简介

在电子战（EW）系统中，快速分析来自敌方雷达或通信系统的截获无线电频率（RF）信号的能力很重要。与信号参数已知的商业无线通信不同，电子战环境中的信号是专门设计来躲避探测的。瞬时频率测量（IFM）模块对于快速识别未知RF信号的载波频率很重要，然后将其传递给专用接收器进行处理。

本文概述了光子辅助技术，该技术用于实现IFM系统，与传统电气方法相比，具有带宽宽、损耗低、重量轻、抗电磁干扰等优点。我们将介绍光子IFM系统的关键原理和架构，讨论其功能、局限性和未来前景 [1]。

光子IFM的基本原理

光子IFM的基本概念是在微波频率与光功率或微波功率之间建立固定关系。通过监测该功率，可以确定未知的输入频率。

图1所示为典型的光子IFM系统架构。待测射频信号通常使用电光调制器调制光载波。然后，将调制后的光信号分成两条路径，分别经历不同的频率相关功率损耗。在电子处理单元中，监测频率相关的功率，并用于恢复输入射频频率。

 图1：基于功率监测的光子IFM系统的典型架构频率相关的功率损耗可通过多种机制实现：

1. 色散引起的微波功率衰减

2. 光子微波滤波器

3. 光滤波器

调制方案（强度调制与相位调制）的选择也会影响功率损耗函数。

光子IFM关键技术

1. 基于光信道器的IFM

一种方法使用光信道器将调制后的光信号分成许多连续的并行信道。图2展示了这一概念。

 图2：使用光信道器测量微波频率经过分道的信号由低速光电探测器阵列检测。通过分析哪些通道包含信号能量，可以确定输入的射频频谱。光分道器可通过以下方式实现：

• 集成光学相位阵列

  
  

• 高分辨率自由空间衍射光栅 

  
  

• 相移光栅阵列

  
  

• 集成布拉格光栅与菲涅尔透镜

  
  

优点：

• 可同时测量多个信号

  
  

• 操作原理简单

  
  

局限性：

• 通道数量和间距有限（通常>1 GHz）

  
  

• 测量范围（<20 ghz="">1 GHz）有限

  
  

• 复杂且昂贵的光学元件

  
  

2. 基于色散的IFM

该技术利用调制光信号在光纤等色散介质中传播时产生的色散引起的功率衰减。光检测后检测到的射频功率是射频频率和光纤色散的周期函数。

通过利用两个不同的光波长，可以获得两个不同的功率衰减函数。这些函数的比率被称为振幅比较函数（ACF），与输入的射频功率无关：

ACF = P1 / P2 = [cos^2（πD1L1λ1^2f^2/c   arctan α）] / [cos^2（πD2L2λ2^2f^2/c   arctan α）]

其中，D为色散，L为光纤长度，λ为波长，f为射频频率，α为调制器线性调频。

优点：

• 实施简单

  
  

• 可实现宽测量范围（>20 GHz）

  
  

• 精度高（误差可能小于200 MHz）

  
  

局限性：

• 需要宽带光电探测器和射频元件

  
  

• 需要在范围和精度之间进行权衡

  
  

3. 基于互补滤波器的IFM

这种方法使用两个具有互补（例如低通和带通）频率响应的光学或光子微波滤波器。输出功率的比值产生单调的ACF，可用于确定输入频率。

图3展示了使用偏振调制器和互补光子微波滤波器的实现方法，该滤波器使用保偏光纤实现。

 图3：使用偏振调制器和互补光子滤波器的IFM系统优点：

• 测量范围极广（已证实超过35 GHz）

  
  

• 精度高（误差小于200 MHz）

  
  

• 简单的单调制器实现方案

  
  

局限性：

• 要精确控制偏振态

  
  

• 可能对环境影响敏感

  
  

4. 光功率监测 IFM

这些技术不检测射频功率，而是使用低速光电探测器直接监测光功率。图4展示了典型的实施方法。

 图4：基于光功率监测的IFM系统射频信号调制位于周期性光学滤波器峰值和谷值处的两个光载波。在滤波器后测量光功率，其比值产生交流调频：

ACF = （1 - cos（2πf/FSR）） / （1   cos（2πf/FSR）） = tan^2（πf/FSR）

其中FSR是光滤波器的自由光谱范围。

优点：

• 仅使用低速组件

  
  

• 实施简单

  
  

局限性：

• 对激光波长漂移敏感

  
  

• 需要精确的调制器偏置控制

  
  

5. 光子微波微分器 IFM

该技术使用一阶微波微分器的光子实现，以获得交流场和输入频率之间的线性关系。图5展示了这一概念。

 图5：用于IFM的光子微波微分器微分器通过相位调制和用于相位到强度转换的光带通滤波器实现。这样得到的ACF与频率成正比：

ACF ∝ f

优点：

• 线性ACF可轻松确定频率

  
  

• 测量范围广，分辨率一致

  
  

局限性：

• 对激光波长漂移敏感

  
  

• 需要精确控制光学滤波器的形状

  
  

其他光子 IFM 技术

其他几种光子学方法已经过验证，可用于IFM：

• 法布里-珀罗扫描接收器：使用扫描光学滤波器测量调制后的光谱

  
  

• 光子希尔伯特变换：实现90°宽带相移，以获得互补响应

  
  

• 集成式阶梯式衍射光栅：监测光载波与边带之间的波长差

  
  

• 频率-时间映射：利用色散将不同的射频频率映射到不同的时间延迟

  
  

• 这些技术在测量范围、精确度和复杂性方面各有优劣。

  
  

挑战与未来展望

虽然光子IFM技术取得了重大进展，但在实际部署方面仍面临一些挑战：

1.同时测量多个信号：大多数功率监测技术仅适用于单频输入。开发能够准确测量多个信号的系统是一项重要目标。

2.提高稳定性和可靠性：许多技术对光波长漂移、偏振态或调制器偏置点敏感。开发自校准或漂移补偿系统很重要。

3.提高测量范围和精度：测量范围和精度之间通常存在权衡取舍。能够同时实现宽范围（>40 GHz）和高精度（<100 mhz="">

4.集成化和小型化：目前许多实现方案都使用离散光学元件。开发片上集成光子IFM系统可以大大减小尺寸、重量和功耗。

5.多参数测量：除了频率，在单个光子系统中测量其他信号参数（如脉冲宽度、到达时间和到达角）对于电子战应用而言也很有价值。

最终目标是开发完全集成的高性能光子IFM系统，使其能够在具有挑战性的电子战环境中可靠运行。在集成微波光子学、稳定激光源和先进信号处理技术等领域继续开展研究是实现这一愿景的关键。

结论

光子辅助IFM技术为下一代EW系统提供了极具前景的功能，与传统电子方法相比，它有可能实现更宽的带宽、更高的精度和更佳的SWaP特性。尽管挑战依然存在，但光子技术和架构的不断进步正在稳步突破这些系统的性能极限。随着研究的深入，我们可以预见，在未来几年内，越来越复杂的光子IFM解决方案将进入实际的EW和信号情报应用领域。