微波光子测频技术的典型研究成果

面对日趋复杂的电磁环境，传统的测频方法难以实现大范围的带宽测量，面临严峻的挑战，不能满足现代电子战的需要。微波光子技术为瞬时测频接收机性能的提升和改进提供了可能，能够提供一个宽带测频、低损耗、抗干扰、系统小型便携的解决方案。

在现代战争中，雷达在信息获取和精确制导领域发挥着重要的作用，如何快速的获取敌方雷达发射的微波载波信号频率参数，成为电子战中左右战局胜负的关键因素之一。传统的瞬时测频接收机采用电子学的方法，能够提供0.5-18GHz带宽的频率测试（灵敏度不高于-50dBm），结构复杂，体积庞大，造价昂贵且易受电磁干扰。近年来，在电子战系统中，毫米波段（0.5-40GHz）的雷达微波信号已投入使用。面对日趋复杂的电磁环境，传统的测频方法难以实现大范围的带宽测量，面临严峻的挑战，不能满足现代电子战的需要，微波光子技术为瞬时测频接收机性能的提升和改进提供了可能，能够提供一个宽带测频、低损耗、抗干扰、系统小型便携的解决方案。可以大幅度的改进和提升现有瞬时测频接收机的性能，能够在适应日益复杂的战场电磁环境。

用微波光子技术实现射频信号频率的瞬时测量，需要把截获的雷达微波信号调制到光波上，通过一定的光路结构，产生一个仅与待测微波信号频率有关的幅度比较函数，进而得到待测信号的频率。近几年，各国研究人员提出了多种光路结构，并进行了实验验证，取得了良好的效果。一些典型的研究成果如下：

加拿大渥太华大学

加拿大渥太华大学姚建平等人提出并论证了一种基于光功率监测的微波频率测量方法《An Approach to the Measurement of Microwave Frequency Based on Optical Power Monitoring》。该方法将要测量的频率的微波信号在两个光学载波上调制，其波长设置为正弦滤波器的光谱响应的一个峰值和一个谷值。调制由马赫-曾德尔调制器执行，该调制器被偏置以抑制光载波。开发了与来自两个波长信道的光功率和待测量的微波频率相关的数学表达式。通过简单地监视两个波长信道的输出处的光功率，可以评估微波频率。实验证明该研究实现了对不同功率水平的微波信号具有良好精度的频率测量。

将待测微波信号调制到两个不同波长的光波信号上，通过一个传递函数为正弦函数的微波光子滤波器后，用分波器把两种不同波长的调制光载波信号分开，如图所示：

图1 光功率监测瞬时测频原理图

图2 实验装置设置

不同波长的光信号被两个光电探测器分别转化为电信号，用于后续电路的处理。该系统对两个光源的中心频率有不同的要求：其中一个光源的中心频率应为滤波器的带通频率，另一个光源的中心频率为滤波器的抑制频率。这样可以得到一个线性度较好的幅度比较函数，有利于减少测量误差。经过信号处理，可得到幅度比较函数如下：

其中：fm为待测射频信号频率，FSR为滤波器的自由频谱范围，可通过设计滤波器的不同参数获得一个合适的值。从式子可以看出，幅度比较函数仅与待测微波信号频率有关，因此，不受光源功率波动和待测信号功率大小的影响。实验中实现了0～20GHz微波频率的测量，误差在±0.2GHz之内。但该结构中，采用Sagnac环作为光子滤波器，影响了系统的稳定性；光调制器的偏置点漂移降低了测试精度，且系统不可重构，测试范围和分辨率不能调整。

澳大利亚国防科学技术组织

澳洲研究人员Linh.V.T等人提出了一种对微波频率测量范围和分辨率可调谐的解决方案。光路结构如下图所示：

图3 微波光子频率测试原理图

对经过不同通道所获得的微波信号进行处理，可以得到一个仅与待测信号频率有关的幅度比较函数。这种光路结构可在复杂的电磁环境下，实现4～12GHz的微波频率的瞬时测量，测量精度高于100MHz。使用多通道啁啾光纤光栅不同的通道，可以实现不同的微波频率测试范围，这有利于改善接收机微波频率探测范围，但需要改变光路结构，不能实现灵活的可调谐的频率范围的切换。

为了破解上述光路结构面临的问题，姚建平小组提出了一种对微波信号测量频率范围和分辨率可调谐的解决方案（Adjustable Measurement Range and Resolution）。光路结构如下图所示：

