微波激光转换之电子战信号处理
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
如何在复杂环境下获得有用信息是世界各国一直关注的研究内容。在现代化的信息化战争中，要想赢得战争的主动权，敌对双方就必须争取捕获、控制敌方的信息，然后分析利用并进一步破坏敌方信息，同时要保护己方的信息不被敌方破坏，这一系列作战活动就是信息化战争的核心。换一种说法，对雷达载波信号的快速捕获和实时分析破解，是未来电子战的核心内容。从 20 世纪末到 21 世纪初的几场局部战争来看，现代武器的作战能力正逐渐由弹药爆炸的物质能力转向精确制导的数字化信息能力。在新的技术条件下，战争的重点转向电子信息领域，作战焦点转向制信息权的争夺。继陆海空之后空间作为另一重要的战场已引起越来越多国家的重视，空间作战平台已成为当前国际军事领域重要的研究课题。为了争夺未来空间制信息权，作为空间信息战的主体，空间电子战将成为必不可少的重要手段。因此，基于空间平台的电子对抗技术是亟待研究的重要方向。在复杂环境下的雷达信号而言，信号形式多种多样并且交叠出现，为了提高抗干扰能力，信号的形式或者参数还在变化，这些情况会随着军事电子信息技术的发展越来越突出。同时，雷达辐射源频带覆盖范围已经扩展至 40GHz，可以推测在未来的军事领域，这一频带范围将会继续扩大，接收机对信号的检测分析将会更加困难。在近几年的电子战系统发展中，毫米波段的信号开始被投入使用，传统的电子测量方法很难实现如此大的测量带宽，急需寻找新的途径来突破这一电子瓶颈[1]。电子战战场环境下，若我方可以实时的检测到敌方雷达发出的雷达微波信号，并从信号中提取出幅度、脉宽、频率等重要参数，则可以优先决定制敌措施。
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1.2微波激光转换关键技术现状
微波激光转换信号处理技术是微波光子学领域一个引人注目的研究方向，可以利用它来实现射频信号的调制、滤波、检测和信号处理等功能，而不单单局限于传统意义上的处理;功能。光子技术的引入使传统的微波电子系统具有了低损耗、大测量带宽、轻便易携带、抗电磁干扰性强等优点，显示出其与众不同的优越性，光子技术的引入可以帮助实现很多电子领域无法实现的功能。微波激光转换技术为电子战信号接收处理系统的设计与研制提供了具有潜力的实现途径。针对不同应用领域，微波激光转换技术可以有不同的实现方式，常见的有微波频段任意波形产生技术、微波光子滤波器、微波信号测量技术、全光频率变换/混频技术、信号相关器和高速模数变换技术等。针对本论文所讨论的重点微波激光转换技术，该技术现有的主流应用有以下三个方面：1）微波激光转换信道化技术；2）光子扫描接收技术；3）微波激光转换瞬时测频技术。现有的微波激光转换信道化接收机技术有的利用相移光纤布拉格光栅作为窄带的光学滤波器，有的利用集成光学布拉格光栅法布里泊罗腔和集成光学透镜，也有的利用高精度空间衍射光栅。而光子信道化接收机技术则是利用周期性滤波器和波分复用器来实现的。在光子扫描接收机方面，最早的办法是通过在微波光子链路中使用窄带可调谐 F-P 滤波器来实现扫描功能，另外还有基于电调谐布拉格光栅和热调谐刻蚀衍射光栅的光子扫描接收机[2]。近几年，基于微波激光转换技术的瞬时测频方法越来越受到研究者的重视，微波激光转换瞬时测频一般是基于光纤链路，采用微波频率到光功率或其他物理量的映射关系来实现对微波频率的瞬时测量，微波激光转换瞬时频率测量方法具有大测量带宽、轻便、抗干扰、响应速度快等特点，具有很好的应用前景。
第二章 微波激光转换系统理论基础
2.1 微波激光转换技术
微波激光转换技术产生于 19 世纪 70 年代，作为新兴产业的一种，通常被认为是微波技术和光子技术融合的新方向，是光学、半导体技术、光纤导波光学以及微波单片集成电路发展到一定程度的产物。微波激光转换信号（即微波光子信号）被定义为光信号和高频电信号中间频带的信号。相比高频电子信号长距离传输具有很大损耗，很大程度限制微波信号的带宽，微波通信无法满足高容量信息通信技术的要求的缺点，微波激光转换技术则集成了无线通信的灵活性和光通信的大容量特性、低损耗和抗电磁干扰等特性，因此迅速成为近年来的研究热点。尤其是最近十几年来，微波激光转换技术引起了世界各国的重视，现在有专门的微波光子国际会议每年在欧洲、北美、亚太地区轮流召开，2001 年在美国加利福尼亚召开，2002 年在日本召开。微波激光转换技术涉及了与微波技术和光纤技术相关的许多领域，主要应用在以下两方面：1）解决了传统光纤通信向微波频段发展的问题，包括对激光器、光电调制器、放大器、光电探测器和单模光纤等光学器件的研究；2）利用光学器件解决微波信号的产生、采样和处理等问题，主要包括光生微波源、微波光子滤波器、光域微波放大器、光致微波电信号的合成和控制等。
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2.2 光学器件介绍
