58-71

Научная статья
УДК 621.383
https://doi.org/10.25686/2306-2819.2022.3.58

Простой модуль локационных измерений доплеровского сдвига частоты и угла прихода на основе двухканальной поляризационной тандемной амплитудно-фазовой модуляции. Часть 1

О. Г. Морозов, Г. А. Морозов, Г. И. Ильин, П. Е. Денисенко, В. Д. Андреев
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева–КАИ,
Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
OGMorozov@kai.ru

АННОТАЦИЯ

В статье предлагается простой метод радиофотонных измерений доплеровского сдвига частоты и угла прихода эхосигналов в системах автономного вождения, который позволяет удобно и точно получать информацию путём сравнения частоты и фазы огибающих биений двух каналов, разделённых по поляризации, за малый период времени. О знаке ДСЧ и его значении при угле прихода 90° можно судить благодаря введению опорного гетеродинного сигнала с заданной частотой и фазой. В модуле, реализующем метод, используются два параллельных тандемных амплитудно-фазовых модулятора для получения двухчастотных сигналов с подавленной несущей и разностной частотой, равной частоте сигналов системы: локационного, гетеродинного и двух эхосигналов с соседних элементов антенной решётки. В первой части статьи приведён сравнительный анализ существующих радиофотонных методов и средств одновременного или практически одновременного измерения доплеровского сдвига частоты и угла прихода и описан принцип действия модуля, реализующего предложенный метод, оценочно показаны его преимущества и недостатки. Целевые характеристики, предполагаемые к достижению, заключаются в измерении доплеровского сдвига частоты в диапазоне ± 100 кГц и диапазоне локационных частот 15–40 ГГц с погрешностью в ±10 Гц и измерении угла прихода в диапазоне от 0 до π/2 с погрешностью менее ±1,7 мрад.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

радиофотоника; радиолокация; доплеровский сдвиг частоты; угол прихода; тандемный амплитудно-фазовый модулятор; поляризационное разделение каналов; опорный гетеродинный радиосигнал с заданной частотой и фазой

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ (PDF)