图4 瞬时测频系统

用两个可调谐的光源产生载波信号，未知功率和频率的待测信号通过马-泽调制器调制到光载波上，经过一段色散光纤，对两种不同波长的载波引入不同的色散，使不同波长的调制载波信号产生不同的功率补偿，经过两个可调谐微波光子滤波器，把两个不同波长的载波信号分开，由光电探测器获得待测微波信号功率。两路探测信号功率如下： 

其中：f为微波信号的频率，c为光在真空中速度，λi（i=1，2，）为两个光载波波长，χi为相对于λi的色散光纤引入的总的色散，ℜi分别代表两个信道的光载波功率损耗。尽管光纤色散对不同波长的损耗是不同的，但可以通过调谐两个光源的功率，实现ℜ1=ℜ2；故可得幅度比较函数：

由式子可以看出：为了获得较高的微波频率测量的分辨率，需要一个较大的载波波长间隔，一般需在数十纳米以上。同时，通过调整两载波光源的波长间隔，可以实现微波频率测试范围的改变，而不用改变光路结构。采用多个波长作为载波可以在保持较大微波测量频率范围下提高测量的分辨率，但会增加结构的复杂度和成本。采用这种方法，通过调整两载波光源的波长间隔，可以改变系统的测频带宽，而无须改变光路结构。为了取得较高的测频分辨率，需要两个载波光源有较大的波长间隔。用该光路结构实现瞬时测频，测频带宽和测频精度之间有一个平衡关系，高的测频精度往往以窄的测频带宽为代价。如果采用多个光源产生不同波长的载波，可以在保持较大测频带宽的情况下提高测量的分辨率，但会增加结构的复杂度和成本。实验中在11GHz～13.6GHz的频率范围内，实现了±0.02GHz的测量误差精度。这种方法测频精度相对较高，可通过载波光源实现测频带宽和分辨率的调谐，但对载波光源的要求苛刻，测频带宽受载波光源影响较大。此外，用色散光纤取代多通道啁啾光纤光栅可以减少色散纹波，提高测试精度。

03

澳大利亚墨尔本皇家理工学院

澳大利亚墨尔本皇家理工学院的研究人员Niusha Sarkhosh等人研究了非线性光学混合光子瞬时频率测量方法《Photonic instantaneous frequency measurement using non-lineroptical mixing》。利用激光半导体放大器的非线性效应对两个差分延时的光载波进行混频，建立微波频率与激光半导体放大器混频效应的关系函数，成功的实现了2～20GHz的微波频率测量，且仅用一个低成本的直流光电探测器，降低了系统成本。

图5 光子瞬时测频配置

考虑到系统部件各组分的响应情况，研究人员给出输出直流电压的表达式应是：

实验得到的最后结果如以下两图所示：

图6 测量和预测的瞬时测频响应

图7 用上述表达式进行转化可实现如图所示的瞬时频率测量

Niusha Sarkhosh等人还探索了无视振幅的灵敏型光子频率瞬时测量方法《Amplitude-Independent Photonic Instantaneous Frequency Measurement With Improved Sensitivity》。该方法利用锁定放大将所需信号与背景噪声隔离。演示在双正交瞬时测频系统上进行，该系统利用多个波长和横向希尔伯特变换，在多倍频程带宽上实现独立的幅度和频率测量，灵敏度为37dBm。这种性能可与传统的电子瞬时测频接收器相媲美。这种多通道光子系统中锁定方法的成功应用说明了它的灵活性，并表明它应该适用于更复杂的系统。

图8 灵敏度增强的IFM系统的实验设置

图9 IFM系统的输出电压作为频率的函数在-20、-34、-37dBm输入RF功率时的图象（左）

不同RF输入功率的输出幅度差（右）

伊朗伊斯法罕阿扎德大学

伊朗伊斯法罕阿扎德大学Hossein Emami小组研究了应用微波光子技术的多普勒频移估计方法《Standalone Microwave Photonics Doppler Shift Estimation System》，设计了用于多普勒频率测量目的的独立微波光子系统。应用该系统，在最坏的情况下的多普勒频率估计中表现出的相对误差最大为1.61％。全光混合使得RF频率能够独立运行。因此，该系统能够在高达40GHz的任何雷达载波频率下工作。这使其成为各种类型的基于光子的雷达和频率捷变系统的理想选择。