本论文在对微波激光转换技术中关键光电器件特性研究的基础上，深入开展了基于微波激光转换的电子战接收机模型设计仿真研究，图 2.2 为电子战接收机信号处理总体模型示意图。要实现此系统需要的光学器件包括激光器、电光调制器、光纤光栅、单模光纤、光电探测器等，本论文利用这些光电器件设计并仿真电子战接收机模型。一直以来，光电子器件理论、设计和制造工艺的进步成为推动整个光通信行业快速发展的决定因素。微波光子系统对器件的性能有着特殊的要求，在设计和选用器件的时候，要综合考虑系统的各项性能指标。半导体激光器、调制器和光纤是微波光子系统中的三个关键器件，对其性能特性的研究是设计光压缩采样模型的前提。半导体激光器是产生承载微波信号的光载波的器件。波长在 1310nm 到1550nm 之间的光波波段在普通光纤中具有很低的色散和损耗，从而被广泛应用于光通信。该波段的对应的光载频约为 200THz，微波信号(低于 300GHz)可以通过直接调制或者外调制两种方式加载到光载波上面。前者具有简易、经济、易于实现等优点，是传统光纤通信最常用的调制方式，但受到带宽和调制效率的限制；而采用外调制方式时，就需要能提供大功率和低噪声的连续波(continuous wave,CW)光源。对于外调制技术，激光器只用作发射连续光的光源，光电调制器将成为外调制技术的研究的重点，在外调制方式的光纤链路中，要求激光光源有窄的光谱线宽和大的输出功率，这样可以使链路有比较理想的增益及噪声性能，所以，外调制光源可以选取固体激光器、气体激光器以及半导体激光器等。
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第三章 基于微波激光转换的信号采样技术.........21
3.1 基于光学的带通采样原理.........21
3.2 系统仿真及结果分析....22
3.3 本章小结......24
第四章 基于微波激光转换的信号处理技术.........25
4.1 微波信号的频域参数测量.........25
4.2 微波信号的时域参数测量......... 38
4.2.1 信号幅度、脉宽、到达时间的测量方法 ........ 38
4.2.1.1 算法模型 ........ 38
4.2.1.2 系统仿真 ........ 40
4.2.1.3 结果分析 ........ 42
4.2.2 信号到达时差、到达角的测量方法 ......... 42
4.2.2.1 算法模型 ........ 43
4.2.2.2 系统仿真 ........ 44
4.2.2.3 结果分析 ........ 47
4.3 本章小结....... 47
第五章 总结与展望.......49
第四章 基于微波激光转换的信号处理技术
4.1 微波信号的频域参数测量
在电子战中，雷达的载波信号频率是一个十分重要的参数，可以通过捕获敌方雷达发射信号的载波频率来估计其发射机类型等重要信息，从而在战争中获得先机和主动权，国内外研究机构对此项技术的研究热情一直十分高涨。在传统的信号处理系统中，主要通过信道化接收机或超外差体制接收机等方式来实现微波信号的频域参数测量。但电信号处理系统受到电子器件性能等方面的局限，无法达到抗电磁干扰、大测频带宽、低造价、轻便易携带等必要条件。因此，需要更好的解决方案来实现这些特性，微波激光转换技术则应运而生。本章主要讨论了两种测频方法，分别介绍其理论基础和仿真结果，并进行比较分析。基于相位调制器和强度调制的瞬时测频方法，此方法仅适用于测量单频信号。这种方法利用单模光纤的色散作用，分别使经过不同调制方式的光载波低通调制信号和带通调制信号得到频率响应，这一特性可以实现大带宽范围的瞬时测频。此方法经仿真实验，可以实现在 30GHz 内达到±10MHz以内的测量误差。除此之外，此方法中仅需要一个激光光源，从而降低了系统的复杂度和成本。该方法应用了对微波信号的强度和相位的同时调制，两个不同调制模块中由于对随后单模光纤的色散程度的控制，分别产生了微波信号的低通和带通的频率响应，在微波频率和幅度比较函数之间形成一一对应映射，实现瞬时测频。
结论
如今随着电子信息技术的高速发展，电子战领域的信号采样及处理技术经过一次又一次的革新与发展，逐渐形成多领域技术相融合的趋势。空间密集电磁信号环境下，宽带信号的处理一直是空间电子战领域的难点和热点，如何克服空间环境以及宽带信号带来的信号处理电子瓶颈;是亟待研究的方向。微波激光转换技术已经逐渐体现出在这方面的处理优势，在光域实现微波信号处理是十分有前景的研究方向。本论文就是基于这样的科研趋势，研究了微波激光转换技术，融合光子技术和电子技术，突破关键技术，通过一系列尝试得到一些有效的解决方案，以期在信号处理领域获得实际应用。基于微波激光转换的电子战接收机模型以及相关电子战信号处理算法仿真研究，主要完成了以下工作：
1 研究了激光源、光电调制器、光纤光栅、单模光纤、光电探测器等光电器件特性，重点分析了光电调制器和光纤光栅的特性并设计了电子战接收机模型和前端处理单元；
2 针对了光学带通采样技术，研究了光学带通采样技术在微波信号采样中的应用，并进行仿真；
3 针对设计的电子战接收机模型，重点开展了雷达脉冲信号的瞬时测频技术、雷达脉冲参数提取技术，同时根据实际条件对电子战接收机工作环境以及信号特性进行了仿真。
参考文献（略）