面對日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境，傳統(tǒng)的測頻方法難以實現(xiàn)大范圍的帶寬測量，面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不能滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)的需要。微波光子技術(shù)為瞬時測頻接收機性能的提升和改進(jìn)提供了可能，能夠提供一個寬帶測頻、低損耗、抗干擾、系統(tǒng)小型便攜的解決方案。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)在信息獲取和精確制導(dǎo)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，如何快速的獲取敵方雷達(dá)發(fā)射的微波載波信號頻率參數(shù)，成為電子戰(zhàn)中左右戰(zhàn)局勝負(fù)的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的瞬時測頻接收機采用電子學(xué)的方法，能夠提供0.5-18GHz帶寬的頻率測試（靈敏度不高于-50dBm），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，造價昂貴且易受電磁干擾。近年來，在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，毫米波段（0.5-40GHz）的雷達(dá)微波信號已投入使用。面對日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境，傳統(tǒng)的測頻方法難以實現(xiàn)大范圍的帶寬測量，面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不能滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)的需要，微波光子技術(shù)為瞬時測頻接收機性能的提升和改進(jìn)提供了可能，能夠提供一個寬帶測頻、低損耗、抗干擾、系統(tǒng)小型便攜的解決方案。可以大幅度的改進(jìn)和提升現(xiàn)有瞬時測頻接收機的性能，能夠在適應(yīng)日益復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。

用微波光子技術(shù)實現(xiàn)射頻信號頻率的瞬時測量，需要把截獲的雷達(dá)微波信號調(diào)制到光波上，通過一定的光路結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個僅與待測微波信號頻率有關(guān)的幅度比較函數(shù)，進(jìn)而得到待測信號的頻率。近幾年，各國研究人員提出了多種光路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了實驗驗證，取得了良好的效果。一些典型的研究成果如下：

加拿大渥太華大學(xué)

加拿大渥太華大學(xué)姚建平等人提出并論證了一種基于光功率監(jiān)測的微波頻率測量方法《An Approach to the Measurement of Microwave Frequency Based on Optical Power Monitoring》。該方法將要測量的頻率的微波信號在兩個光學(xué)載波上調(diào)制，其波長設(shè)置為正弦濾波器的光譜響應(yīng)的一個峰值和一個谷值。調(diào)制由馬赫-曾德爾調(diào)制器執(zhí)行，該調(diào)制器被偏置以抑制光載波。開發(fā)了與來自兩個波長信道的光功率和待測量的微波頻率相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過簡單地監(jiān)視兩個波長信道的輸出處的光功率，可以評估微波頻率。實驗證明該研究實現(xiàn)了對不同功率水平的微波信號具有良好精度的頻率測量。

將待測微波信號調(diào)制到兩個不同波長的光波信號上，通過一個傳遞函數(shù)為正弦函數(shù)的微波光子濾波器后，用分波器把兩種不同波長的調(diào)制光載波信號分開，如圖所示：

圖1 光功率監(jiān)測瞬時測頻原理圖

圖2 實驗裝置設(shè)置

不同波長的光信號被兩個光電探測器分別轉(zhuǎn)化為電信號，用于后續(xù)電路的處理。該系統(tǒng)對兩個光源的中心頻率有不同的要求：其中一個光源的中心頻率應(yīng)為濾波器的帶通頻率，另一個光源的中心頻率為濾波器的抑制頻率。這樣可以得到一個線性度較好的幅度比較函數(shù)，有利于減少測量誤差。經(jīng)過信號處理，可得到幅度比較函數(shù)如下：

其中：fm為待測射頻信號頻率，F(xiàn)SR為濾波器的自由頻譜范圍，可通過設(shè)計濾波器的不同參數(shù)獲得一個合適的值。從式子可以看出，幅度比較函數(shù)僅與待測微波信號頻率有關(guān)，因此，不受光源功率波動和待測信號功率大小的影響。實驗中實現(xiàn)了0～20GHz微波頻率的測量，誤差在±0.2GHz之內(nèi)。但該結(jié)構(gòu)中，采用Sagnac環(huán)作為光子濾波器，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；光調(diào)制器的偏置點漂移降低了測試精度，且系統(tǒng)不可重構(gòu)，測試范圍和分辨率不能調(diào)整。

澳大利亞國防科學(xué)技術(shù)組織

澳洲研究人員Linh.V.T等人提出了一種對微波頻率測量范圍和分辨率可調(diào)諧的解決方案。光路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖3 微波光子頻率測試原理圖

