Устройство определения угла прихода отраженного радиолокационного сигнала

Полезная модель  относится к измерительной технике и может быть использован в радиолокации и радиофотонике.
Известно устройство по статье Cao Z., van den Boom Н.Р.А., Lu R., Wang Q., Tangdiongga E., and Koonen A.M.J. IEEE Photonics Technol. Lett. 2013. Vol. 25(19). pp. 1932-1935. Однако это предложение сложно конструктивно, а также требуют сложных систем обработки сигналов на промежуточной частоте, что ограничивает их широкополосность.
S
C
C
S
S
За прототип принято устройство по статье Simple photonics-based system for Doppler frequency shift and angle of arrival measurement (Optics Express Vol.28, Issue 9, pp. 14028-14037). Непрерывное излучение лазера попадает в блок электрооптических модуляторов на основе параллельного двухпортового модулятора Маха-Цендера DD-MZM. Отраженный сигнал на частоте ƒ принимается двумя антеннами, которые подключены к двум входным радиочастотным портам MZM1 и MZM2 внутри DD-MZM. DD-MZM через основной MZM смещены в нулевую рабочую точку, что позволяет частично подавить неинформативную компоненту несущей лазерного излучения ƒ и получить двухчастотное излучение ƒ±ƒ с разностной частотой 2 ƒ.
Основным недостатком вышеуказанного устройства является высокая погрешность измерений. DD-MZM, установленный в нулевой рабочей точке, не обеспечивает полного подавления несущей частоты лазера на выходе блока модуляторов, что приводит к погрешности определения УП за счет появления вклада остаточной амплитуды несущей в амплитуду информативной составляющей, так и появлению биений на удвоенной информативной частоте.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное устройство, является снижение погрешности измерений.
Технический результат достигается тем, что устройство определения угла прихода отраженного радиолокационного сигнала, состоящее из лазера, оптического разъединителя, блока электрооптических модуляторов, оптического объединителя, фотодетектора, электронного векторного анализатора цепей, при этом, что блок электрооптических модуляторов содержит тандемные амплитудный и фазовой модуляторы, включенных параллельно.
Устройство изображено на фиг. 1, где
1 – Лазер;
2 - Оптический разъединитель;
3 - Блок электрооптических модуляторов (тандемные одно портовые амплитудный и фазовый модуляторы, ТАФМ);
4 - Оптический разъединитель;
5 – Фотодетектор;
6 - Электронный векторный анализатор цепей;
7 - Амплитудный модулятор маха-Цендера;
8 - Фазовый модулятор Маха-Цендера.
Блок электрооптических модуляторов 3 построен на двух тандемных амплитудно-фазовых модуляторах, состоящих из последовательно включенных амплитудного модулятора Маха-Цендера 7 и фазового модулятора 8.
На два параллельных ТАФМ1 и ТАФМ2 последовательно поступает отраженный от объекта микроволновый сигнал с временной задержкой, величина которого определяется углом прихода. При этом исходные компоненты оптического излучения на входе тандемно-амплитудно-фазового модулятора полностью подавляются.
По относительной временной задержке между сигналами каждого антенного элемента можно вывести угол падения и, следовательно, направление на источник. Угол прихода определяется из
Измерение τ при скорости света в вакууме позволяет оценить УП отраженного от объекта сигнала.
S
C
Общая структура включения ТАФМ параллельная. На два параллельных ТАФМ1 и ТАФМ2, образующих измерительный канал, последовательно поступает отраженный от объекта микроволновый сигнал на частоте ƒ с временной задержкой τ, величина которой определяется УП ϕ. При этом исходные компоненты оптического излучения на входе ТАФМ ƒ полностью подавляются, что существенно отличает предложенное решение от известных в лучшую сторону с точки зрения повышения точности измерений.
Отраженный сигнал в измерительном канале, принимаемый двумя антеннами, подключенными к радиочастотным входам ТАФМ1 и ТАФМ2 имеют разность фаз θ, соответствующую УП ϕ и временной задержке τ
где k - целое число.
Суммарное электрическое поле на выходе ТАФМ1 и ТАФМ2 может быть описано как
in
i
1
где Е - амплитуда электрического поля лазерного излучения, попадающего в ТАФМ, α - потери, вносимые ТАФМ, J(m,φ) - функция Бесселя первого порядка первого рода, m и φ - параметры амплитудного и фазового преобразования в ТАФМ, зависящие от амплитуды отраженного сигнала.
Выходной оптический сигнал блока ТАФМ поступает на фотодетектор, который генерирует фототок.
S
Амплитуда фототока на частоте ƒ может быть получена из уравнения (3) и определяется как
in
где  - чувствительность фотодетектора, a P - мощность входного лазерного излучения для ТАФМ1, 2.
S
Электрическая мощность на частоте ƒ, то есть информационная пиковая мощность для получения информации об УП, может быть получена из уравнения (4) и определяется выражением
L
где R - сопротивление нагрузки фотоприемника. Уравнение (5) показывает, что мощность информационного пика зависит от разности фаз θ отраженных сигналов на двух радиочастотных ТАФМ1 и ТАФМ2. Следовательно, УП отраженного сигнала ϕ может быть найден через определения θ из уравнения пиковой мощности (5), τ - из уравнения (2) и ϕ - из уравнения (1).
Основная погрешность разработанного измерителя УП и прототипа [13] заключается в том, что индекс амплитудной модуляции, определяемый параметрами отраженного сигнала как паралельного двухпортового модулятора Маха-Цендера, так и в ТАФМ, может меняться в широких пределах. Для ТАФМ прием отраженного сигнала без изменений приводит к минимальным искажениям информативной компоненты, в то время как в прототипе от его амплитуды зависит и уровень подавления несущей частоты, и уровень высших составляющих второго порядка.
В устройстве используется узкополосный лазерный источник с распределенной обратной связью с центральной длиной волны 1550 нм и шириной линии менее 10 МГц. Выход устройства контролировался с помощью ЭВАЦ Rohde & Schwarz FSH8, обладающий диапазоном частот до 8 ГГц, с подключением к ПК через программу FSH8 View для сохранения результатов измерений в виде массивов данных. В качестве амплитудных модуляторов АММЦ был использован амплитудный модулятор Маха-Цендера, предоставленный ПАО «ПНППК», Пермь. Фазовая модуляция осуществлялась с помощью электрооптического модулятора Thorlabs LN53S-FC. В качестве тестовой частоты использовалась частота 6,5 ГГц.