图10 系统转换增益（左）测得的电压（右）

图11 转换增益测量的实验装置

Hossein小组还研发了一种改进的基于四波混频效应的高非线性光纤动态范围瞬时频率测量方法，并开发了一种封闭形式的模型来预测系统的行为。该模型预测系统输出将具有与RF输入频率对应的低频电压。系统的敏感度可以利用锁定放大技术改善，结合高非线性光纤产生的四波混频效应可以实现0．04GHz～40GHz的测量带宽、小于100MHz的测量误差以及51dB的动态范围。

图12 基于四波混频的瞬时测频方法原理图

浙江大学

用马-泽强度调制器实现微波频率的瞬时测量，需要用复杂的电路控制马-泽强度调制器的直流偏置点，容易引入测量误差。浙江大学张晓明（音译）等人通过研究提出了一种使用光学相位调制器进行瞬时微波频率测量的新方法《Instantaneous Microwave Frequency Measurement Using an Optical Phase Modulator》。在所提出的系统中，在相位调制器处在两个光学波长上调制具有其待测频率的微波信号，其中相位调制光学信号被发送到色散元件，并在两个光电检测器处被检测。由于色散元件的色散，两个微波信号将经历不同的功率衰落，导致不同的功率与频率功能。建立微波频率和微波功率之间的固定关系。通过测量微波功率，估计微波频率。与使用强度调制器的技术相比，所提出的方法更简单且损失更少。由于不需要偏置，因此系统具有更好的稳定性，这在国防领域具有很好的应用潜力。

图13 相位法测频瞬时测频原理图

用相位调制器取代马-泽强度调制器的测频方案，不用设置调制器的直流偏置点，避免了偏置点的漂移引起系统的不稳定。此外，相位调制器结构简单，插入损耗较少，更适于实际中的应用。

南洋理工大学

为进一步降低系统成本，可采用单光源产生载波信号，利用相位调制技术，通过两个不同的光路，达到的瞬时测频的目的。南洋理工大学周俊强等人提出了一种用于微波频率测量的光子方法。在该方法中，光学载波通过相位调制器由未知微波信号调制。然后将调制的光信号分成两部分;一部分通过一个偏振保持光纤（PMF），另一部分通过色散补偿光纤（DCF），引入不同的微波功率损失。在通过两个光电探测器测量两个部分的微波功率之后，通过获得幅度比较函数（ACF）建立固定的频率-功率映射。概念验证实验演示了10.5GHz范围内的频率测量，测量误差小于±0.07GHz。光路结构如图所示：

图14 微波频率测试系统原理图 

上述结构仅采用一个光源，可降低系统成本。用一分布反馈激光器作为光源产生载波信号，载波信号经过半波片，需调整半波片的中心轴，使其与偏振保持光纤的慢轴成45°，产生两束正交极化连续光载波，分别沿着偏振保持光纤的慢轴和快轴传输至相位调制器，未知频率的待测微波信号驱动相位调制器，产生调制载波信号，该信号后经偏振保持耦合器等功率地分成两部分，如图中所示：上臂通过一段偏振保持光纤，偏振控制器的偏振角应与偏振保持光纤的慢轴成135°。由于差分群延迟引入的功率衰退，使得调制载波信号经历了一个低通频率效应。频率效应的表达式可表示为：

其中：f为微波信号频率，Δτ为偏振保持光纤引入的差分群延迟值。

下臂引入一段色散补偿光纤，调整该臂上的偏振控制器，使其偏振轴与偏振保持光纤慢轴方向一致，这样只有慢轴光束才能通过偏振控制器进入色散补偿光纤。色散光纤带来的功率衰退使调制载波信号经历一个带通频率效应，这种带通效应表达式可表示为：

上式中：D为色散光纤带来的总的色散值，λ为载波波长。由以上分析，可以得到该光路结构的幅度比较函数：

该方法结构简单，可以通过改变色散光纤和偏振保持光纤的长度改变微波频率测量范围。实验测量结果如图所示： 

图15 （a)测试输出频率与输入频率关系图；（b)对输入频率的测试误差 

从上图可以看出，该结构实现了1.7～12.2GHz的微波频率高精度测量，测量误差低于±0.07GHz，能够满足现实需要。

选用两个不同波长的光源产生载波，采用一个偏振调制器和一个偏光器，对待测微波信号进行相位调制和强度调制，调制后的载波信号经过色散部件和后续的光信号处理，测得微波频率。这种方法不仅可以测量连续的微波信号频率，还可以测量微波脉冲信号频率，实验中实现了带宽为17GHz的频率测量，连续微波信号的测量分辨率达到±0.2GHz，微波脉冲信号的测量分辨率达到±0.5GHz。但结构复杂，需要多个偏振控制器和微波光子滤波器，实现成本较高。