對經(jīng)過不同通道所獲得的微波信號進(jìn)行處理，可以得到一個僅與待測信號頻率有關(guān)的幅度比較函數(shù)。這種光路結(jié)構(gòu)可在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，實現(xiàn)4～12GHz的微波頻率的瞬時測量，測量精度高于100MHz。使用多通道啁啾光纖光柵不同的通道，可以實現(xiàn)不同的微波頻率測試范圍，這有利于改善接收機微波頻率探測范圍，但需要改變光路結(jié)構(gòu)，不能實現(xiàn)靈活的可調(diào)諧的頻率范圍的切換。

為了破解上述光路結(jié)構(gòu)面臨的問題，姚建平小組提出了一種對微波信號測量頻率范圍和分辨率可調(diào)諧的解決方案（Adjustable Measurement Range and Resolution）。光路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖4 瞬時測頻系統(tǒng)

用兩個可調(diào)諧的光源產(chǎn)生載波信號，未知功率和頻率的待測信號通過馬-澤調(diào)制器調(diào)制到光載波上，經(jīng)過一段色散光纖，對兩種不同波長的載波引入不同的色散，使不同波長的調(diào)制載波信號產(chǎn)生不同的功率補償，經(jīng)過兩個可調(diào)諧微波光子濾波器，把兩個不同波長的載波信號分開，由光電探測器獲得待測微波信號功率。兩路探測信號功率如下：

其中：f為微波信號的頻率，c為光在真空中速度，λi（i=1，2，）為兩個光載波波長，χi為相對于λi的色散光纖引入的總的色散，?i分別代表兩個信道的光載波功率損耗。盡管光纖色散對不同波長的損耗是不同的，但可以通過調(diào)諧兩個光源的功率，實現(xiàn)?1=?2；故可得幅度比較函數(shù)：

由式子可以看出：為了獲得較高的微波頻率測量的分辨率，需要一個較大的載波波長間隔，一般需在數(shù)十納米以上。同時，通過調(diào)整兩載波光源的波長間隔，可以實現(xiàn)微波頻率測試范圍的改變，而不用改變光路結(jié)構(gòu)。采用多個波長作為載波可以在保持較大微波測量頻率范圍下提高測量的分辨率，但會增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成本。采用這種方法，通過調(diào)整兩載波光源的波長間隔，可以改變系統(tǒng)的測頻帶寬，而無須改變光路結(jié)構(gòu)。為了取得較高的測頻分辨率，需要兩個載波光源有較大的波長間隔。用該光路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)瞬時測頻，測頻帶寬和測頻精度之間有一個平衡關(guān)系，高的測頻精度往往以窄的測頻帶寬為代價。如果采用多個光源產(chǎn)生不同波長的載波，可以在保持較大測頻帶寬的情況下提高測量的分辨率，但會增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成本。實驗中在11GHz～13.6GHz的頻率范圍內(nèi)，實現(xiàn)了±0.02GHz的測量誤差精度。這種方法測頻精度相對較高，可通過載波光源實現(xiàn)測頻帶寬和分辨率的調(diào)諧，但對載波光源的要求苛刻，測頻帶寬受載波光源影響較大。此外，用色散光纖取代多通道啁啾光纖光柵可以減少色散紋波，提高測試精度。

03

澳大利亞墨爾本皇家理工學(xué)院

澳大利亞墨爾本皇家理工學(xué)院的研究人員Niusha Sarkhosh等人研究了非線性光學(xué)混合光子瞬時頻率測量方法《Photonic instantaneous frequency measurement using non-lineroptical mixing》。利用激光半導(dǎo)體放大器的非線性效應(yīng)對兩個差分延時的光載波進(jìn)行混頻，建立微波頻率與激光半導(dǎo)體放大器混頻效應(yīng)的關(guān)系函數(shù)，成功的實現(xiàn)了2～20GHz的微波頻率測量，且僅用一個低成本的直流光電探測器，降低了系統(tǒng)成本。

圖5 光子瞬時測頻配置

考慮到系統(tǒng)部件各組分的響應(yīng)情況，研究人員給出輸出直流電壓的表達(dá)式應(yīng)是：

實驗得到的最后結(jié)果如以下兩圖所示：

圖6 測量和預(yù)測的瞬時測頻響應(yīng)