ФИНАНСИРОВАНИЕ

работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках исполнения обязательств по Соглашению № 075-03-2020-051 (fzsu-2020-0020)
и Программе «Приоритет-2030».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Automotive radars: a review of signal processing techniques / S. Patole, M. Torlak, D. Wang et al. // IEEE Signal Process. Mag. 2017. Vol. 34(2). Pp. 22-35.
2.    Millimeter-wave technology for automotive radar sensors in the 77 GHz frequency band / J. Hasch, E. Topak, R. Schnabel et al. // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2012. Vol. 60. Pp. 845-860.
3.    Tang Z. and Pan S. Simultaneous measurement of Doppler-frequency shift and angle-of-arrival of microwave signals for automotive radars // Proc. Int. Topical Meeting Microw. Photon. 2019. Pp. 1-4.
4.    Tian Z., Ye C., and Jin Y. Device-free indoor tracking via joint estimation of DFS and AoA using CSI amplitude // Proc. Int. Conf. Microw. Millimeter Wave Technol. 2021. Pp. 1-3.
5.          Simple Photonics-Based Measurement Method for microwave DFS and AOA / Q. Jia, J. Li, L. Sun et al. // IEEE photonics journal. 2022. Vol. 14(3). Pp. 5532108.
6.    Simple approach for Doppler frequency shift estimation based on a dual-polarization quadrature phase shift keying (DP-QPSK) modulator / J. Li, W. Yu, Z. Zhang et al. // Applied Optics. 2020. Vol. 59(7). Pp. 2114-2120.
7.    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. Pp. 124579.
8.    Xu L., Yu Y., Tang H., and Zhang X. A simplified photonic approach to measuring the microwave Doppler frequency shift // IEEE Photon. Technol. Lett. 2017. Vol. 30, pp. 246-249.
9.    Microwave phase detection for angle of arrival detection using a 4-channel optical downconverter / P. D. Biernacki, A. Ward, L. T. Nichols et al. // International Topical Meeting on Microwave Photonics. 1998. Pp. 137-140.
10. 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.
11.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.
12.Full-band direct-conversion receiver with enhanced port isolation and I/Q phase balance using microwave photonic I/Q mixer (invited paper) / J. Li, J. Xiao, X. Song et al. // Chin. Opt. Lett. 2017. Vol. 15. Pp. 010014.
13.Novel photonic approach to microwave frequency measurement using tunable group delay line / P. Wu, X. Han, Y. Gu et al. // Chin. Opt. Lett. 2011. Vol. 9. Pp. 081301.
14.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. Pp. 2321-2324.
15.    Huang C., Chan E.H., and Albert C.B. Wideband DFS measurement using a low-frequency reference signal // IEEE Photon. Technol. Lett. 2019. Vol. 31. Pp. 1643-1646.
16.    Wideband Doppler frequency shift measurement and direction discrimination based on a DPMZM / W. Chen, A. Wen., X. Li et al. // IEEE Photon. J. 2017. Vol. 9. Pp. 5501008.
17.    Vidal B., Piqueras M.A, and Marti J. Direction-of-arrival estimation of broadband microwave signals in phased-array antennas using photonic techniques // J. Lightwave Technol. 2006. Vol. 24. Pp. 2741-2745.
18.    Phase modulation parallel optical delay detector for microwave angle-of-arrival measurement with accuracy monitored / Z. Cao, Q. Wang, R.R. Lu et al. // Opt. Lett. 2014. Vol. 39. Pp. 1497-1500.
19.    Chen H. and Chan E.H. Simple approach to measure angle of arrival of a microwave signal // IEEE Photon. Technol. Lett. 2019. Vol. 31. Pp. 1795-1798.
20.    Chen H. and Chan E.H. Photonics-based CW/pulsed microwave signal AOA measurement system // J. Lightwave Technol. 2020. Vol. 38. Pp. 2292-2298.
21.    Photonic approach for simultaneous measurements of Doppler-frequency shift and angle-of-arrival of microwave signals / P. Li, L. Yan, J. Ye et al. // Opt. Express. 2019. Vol. 27. Pp. 8709-8716.
22.    Huang C., Chen H., and Chan E.H. Simple photonics-based system for Doppler frequency shift and angle of arrival measurement // Opt. Express. 2020. Vol. 28. Pp. 14028-14037.
23.    Радиофотонный метод определения доплеровского изменения частоты отражённого 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. № 2 (50). С. 63-75. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2021.1.63
24.    Радиофотонный метод определения угла прихода отражённого 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. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2021.1.50
25.     Программно-аппаратный анализатор спектра для радиофотонных устройств измерения доплеровского сдвига частоты и его знака / О. Г. Морозов, Г. А. Морозов, Г. И. Ильин и др. // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2022. № 1 (53). С. 65-80. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2022.1.65
26.    Морозов О.Г., Ильин Г.И. Амплитудно-фазовая модуляция в системах радиофотоники // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2014. № 1 (20). С. 6-42.
27.    Морозов О.Г., Айбатов Д.Л., Садеев Т.С. Синтез двухчастотного излучения и его применение в волоконно-оптических системах распределенных и мультиплексированных измерений // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13. № 3. С. 84-91.
28.      Радифотонный метод измерения мгновенных частот множества радиосигналов на основе аддитивного частотного смещения с расширенным диапазоном измеряемых частот / А. А. Иванов, О. Г. Морозов, А. Ж. Сахабутдинов, и др. // Фотон-экспресс. 2019. № 6 (158). С. 85-86
29.      Морозов О.Г., Сахабутдинов А.Ж. Адресные волоконные брэгговские структуры в квазираспределённых радиофотонных сенсорных системах // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 4. С. 535-543.
30.       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.
31.       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.
32.      Нуреев И.И. Радиофотонные полигармонические системы интеррогации комплексированных датчиков на основе волоконных брэгговских решеток. Часть 1. Радиофотонные полигармонические методы зондирования // Прикладная фотоника. 2016. Т. 3. № 3. С. 193-220.

Для цитирования: Морозов О.Г., Морозов Г. А., Ильин Г. И., Денисенко П. Е., Андреев В. Д. Простой модуль локационных измерений доплеровского сдвига частоты и угла прихода на основе двухканальной поляризационной тандемной амплитудно-фазовой модуляции. Часть 1 // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2022. № 3 (55). С. 58-71. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2022.3.58