Простой модуль локационных измерений доплеровского сдвига частоты и угла прихода на основе двухканальной поляризационной тандемной амплитудно-фазовой модуляции. Часть 1
Authors: Морозов О.Г. , Морозов Г.А. , Ильин Г.И. , Денисенко П.Е. , Андреев В.Д. 
Published: February 2025

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.

Introduction. One of the new, actively developing functions of radars, necessary for providing processes of intelligent or autonomous cars, is determining the location and motion parameters of other objects in real time, which includes the simultaneous measurement of the Doppler frequency shift (DFS), as well as the angle of arrival (AoA) of the echo. Recently, due to the advantages of large instantaneous bandwidth, low transmission losses and resistance to electromagnetic interferences, a lot of methods based on radio photonics technologies have been developed to implement radio measurements of DFS and AoA in the optical range. The aim of the research was to develop the principle of operation of a new simple radio photonic system for simultaneous measurements of DFS and AoA, which obtains information by comparing the frequency and phase shift values, respectively, of the down-converted signals of two channels. Moreover, the use of a reference signal, the reference frequency and phase allows to get the sign of the DFS, and the AoA from the direction of a perpendicular to the line connecting two reception antennas. Methods. It is proposed to build a circuit of a block of modulators for measuring DFS and AoA based on tandem single-port amplitude and phase modulators (TAPM) that implement the Ilyin-Morozov single-frequency coherent radiation conversion method with complete carrier suppression and high spectral purity when the parameters of the amplitude-phase conversion deviate from the optimal ones. In the system being developed, location, reflected, and heterodyne radio signals are fed to two TAPMs, each defines one measurement channel with total carrier suppression. As a result, the DFS (including the value and sign) and the AoA can be obtained from the analysis of the signals of each channels in terms of the parameters of their beat envelope. Conclusion.Thus, the first part of the paper presents the principle of operation of the module, which has a very simple structure and low cost. A wide operating frequency range determined by the modulator bandwidth, and a low-frequency photodetector provide high reliability due to a simple procedure for calibrating and controlling the temperature conditions of the elements. The target characteristics expected to be achieved and which will be presented in the second part of the paper are to measure the DFS in the range of ±100 kHz at operating frequencies of 15-40 GHz with an error of ±10 Hz and to measure the AoA in the range from 0 to π/2 with an error less than ±1.7 mrad.