为进一步降低成本，拓展微波频率的测量范围，加拿大姚建平小组采用单一光源和一个偏振调制器，利用保偏光纤形成延迟线结构，通过调整偏光器与偏振调制器主轴角度，可以实现对调制载波信号的低通滤波效应和带通滤波效应，光路结构如图所示：

图16 基于光子微分器的瞬时测频系统原理图

这种方法结构紧凑，测频范围大，实验中实现了对连续微波信号0.5～36GHz带宽的频率测量，整体测频精度达到±0.2GHz，利用光纤延迟线构成微波光子滤波器对，有利于减少系统的体积、重量和成本，但在部分带宽频段测频精度不高，有待改进。

西南交通大学

西南交通大学卢冰等提出了一种同时实现频率测量和信号分离的新型光子方法《Photonic Frequency Measurement and Signal Separation for Pulsed/CW Microwave Signals》，并通过实验证明了脉冲和连续波（CW）微波信号。

图17 光子辅助的测频方法原理图，卢冰等

在该方法中，光波被外部调制，其中载波被要测量的脉冲或CW微波信号抑制，然后被发送到两个光学互补滤波器以执行频率-幅度映射。两个滤波器的输出由低速光电探测器，低频交流（AC）电子元件和直流电（DC）产生。可以通过监视AC分量的功率来估计脉冲微波信号的载波频率，同时将CW微波信号的频率与DC分量的功率区分开，同时实现频率测量和信号分离。在概念验证实验中，在5至20GHz的频率范围内，脉冲重复频率为0.25、0.5或1MHz的脉冲信号的测量误差小于±0.1、±0.11或±0.13GHz而对于CW信号，导出小于±0.08GHz的误差。

图18 所提出方法的实验装置

此外通过DC或交流分量证明了连续波和脉冲微波信号的信号分离。所提出的方法将在脉冲和连续波微波信号共存的应用中有用。

此前，该小组还研究了通过监测光功率进行瞬时测频的方法。该方法使用了单个可调光源和两个正交光滤波器（Photonic instantaneous frequency measurement using a single laser source and two quadrature optical filters）。调节可调激光源的波长使已调光信号的边带位于同相滤波响应的峰值点，正交响应的-3dB点。经正交滤波器对的两个信号功率与参考信号的功率相对比建立两个正交功率比函数。测频系统结构如图所示。实验中得到的测频范围为20GHz～36GHz，测量误差在±0.4GHz以内。该方法理论上可以实现的测频范围为整个光滤波器的自由频程。

图19 采用两个正交光滤波器和单光源实现IFM的原理图

北京邮电大学

北京邮电大学戴建（音译）等人提出了一种简单实用的微波瞬时频率测量光子方法《A Simple Photonic-Assisted Microwave Frequency Measurement System Based on MZI With Tunable Measurement Range and High Resolution》，并进行了实验验证。

图20 基于MZI的光子辅助微波频率测量系统示意图

通过在最小点处偏置的马赫-曾德尔调制器在光波上对未知微波信号及其待测频率进行载波抑制调制。由于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）固有的互补传输响应，建立了振幅比较函数和待测微波频率之间的固定关系。通过监测和处理MZI两个输出端口的光功率，可以容易地估计微波信号的频率。

该方案经过实验验证还具有许多其他优点，例如结构简单、响应速度快，并且所有组件都是市售的、廉价的，并且可以集成在一个芯片上。随着光子集成电路的发展，该系统的性能将得到提高，成本将进一步降低，对未来的实际应用具有吸引力。

图21 各种RF输入功率的测量结果在-18，-12，-6 dBm的水平。（a）-（c）在MZI的两个输出端口处进行实验测量的输出光功率。（d）ACF曲线和ACF误差。（e）测量的RF频率。（f）各种RF输入功率的频率误差。

小结：目前微波光子测频技术被广泛研究，方法各异。未来，随着集成光学技术和集成光学器件的发展，基于光子学的微波信号频率测量系统可能会在芯片上实现，并拥有更卓越的性能。