63-75

УДК 621.383
DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2021.2.63

РАДИОФОТОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ ОТРАЖЁННОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА НА ОСНОВЕ ТАНДЕМНОЙ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ

О. Г. Морозов^1*, Г. А. Морозов¹, Г. И. Ильин¹,
И. И. Нуреев¹, А. Ж. Сахабутдинов¹, И. Н. Ростокин²,
А. А. Иванов¹, А. А. Лустина¹, Е. П. Денисенко¹, П. Е. Денисенко¹, В. Д. Андреев¹
¹Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ,
Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
*Е-mail: OGMorozov@kai.ru
²Муромский институт им. В.К. Зворыкина,
филиал Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых,
Российская Федерация, 602264, Муром, ул. Орловская, д. 23

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен новый метод измерения доплеровского изменения частоты радиолокационного микроволнового сигнала, отражённого от движущегося объекта, основанный на технологиях радиофотоники. Измеритель доплеровского изменения частоты имеет ту же структуру, что и последовательное радиофотонное звено с фильтрацией и состоит из лазера, блока электрооптических модуляторов, фильтра – волоконной брэгговской решётки и фотодетектора. Блок электрооптических модуляторов в отличие от известных решений на двухпортовом амплитудном модуляторе Маха–Цендера построен на двух субблоках, состоящих из последовательно включённых тандемных однопортовых амплитудного и фазового модуляторов. Такая замена не усложняет структуру указанного блока по числу используемых модуляторов, тем более если она выполнена на интегральных фотонных схемах. Кроме того, при их использовании обеспечивается высокая спектральная чистота обрабатываемых радиосигналов, перенесённых на оптическую несущую, что позволяет повысить точность измерений. Экспериментальные результаты показывают, что измерение доплеровского изменения частоты в диапазоне ± 100 кГц в области зондирующей частоты около 6,5 ГГц может быть реализовано с погрешностью в доли Гц, а погрешность измерения скорости движения объекта составит доли мм/с.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

радиофотоника; радиолокация; доплеровское изменение частоты отражённого сигнала; тандемный амплитудно-фазовый модулятор; преобразование одночастотного лазерного излучения в двухчастотное с полным подавлением исходной несущей; интегральные фотонные схемы.

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ (pdf)

