基于微波光子的多微波信号频率估计方法技术

本发明专利技术提出了一种基于微波光子的多微波信号频率估计方法，旨在实现同时对多个微波信号频率的估计，并提高估计的精度。实现步骤为：构建微波光子系统S；接收天线单元接收多个已知频率的微波信号；第一马赫曾德尔调制器M1对微波信号和光载波信号进行强度调制；光学滤波器组B对一阶边带信号进行多次滤波；第二马赫曾德尔调制器M2对所接收的时延微波信号与经过B滤波后的信号进行强度调制；载频信号测量单元C测量载频信号光功率；通过微波光子系统S获取强度调制频率待测微波信号的载频信号光功率；获取待测微波信号的频率。本发明专利技术采用基于微波光子的系统进行多微波信号的频率估计，使用了凸优化问题的公式对计算数据进行处理，不仅可估计任意数目微波信号的频率，而且提高了估计效率和估计精度，可用于目标检测与无源定位。

【技术实现步骤摘要】
基于微波光子的多微波信号频率估计方法
本专利技术属于光电通信
，涉及一种多微波信号频率估计方法，可用于目标检测与无源定位。
技术介绍
微波信号是指波长在0.1毫米至1米之间的电磁波信号。自上世纪七十年代以来，伴随着半导体激光器、高速光电调制器、光纤光学、集成光子学、微波天线、微波单片集成电路等等光子学技术与微波技术的蓬勃发展，出现了一种将微波与光学两门学科相结合的一项交叉领域——微波光子学。微波光子学是一个新兴的学科，研究的是利用光子学方法来处理微波信号。微波光子技术所特有的大带宽、集成体积小和强抗电磁干扰等优势，为处理大带宽、高频率的毫米段微波信号提供一种比较有潜力的解决办法。由于现代社会雷达辖射源的频带不断加大，给侦查系统的分析和识别任务加大了难度，传统的电子学方法进行频率估计受到了电子器件的电子瓶颈限制，因此将接收的微波信号引入微波光子系统进行处理对于解决上述问题是很有前景的。相比于电子领域频率估计方案，基于微波光子的微波信号频率测量方案具有瞬时带宽大、损耗低、抗电磁干扰等优点。目前利用微波光子学技术实现微波信号频率估计的方法有两种：一种是将接收的微波信号经电光调制器调制到光载波上，通过一定的光信号处理单元进行处理得到一个只与待频率估计率相关的幅度比较函数，从而获得待频率估计率；另一种方法是利用异步光取样的频率空间压缩法，对高频微波信号进行异步取样，分析数据得到待测信号的频率。基于奈奎斯特定理可知，当采样速率达到待测信号的最高频率的两倍以上，采样数据中测的的频率就是待测信号的频率。但是当信号的频率很高时，由于器件的转换速率的限制无法实现对频率的测量，而异步光取样的方法有效的解决了该问题。所谓异步光采样就是采用较低频率的信号对高频的信号进行取样，这样就降低了对取样速率的要求，一般情况下采用该方法的取样速率可以达到待测信号最高速率的几十分之一。基于微波光子的微波信号频率测量现在正处于实验到工程实际应用的转型阶段，未来几年具有广阔的应用前景。随着信号处理的深入应用和电子技术的迅猛发展，针对空间电磁波进行参数估计是信号处理中的一个重要研究领域，由于其在雷达、声纳、通信、生物医学、地震探测等领域有着广阔而重要的应用背景受到了广泛的重视。近年来，基于微波光子学的频率测量技术研究具有以下特点：(1)当前的频率估计方案大多集中在原理实现和仿真验证上，频率估计范围不大，频率估计误差多停留在0.2GHz左右，具有高指标，高性能，稳定性强的方案较少；(2)方案多集中于单频率测量。在一些特定的电磁环境中，接收端往往会同时收到多个频率，但对于当前主流的频率估计方案，多停留在单频率测量，其方案并不适用于多频率测量条件。在实际测量中，除了损耗，干扰等难以控制的因素外，部分器件参数的设置，微波信号大小等都会影响到测量精度及范围，如：(1)输入微波信号频率，需要选择合适的测量范围及测量精度，才能更加准确的测出微波信号所携带的频率；(2)马赫曾德尔调制器引起的偏置漂移，当使用马赫曾德尔调制器时，需要用复杂的电路控制其偏置点，当出现偏置漂移时，会引入测量误差。利用传统的电子器件进行直接信号处理的技术有一些难以避免的缺点，如损耗太大，高色散，高频测量不准等问题。并且传统的信号处理系统体积庞大，缺乏灵活性，不适应在高速变化的环境中使用。