圖7 用上述表達(dá)式進(jìn)行轉(zhuǎn)化可實現(xiàn)如圖所示的瞬時頻率測量

Niusha Sarkhosh等人還探索了無視振幅的靈敏型光子頻率瞬時測量方法《Amplitude-Independent Photonic Instantaneous Frequency Measurement With Improved Sensitivity》。該方法利用鎖定放大將所需信號與背景噪聲隔離。演示在雙正交瞬時測頻系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)利用多個波長和橫向希爾伯特變換，在多倍頻程帶寬上實現(xiàn)獨立的幅度和頻率測量，靈敏度為37dBm。這種性能可與傳統(tǒng)的電子瞬時測頻接收器相媲美。這種多通道光子系統(tǒng)中鎖定方法的成功應(yīng)用說明了它的靈活性，并表明它應(yīng)該適用于更復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖8 靈敏度增強的IFM系統(tǒng)的實驗設(shè)置

圖9 IFM系統(tǒng)的輸出電壓作為頻率的函數(shù)在-20、-34、-37dBm輸入RF功率時的圖象（左）

不同RF輸入功率的輸出幅度差（右）

伊朗伊斯法罕阿扎德大學(xué)

伊朗伊斯法罕阿扎德大學(xué)Hossein Emami小組研究了應(yīng)用微波光子技術(shù)的多普勒頻移估計方法《Standalone Microwave Photonics Doppler Shift Estimation System》，設(shè)計了用于多普勒頻率測量目的的獨立微波光子系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)，在最壞的情況下的多普勒頻率估計中表現(xiàn)出的相對誤差最大為1.61％。全光混合使得RF頻率能夠獨立運行。因此，該系統(tǒng)能夠在高達(dá)40GHz的任何雷達(dá)載波頻率下工作。這使其成為各種類型的基于光子的雷達(dá)和頻率捷變系統(tǒng)的理想選擇。

圖10 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換增益（左）測得的電壓（右）

圖11 轉(zhuǎn)換增益測量的實驗裝置

Hossein小組還研發(fā)了一種改進(jìn)的基于四波混頻效應(yīng)的高非線性光纖動態(tài)范圍瞬時頻率測量方法，并開發(fā)了一種封閉形式的模型來預(yù)測系統(tǒng)的行為。該模型預(yù)測系統(tǒng)輸出將具有與RF輸入頻率對應(yīng)的低頻電壓。系統(tǒng)的敏感度可以利用鎖定放大技術(shù)改善，結(jié)合高非線性光纖產(chǎn)生的四波混頻效應(yīng)可以實現(xiàn)0．04GHz～40GHz的測量帶寬、小于100MHz的測量誤差以及51dB的動態(tài)范圍。

圖12 基于四波混頻的瞬時測頻方法原理圖

浙江大學(xué)

用馬-澤強度調(diào)制器實現(xiàn)微波頻率的瞬時測量，需要用復(fù)雜的電路控制馬-澤強度調(diào)制器的直流偏置點，容易引入測量誤差。浙江大學(xué)張曉明（音譯）等人通過研究提出了一種使用光學(xué)相位調(diào)制器進(jìn)行瞬時微波頻率測量的新方法《Instantaneous Microwave Frequency Measurement Using an Optical Phase Modulator》。在所提出的系統(tǒng)中，在相位調(diào)制器處在兩個光學(xué)波長上調(diào)制具有其待測頻率的微波信號，其中相位調(diào)制光學(xué)信號被發(fā)送到色散元件，并在兩個光電檢測器處被檢測。由于色散元件的色散，兩個微波信號將經(jīng)歷不同的功率衰落，導(dǎo)致不同的功率與頻率功能。建立微波頻率和微波功率之間的固定關(guān)系。通過測量微波功率，估計微波頻率。與使用強度調(diào)制器的技術(shù)相比，所提出的方法更簡單且損失更少。由于不需要偏置，因此系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，這在國防領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。

圖13 相位法測頻瞬時測頻原理圖

用相位調(diào)制器取代馬-澤強度調(diào)制器的測頻方案，不用設(shè)置調(diào)制器的直流偏置點，避免了偏置點的漂移引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外，相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡單，插入損耗較少，更適于實際中的應(yīng)用。

南洋理工大學(xué)