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках выполнения государственного задания КНИТУ-КАИ № 075-03-2020-051 (fzsu-2020-0020, программа «Фократ»).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Pan S., Zhang Y. Microwave Photonic Radars // Journal of Lightwave Technology. 2020. Vol. 38(19). Pp. 5450-5484.
2.   Yang C., Wang L. and Liu J. Photonic-Assisted Instantaneous Frequency Measurement System Based on a Scalable Structure // IEEE Photonics Journal. 2019. Vol. 11(3). Pp. 1-11.
3.   Измерение мгновенной частоты микроволновых сигналов с использованием тандемной амплитудно-фазовой модуляции в оптическом диапазоне / О.Г. Морозов, И.И. Нуреев, А.Ж. Сахабутдинов и др. // Фотон-экспресс. 2019. № 5 (157). С. 16-24.
4.   Анализ погрешности измерения мгновенной частоты СВЧ-сигналов в бриллюэновских радиофотонных системах / И.И. Батыршин, О.Г. Морозов, А.А. Иванов и др. // Научно-технический вестник Поволжья. 2018. № 5. С. 102-104.
5.   Multiple frequencies analysis in tasks of FBG based instantaneous frequency measurements / A.A. Ivanov, A.J. Sakhabutdinov, O.G. Morozov et al. // Proc. of SPIE. 2018. Vol. 10774. P. 107740Y.
6.   Microwave photonic system for instantaneous frequency measurement based on principles of "frequency-amplitude" conversion in fiber Bragg grating and additional frequency separation / A.A. Ivanov, O.G. Morozov, V.A. Andreev et al.// Proc. of SPIE. 2017. Vol. 10342. Pp. 103421A.
7.   Biernacki P.D., Ward A., Nichols L.T., and Esman R.D. Microwave phase detection for angle of arrival detection using a 4-channel optical downconverter // International Topical Meeting on Microwave Photonics. 1998. Pp. 137-140.
8.   Photonic approach to the measurement of time-difference-of-arrival and angle-of-arrival of a microwave signal / X. Zou, W. Li, W. Pan et al. // Opt. Lett. 2012. Vol. 37(4). Pp. 755-757.
9.   Angle-of-arrival measurement of a microwave signal using parallel optical delay detector / Z. Cao, van den Boom H.P.A., R. Lu et al. // IEEE Photonics Technol. Lett. 2013. Vol. 25(19). Pp. 1932-1935.
10.    Радиофотонный метод определения угла прихода отраженного радиолокационного сигнала на основе тандемной амплитудно-фазовой модуляции / О.Г. Морозов, Г.А. Морозов, Г.И. Ильин и др. // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2021. № 1 (49). С. 50-62.
11.    Saperstein R.E., Panasenko D., and Fainman Y. Demonstration of a microwave spectrum analyzer based on time-domain optical processing in fiber // Opt. Lett. 2014. Vol. 29(5). Pp. 501-503.
12.    Photonic-chip-based radio-frequency spectrum analyser with terahertz bandwidth / M. Pelusi, F. Luan, T.D. Vo et al. // Nature Photon. 2009. Vol. 3(3). Pp. 139-143.
13.    Huang C., Chen H., and Chan E.H.W. Simple photonics-based system for Doppler frequency shift and angle of arrival measurement // Optics Express. 2020. Vol. 28(9). Pp. 14028-14037.
14.    6–40 GHz photonic microwave Doppler frequency shift measurement based on polarization multiplexing modulation and I/Q balanced detection / B. Kang, Y. Fan, W. Wang et al. // Opt. Commun. 2020. Vol. 456. P. 124579.
15.    Wideband Doppler frequency shift measurement and direction ambiguity resolution using optical frequency shift and optical heterodyning / B. Lu, W. Pan, X. Zou et al. // Opt. Lett. 2015. Vol. 40(10). Pp. 2321-2324.
16.    Wideband microwave Doppler frequency shift measurement and direction discrimination using photonic I/Q detection / B. Lu, W. Pan, X. Zou et al. // J. Lightw. Technol. 2016. Vol. 34(20). Pp. 4639-4645.
17.    Il'In G.I., Morozov O.G. and Il'In A.G. Theory of symmetrical two-frequency signals and key aspects of its application // Proc. of SPIE. 2014. Vol. 9156. P. 91560M.
18.    External amplitude-phase modulation of laser radiation for generation of microwave frequency carriers and optical poly-harmonic signals: an overview / O.G. Morozov, G.I. Il'in, G.A. Morozov et al. // Proc. of SPIE. 2016. Vol. 9807. P. 980711.
19.    Choe J.Y. Defense RF systems: future needs, requirements, and opportunities for photonics // International Topical Meeting on Microwave Photonics. 2005. Pp. 307-310.
20.    Многоканальный радиофотонный приемный тракт / С.М. Конторов, А.В. Шипулин, Ф. Кюпперс и др. // Фотоника. 2019. Т. 13. № 9. С. 584-593.
21.    Многоадресные волоконные брэгговские структуры в радиофотонных сенсорных системах / Т.А. Аглиуллин, В.И. Анфиногентов, Р.Ш. Мисбахов и др. // Труды учебных заведений связи. 2020. Т. 6. № 1. С. 6-13.
Chen H. and Chan E.H.W. Angle of arrival measurement system using double RF modulation technique // IEEE Photonics J. 2019. Vol. 11(1). pp. 1-10

Для цитирования: Морозов О. Г., Морозов Г. А., Ильин Г. И., Нуреев И. И., Сахабутдинов А. Ж., Ростокин И. Н., Иванов А. А., Лустина А. А., Денисенко Е. П., Денисенко П. Е., Андреев В. Д. Радиофотонный метод определения доплеровского изменения частоты отражённого радиолокационного сигнала на основе тандемной амплитудно-фазовой модуляции // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2021. № 1 (49). С. 63-75. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2021.1.63