Программно-аппаратный анализатор спектра для радиофотонных устройств измерения доплеровского сдвига частоты и его знака
Authors: Морозов О.Г. , Морозов Г.А. , Ильин Г.И. , Нуреев И.И. , Сахабутдинов А.Ж. , Ростокин И.Н. , Мальцев А.В. , Иванов А.А. , Лустина А.А. , Денисенко Е.П. , Денисенко П.Е. , Андреев В.Д. 
Published: February 2025

В статье рассмотрены типовые задачи определения доплеровского сдвига частоты (ДСЧ) и его знака в непрерывных и импульсных РЛС, использующих радиофотонные технологии в режимах одно- и многоцелевого сопровождения. Предложена структура программно-аппаратного анализатора спектра и варианты его математического обеспечения для решения указанных задач. Анализатор функционально универсален, однако, его основное целевое назначение – решение задач определения величины и знака ДСЧ при использовании в РЛС радиофотонного устройства на основе тандемных однопортовых амплитудного и фазового модуляторов (ТАФМ). Для режима сопровождения непрерывной РЛС одной цели предложен метод аппаратного линейного фильтра с наклонной АЧХ и анализом попарных частот биений, а для многоцелевого сопровождения он дополнен БПФ с дальнейшим анализом всех полученных компонент с помощью сканирования программным сверхузкополосным фильтром. Абсолютная погрешность определения ДСЧ по частоте информационных сигналов зависит от полосы пропускания программного сверхузкополосного фильтра (единицы Гц). Относительная погрешность определения амплитуд информационных сигналов не превышает ±10–3почти во всём диапазоне амплитуд аппаратного линейного фильтра. Отношение D полученных амплитуд для пары поставленных в соответствие информационных частот ДСЧ определённой цели позволяет определить его знак: при D<1 цель удаляется, при D>1 цель приближается. Методом, аналогичным методу для многоцелевого сопровождения непрерывной РЛС, могут быть решены типовые задачи определения ДСЧ и его знака в импульсных РЛС.
There is a constantly growing interest in the use of radio photonic technologies (RPT) for processing radar signals. This is due the benefits typical for RFT such as a wide bandwidth, high measurement rate, low frequency-dependent losses, resistance to electromagnetic interferences. Among the various parameters of radar signals, Doppler shift (DS) is one of the most frequently used. It is crucial for both ranging and Doppler radar systems (RS) of military and civil applications. DS is the difference between the frequency of the signal reflected from the target and the frequency of the radar transmitter. It is used to determine the speed and direction of the target. DS measurement with the use if RFT is typically implemented by measuring the beat-note frequency between the transmitted and echo signals, and their relation with the reference frequency to determine the direction of the target movement (DS sign). The aim of the research is to develop a software hardware spectrum analyzer, its universal algorithms and math support for solving typical problems of measuring the DS magnitude and sign in radio photonic devices, regardless of their structure, with the possibility of compensating measurement errors by computational methods. Findings.There were studied spectral situations, mostly three-frequency ones, which are observed in radio photonic devices with target tracking by a continuous wave radar. The problem of determining speed and trajectory of the target was posed for each device and the universal math fundamentals were analyzed to solve them. Multi-frequency situations were considered. They typically occur in multiple-targets tracking cases with the use of continuous wave radars or in variants of measuring DS with the use of pulse radar. For their solution we created a universal software and gave an estimate of measurement errors. The absolute error in determining the DS by the frequency of information signals depends on the bandwidth of the ultra-narrowband filter (units of Hz) implemented in software. The relative error in measuring the amplitudes of information signals did not exceed ±10–3 in almost the entire range of amplitudes of the linear filter implemented in hardware. Conclusions. The developed software hardware spectrum analyzer for measuring the DS and its sign at the output of radiophotonic devices is a simple, low-cost and reliable development that overcomes the limitations of known solutions. The advantages of the analyzer can become more significant if it is built on a single platform with a radio photonic device by means of microwave photonic integrated circuit technologies as well as if it is used for multichannel radio photonic paths, including typical problems of determining the angle of arrival of multiple targets by the radar system.