為進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，可采用單光源產(chǎn)生載波信號，利用相位調(diào)制技術(shù)，通過兩個不同的光路，達(dá)到的瞬時測頻的目的。南洋理工大學(xué)周俊強等人提出了一種用于微波頻率測量的光子方法。在該方法中，光學(xué)載波通過相位調(diào)制器由未知微波信號調(diào)制。然后將調(diào)制的光信號分成兩部分;一部分通過一個偏振保持光纖（PMF），另一部分通過色散補償光纖（DCF），引入不同的微波功率損失。在通過兩個光電探測器測量兩個部分的微波功率之后，通過獲得幅度比較函數(shù)（ACF）建立固定的頻率-功率映射。概念驗證實驗演示了10.5GHz范圍內(nèi)的頻率測量，測量誤差小于±0.07GHz。光路結(jié)構(gòu)如圖所示：

圖14 微波頻率測試系統(tǒng)原理圖

上述結(jié)構(gòu)僅采用一個光源，可降低系統(tǒng)成本。用一分布反饋激光器作為光源產(chǎn)生載波信號，載波信號經(jīng)過半波片，需調(diào)整半波片的中心軸，使其與偏振保持光纖的慢軸成45°，產(chǎn)生兩束正交極化連續(xù)光載波，分別沿著偏振保持光纖的慢軸和快軸傳輸至相位調(diào)制器，未知頻率的待測微波信號驅(qū)動相位調(diào)制器，產(chǎn)生調(diào)制載波信號，該信號后經(jīng)偏振保持耦合器等功率地分成兩部分，如圖中所示：上臂通過一段偏振保持光纖，偏振控制器的偏振角應(yīng)與偏振保持光纖的慢軸成135°。由于差分群延遲引入的功率衰退，使得調(diào)制載波信號經(jīng)歷了一個低通頻率效應(yīng)。頻率效應(yīng)的表達(dá)式可表示為：

其中：f為微波信號頻率，Δτ為偏振保持光纖引入的差分群延遲值。

下臂引入一段色散補償光纖，調(diào)整該臂上的偏振控制器，使其偏振軸與偏振保持光纖慢軸方向一致，這樣只有慢軸光束才能通過偏振控制器進(jìn)入色散補償光纖。色散光纖帶來的功率衰退使調(diào)制載波信號經(jīng)歷一個帶通頻率效應(yīng)，這種帶通效應(yīng)表達(dá)式可表示為：

上式中：D為色散光纖帶來的總的色散值，λ為載波波長。由以上分析，可以得到該光路結(jié)構(gòu)的幅度比較函數(shù)：

該方法結(jié)構(gòu)簡單，可以通過改變色散光纖和偏振保持光纖的長度改變微波頻率測量范圍。實驗測量結(jié)果如圖所示：

圖15 （a)測試輸出頻率與輸入頻率關(guān)系圖；（b)對輸入頻率的測試誤差

從上圖可以看出，該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了1.7～12.2GHz的微波頻率高精度測量，測量誤差低于±0.07GHz，能夠滿足現(xiàn)實需要。

選用兩個不同波長的光源產(chǎn)生載波，采用一個偏振調(diào)制器和一個偏光器，對待測微波信號進(jìn)行相位調(diào)制和強度調(diào)制，調(diào)制后的載波信號經(jīng)過色散部件和后續(xù)的光信號處理，測得微波頻率。這種方法不僅可以測量連續(xù)的微波信號頻率，還可以測量微波脈沖信號頻率，實驗中實現(xiàn)了帶寬為17GHz的頻率測量，連續(xù)微波信號的測量分辨率達(dá)到±0.2GHz，微波脈沖信號的測量分辨率達(dá)到±0.5GHz。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多個偏振控制器和微波光子濾波器，實現(xiàn)成本較高。

為進(jìn)一步降低成本，拓展微波頻率的測量范圍，加拿大姚建平小組采用單一光源和一個偏振調(diào)制器，利用保偏光纖形成延遲線結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整偏光器與偏振調(diào)制器主軸角度，可以實現(xiàn)對調(diào)制載波信號的低通濾波效應(yīng)和帶通濾波效應(yīng)，光路結(jié)構(gòu)如圖所示：

圖16 基于光子微分器的瞬時測頻系統(tǒng)原理圖

這種方法結(jié)構(gòu)緊湊，測頻范圍大，實驗中實現(xiàn)了對連續(xù)微波信號0.5～36GHz帶寬的頻率測量，整體測頻精度達(dá)到±0.2GHz，利用光纖延遲線構(gòu)成微波光子濾波器對，有利于減少系統(tǒng)的體積、重量和成本，但在部分帶寬頻段測頻精度不高，有待改進(jìn)。