对于超宽带信号，传统基于电子器件的微波信号处理只能使用分段处理方法，对于中高频部分无法直接处理的部分，还需要利用中频技术将其转变为低频信号，之后利用数字采样技术变为数字信号进行处理。中频技术具体是将中高频信号先分割为GHz的片段，再用混频方法变为低频信号，其技术缺点是会出现镜像频率和交叉调制频率以及非线性的，与频率相关的转化增益等问题。同时这种方法对于每一个从宽带信号中切割出来的信号段进行处理时需要多个平行的系统，例如若需要测量的微波频率范围为0～40GHz时，就需要使用40个1GHz带宽的中频系统，这将会带来成本高、体积大等缺点。最新微波信号频率估计方法是用微波光子估计微波信号频率，这种方法旨在采用光电器件和光电学方法估计微波信号频率，与传统信号频率估计方法相比，具有估计带宽大、损耗小、抗干扰能力强、系统小型等优点，能够克服电子瓶颈，适应复杂的电磁环境的优点。例如论文PanS,YaoJ.Photonics-BasedBroadbandMicrowaveMeasurement[J].JournalofLightwaveTechnology,2017,35(16):3498-3513.中公布了一种基于微波光子技术测量微波频率的方法，但是由于该方法仅能测量单个信号频率，在多个信号同时到来时无法测量，因此频率估计范围有限，且估计效率和估计精度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于微波光子的多微波信号频率估计方法，旨在实现同时对多个微波信号频率的估计，并提高估计的精度。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)构建微波光子系统S：构建微波光子系统S，包括接收天线单元R、第一马赫曾德尔调制器M1、第二马赫曾德尔调制器M2、激光信号源L、由并联的第一光学滤波器B1和第二光学滤波器B2组成的光学滤波器组B、由第三光学滤波器B3和光功率计W组成的载频信号测量单元C；所述M1的一个输入端与R的输出端相连，另一个输入端与激光信号源L级联，该M1的输出端与光学滤波器组B级联；所述M2的一个输入端通过微波时延线T与R的输出端相连，另一个输入端与光学滤波器组B的输出端级联，该M2的输出端与第三光学滤波器B3和光功率计W依次级联；其中：激光信号源L的光载波信号频率为f；(2)接收天线单元接收多个已知频率的微波信号：接收天线单元R接收N个已知频率且频率依次增大的微波信号相邻微波信号的频率间隔为△f，其中，表示t1时刻R接收到的频率为的第n个微波信号，N≥1，△f≥500MHz；(3)第一马赫曾德尔调制器M1对微波信号和光载波信号进行强度调制：第一马赫曾德尔调制器M1对R接收的每个已知频率的微波信号和激光信号源L输出的光载波信号vf(t1)进行强度调制，输出端得到N组一阶边带信号其中和分别表示频率为和的一阶边带信号；(4)光学滤波器组B对一阶边带信号进行多次滤波：光学滤波器组B对N组一阶边带信号分组依次进行N次滤波，具体为：当n＝1时，B1对第一组一阶边带信号中的进行滤波，B2对进行滤波，当n＝2…N时，B1对第n组及之前所有组的一阶边带信号中的及频率大于的一阶边带信号进行滤波，B2对及频率小于的一阶边带信号进行滤波，得到滤波后的N组一阶边带信号(5)第二马赫曾德尔调制器M2对所接收的时延微波信号与经过B滤波后的信号进行强度调制：第二马赫曾德尔调制器M2对R接收的N个微波信号经过微波时延线T后所形成的微波信号与经过B滤波后的的一阶边带信号进行强度调制，输出端得到强度调制后的N组输出信号，其中τ表示T所产生的时延；(6)载频信号测量单元C测量载频信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微波光子的多微波信号频率估计方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1)构建微波光子系统S：/n构建微波光子系统S，包括接收天线单元R、第一马赫曾德尔调制器M1、第二马赫曾德尔调制器M2、激光信号源L、由并联的第一光学滤波器B1和第二光学滤波器B2组成的光学滤波器组B、由第三光学滤波器B3和光功率计W组成的载频信号测量单元C；所述M1的一个输入端与R的输出端相连，另一个输入端与激光信号源L级联，该M1的输出端与光学滤波器组B级联；所述M2的一个输入端通过微波时延线T与R的输出端相连，另一个输入端与光学滤波器组B的输出端级联，该M2的输出端与第三光学滤波器B3和光功率计W依次级联；其中：激光信号源L的光载波信号频率为f；/n(2)接收天线单元接收多个已知频率的微波信号：/n接收天线单元R接收N个已知频率且频率依次增大的微波信号

