследованного ранее метода ИМЧ одного сигнала с использованием ВРБ: аддитивного частотного разнесения несущей [3] предложен способ и написан алгоритм одновременного измерения и определения множества частот принимаемого полигармонического радиосигнала.
Описание метода. Идея измерения основана на электрооптическом свойстве модулятора Маха-Цендера (ММЦ), которое позволяет напрямую связать разностную частоту оптически модулированного сигнала с частотой электрического модулирующего сигнала. Узкополосное лазерное излучение направляется на модулятор, работающий в нулевой рабочей точке с подавлением несущего сигнала. Модуляция оптической несущей производится внешним полигармоническим электрическим сигналом, частоты которого подлежат измерению.
На Рис. 1 приведен пример оптико-электронной схемы реализации такого измерительного преобразования. Излучение с источника - ЛД, модулируется на - ММЦ1 сигналом с частотой {fDF}
для разноса двухчастотного излучения на середину линейного участка склонов АЧХ ВРБ и затем модулируется на - ММЦ2 полигармоническим электрическим сигналом -MS с неизвестным набором частот {fRFk}, и, отражаясь от ВБР, возвращается через оптический циркулятор - ОЦ, принимается на фотодетекторе - ФД и оцифровывается на АЦП. Блок обработки, в котором производится определение мгновенных частот, на рисунке не приведен. При данном способе измерения в зависимости от величины значений составляющих частот сигнала на фотодетекторе будут возникать биения гармоник искомых частот с одного либо с прилегающих склонов ВРБ. Схемы АЧХ лазерного излучения для этих случаев и спектры сигналов на выходе фотоприемника приведены на Рис. 2 и Рис. 3 соответственно.
Выбирая полосу пропускания фотоприемника равной полуширине АЧХ ВРБ {2fDF}, для случая на Рис. 3,а на выходе фотоприемника мы получаем сигнал с частотами {2fRF}, {f1} и {f2} равную {2fDF}, что позволяет исключить ее из дальнейших вычислений. При этом {2fRF} и {f1} будут равноудалены от частоты разнесения {fDF}. Для случая на Рис. 3,б на выходе фотоприемника мы получаем сигнал с частотой {fRF*}. Частота исходного сигнала для этого случая определяется как ({fRF*}+{2fDF})/2. Это позволяет проводить измерения сигналов с частотами, превышающими полосу пропускания фотоприемника.
После ММЦ сигнал будет представлять собой полигармоническое оптическое излучение с оптическими частотами, которые разнесены от несущей частоты лазера на частоты модуляции.
ММЦ2
Рис. 1. Структурная оптико-электронная схема реализации приемной части ИМЧ
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
85
ВКВО-2019- Радиофотоника
а)
Частота, усл. ей.
Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики спектральной формы сигнала, принимаемого на фотоприемнике для: а) измерений на одном из склонов ВРБ; б) измерений на прилегающих склонах ВРБ
ггяг
Н-
fr.f f,
2?Эг
h
h
'4F
-h
fr.F
+
2fD=
Î3
2fRF
а) 6)
Рис. 3. Схема спектра сигнала после фотоприемника в амплитудно-частотной плоскости для: а) измерений на одном из склонов ВРБ; б) измерений на прилегающих склонах ВРБ
На фотоприемнике, как на квадратичном элементе будут происходить все парные перекрестные биения оптических частот. Оцифрованный результирующий сигнал затем подвергается преобразованию Фурье, а полученный массив частот разделяется на два подмассива по критерию наличия равноудаленных частот от {fDF} для определения случая измерения на одном склоне АЧХ ВРБ либо на прилегающих склонах. Затем подмассивы направляется на вход алгоритма определения частот, описанный в [4].
Для расширения диапазона измеряемых частот в два раза можно использовать амплитудно-фазовое модуляционное преобразование оптической несущей в симметричное двухчастотное излучение по методу Ильина-Морозова [5].
Заключение. Предложенный метод позволяет проводить измерения мгновенных частот радиосигналов с частотами до 2 раз превышающими полосу пропускания фотоприемника. Работа алгоритма возможна при измерении нескольких периодов поступающего сигнала и требует необходимости дискретного преобразования Фурье и получения его спектра для выделения искомых частот. Точность измерения частот зависит от производительности процессора, входящего в контроллер, проводящий математическую обработку сигнала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках выполнения государственного задания КНИТУ-КАИ № 8.6872.2017/8.9.
Литература
1. Ghelfi P., et al, Nature 507, 341-345 (2014)
2. Li Z, et al, Optics Communication 283, 396-399 (2010)
3. Ivanov A.A., et al, Proc. of XI International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT), 427-430 (2017)
4. Иванов А А, Сахабутдинов А.Ж, Сборник трудов XXVI Всероссийской открытой научной конференции "Распространение радиоволн " (РРВ-26) (2019) в печати
5. Морозов О.Г, Ильин Г.И, Вестник поволжского государственного технологического университета 1, 6-42 (2014)
86 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