西南交通大學(xué)

西南交通大學(xué)盧冰等提出了一種同時實現(xiàn)頻率測量和信號分離的新型光子方法《Photonic Frequency Measurement and Signal Separation for Pulsed/CW Microwave Signals》，并通過實驗證明了脈沖和連續(xù)波（CW）微波信號。

圖17 光子輔助的測頻方法原理圖，盧冰等

在該方法中，光波被外部調(diào)制，其中載波被要測量的脈沖或CW微波信號抑制，然后被發(fā)送到兩個光學(xué)互補濾波器以執(zhí)行頻率-幅度映射。兩個濾波器的輸出由低速光電探測器，低頻交流（AC）電子元件和直流電（DC）產(chǎn)生。可以通過監(jiān)視AC分量的功率來估計脈沖微波信號的載波頻率，同時將CW微波信號的頻率與DC分量的功率區(qū)分開，同時實現(xiàn)頻率測量和信號分離。在概念驗證實驗中，在5至20GHz的頻率范圍內(nèi)，脈沖重復(fù)頻率為0.25、0.5或1MHz的脈沖信號的測量誤差小于±0.1、±0.11或±0.13GHz而對于CW信號，導(dǎo)出小于±0.08GHz的誤差。

圖18 所提出方法的實驗裝置

此外通過DC或交流分量證明了連續(xù)波和脈沖微波信號的信號分離。所提出的方法將在脈沖和連續(xù)波微波信號共存的應(yīng)用中有用。

此前，該小組還研究了通過監(jiān)測光功率進(jìn)行瞬時測頻的方法。該方法使用了單個可調(diào)光源和兩個正交光濾波器（Photonic instantaneous frequency measurement using a single laser source and two quadrature optical filters）。調(diào)節(jié)可調(diào)激光源的波長使已調(diào)光信號的邊帶位于同相濾波響應(yīng)的峰值點，正交響應(yīng)的-3dB點。經(jīng)正交濾波器對的兩個信號功率與參考信號的功率相對比建立兩個正交功率比函數(shù)。測頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。實驗中得到的測頻范圍為20GHz～36GHz，測量誤差在±0.4GHz以內(nèi)。該方法理論上可以實現(xiàn)的測頻范圍為整個光濾波器的自由頻程。

圖19 采用兩個正交光濾波器和單光源實現(xiàn)IFM的原理圖

北京郵電大學(xué)

北京郵電大學(xué)戴建（音譯）等人提出了一種簡單實用的微波瞬時頻率測量光子方法《A Simple Photonic-Assisted Microwave Frequency Measurement System Based on MZI With Tunable Measurement Range and High Resolution》，并進(jìn)行了實驗驗證。

圖20 基于MZI的光子輔助微波頻率測量系統(tǒng)示意圖

通過在最小點處偏置的馬赫-曾德爾調(diào)制器在光波上對未知微波信號及其待測頻率進(jìn)行載波抑制調(diào)制。由于馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）固有的互補傳輸響應(yīng)，建立了振幅比較函數(shù)和待測微波頻率之間的固定關(guān)系。通過監(jiān)測和處理MZI兩個輸出端口的光功率，可以容易地估計微波信號的頻率。

該方案經(jīng)過實驗驗證還具有許多其他優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，并且所有組件都是市售的、廉價的，并且可以集成在一個芯片上。隨著光子集成電路的發(fā)展，該系統(tǒng)的性能將得到提高，成本將進(jìn)一步降低，對未來的實際應(yīng)用具有吸引力。

圖21 各種RF輸入功率的測量結(jié)果在-18，-12，-6 dBm的水平。（a）-（c）在MZI的兩個輸出端口處進(jìn)行實驗測量的輸出光功率。（d）ACF曲線和ACF誤差。（e）測量的RF頻率。（f）各種RF輸入功率的頻率誤差。

小結(jié)：目前微波光子測頻技術(shù)被廣泛研究，方法各異。未來，隨著集成光學(xué)技術(shù)和集成光學(xué)器件的發(fā)展，基于光子學(xué)的微波信號頻率測量系統(tǒng)可能會在芯片上實現(xiàn)，并擁有更卓越的性能。