【技术特征摘要】
1.一种基于微波光子的多微波信号频率估计方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)构建微波光子系统S：
构建微波光子系统S，包括接收天线单元R、第一马赫曾德尔调制器M1、第二马赫曾德尔调制器M2、激光信号源L、由并联的第一光学滤波器B1和第二光学滤波器B2组成的光学滤波器组B、由第三光学滤波器B3和光功率计W组成的载频信号测量单元C；所述M1的一个输入端与R的输出端相连，另一个输入端与激光信号源L级联，该M1的输出端与光学滤波器组B级联；所述M2的一个输入端通过微波时延线T与R的输出端相连，另一个输入端与光学滤波器组B的输出端级联，该M2的输出端与第三光学滤波器B3和光功率计W依次级联；其中：激光信号源L的光载波信号频率为f；
(2)接收天线单元接收多个已知频率的微波信号：
接收天线单元R接收N个已知频率且频率依次增大的微波信号相邻微波信号的频率间隔为△f，其中，表示t1时刻R接收到的频率为的第n个微波信号，N≥1，△f≥500MHz；
(3)第一马赫曾德尔调制器M1对微波信号和光载波信号进行强度调制：
第一马赫曾德尔调制器M1对R接收的每个已知频率的微波信号和激光信号源L输出的光载波信号vf(t1)进行强度调制，输出端得到N组一阶边带信号其中和分别表示频率为和的一阶边带信号；
(4)光学滤波器组B对一阶边带信号进行多次滤波：
光学滤波器组B对N组一阶边带信号分组依次进行N次滤波，具体为：当n＝1时，B1对第一组一阶边带信号中的进行滤波，B2对进行滤波，当n＝2…N时，B1对第n组及之前所有组的一阶边带信号中的及频率大于的一阶边带信号进行滤波，B2对及频率小于的一阶边带信号进行滤波，得到滤波后的N组一阶边带信号
(5)第二马赫曾德尔调制器M2对所接收的时延微波信号与经过B滤波后的信号进行强度调制：
第二马赫曾德尔调制器M2对R接收的N个微波信号经过微波时延线T后所形成的微波信号与经过B滤波后的的一阶边带信号进行强度调制，输出端得到强度调制后的N组输出信号，其中τ表示T所产生的时延；
(6)载频信号测量单元C测量载频信号光功率：
载频信号测量单元C中的第三光学滤波器B3对调制后的每组输出信号进行滤波，滤得N组频率为f的第一输出信号，并通过光功率计W测量每组滤波结果的载频信号光功率，得到N组载频信号光功率
(7)通过微波光子系统S获取强度调制频率待测微波信号的载频信号光功率：
(7a)接收天线单元R接收N个频率待测的微波信号v1(t2),v2(t2),…,vn(t2),…,vN(t2)，其中vn(t2)表示t2时刻R接收到的接收到的频率为fn的第n个微波信号，；
(7b)M1对R接收的每个频率待测的微波信号vn(t2)和激光信号源L输出的光载波信号vf(t2)进行强度调制，输出端得到N组一阶边带信号vf-1(t2),vf+1(t2)；vf-2(t2),vf+2(t2)；…；vf-n(t2),vf+n(t2)；…；vf-N(t2),vf+N(t2)，其中vf-n(t2)和vf+n(t2)分别表示频率为f-fn和f+fn的一阶边带信号；
(7c)光学滤波器组B对N组一阶边带信号vf-1(t2),vf+1(t2)；vf-2(t2),vf+2(t2)；…；vf-n(t2),vf+n(t2)；…；vf-N(t2),vf+N(t2)分组依次进行N次滤波，具体为：当n＝1时，B1对第一组一阶边带信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晶晶，王亚宁，李超，李鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61