Аннотация
В статье рассмотрен новый, радиофотонный подход для измерения угла прихода (УП) радиолокационного микроволнового сигнала, отражённого от движущегося объекта. Для его обработки в оптическом диапазоне используется блок электрооптических модуляторов, который в отличие от известных решений выполнен на тандемных однопортовых амплитудном и фазовом модуляторах. Измеритель имеет очень простую структуру и невысокую стоимость, характеризуется широким диапазоном рабочих частот в десятки ГГц и имеет высокую надёжность работы, обусловленную простой процедурой калибровки и контроля температурных режимов элементов, тем более, если он изготовлен на базе интегральных фотонных схем. Экспериментальные результаты показывают, что измерение УП в диапазоне от 0 до π/2 возможно с погрешностью менее ±1,7 мрад при определении мощности информативной компоненты на частоте отражённого сигнала с погрешностью ± 10-3 .
Ключевые слова: радиофотоника; радиолокация; угол прихода; тандемный амплитудно-фазовый модулятор; преобразование одночастотного лазерного излучения в двухчастотное с полным подавлением исходной несущей; интегральные фотонные схемы.
Биографии авторов
Олег Геннадьевич Морозов, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий, директор НИИ прикладной электродинамики, фотоники и живых систем, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – радиофотонные технологии сенсорики и телекоммуникаций. Автор 450 научных публикаций и патентов.
Геннадий Александрович Морозов, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – антенны, микроволновые технологии, микроволновая фотоника. Автор 355 научных публикациё и патентов.
Герман Иванович Ильин, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электронных и квантовых систем передачи информации, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – лазерные и радиотехнические системы, теория потенциальной помехоустойчивости. Автор 352 научных публикаций и патентов.
Ильнур Ильдарович Нуреев, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Доктор технических наук, доцент, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – волоконно-оптические сенсоры и системы интеррогации. Автор 250 научных публикаций.
Айрат Жавдатович Сахабутдинов, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Доктор технических наук, доцент, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – микроволновая фотоника; волоконно-оптические сенсоры и системы интеррогации. Автор 200 научных публикаций и патентов.
Илья Николаевич Ростокин, Муромский институт им. В.К. Зворыкина, филиал Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых Российская Федерация, 602264, Муром, ул. Орловская, д. 23
Доктор технических наук, профессор кафедры управления и контроля в технических системах, Муромский институт имени В.К. Зворыкина, филиал Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Область научных интересов – микроволновая радиометрия, радиофотоника и системы дистанционного зондирования. Автор 100 научных публикаций и патентов.
Александр Алексеевич Иванов, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Кандидиат технических наук, старший преподаватель кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – микроволновая фотоника. Автор 40 научных публикаций и патентов.
Александра Алексеевна Лустина, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Ведущий инженер отдела интеллектуальной собственности и трансфера технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – микроволновая фотоника, измерительные СВЧ-системы. Автор 10 научных публикаций.
Евгений Петрович Динисенко, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Доцент кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – микроволновая фотоника; волоконнооптические сенсоры и системы. Автор 30 научных публикаций и патентов.
Павел Евгеньевич Динисенко, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Кандидиат технических наук, доцент кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – радиофотоника; волоконно-оптические сенсоры и системы интеррогации. Автор 30 науных публикаций и патентов.
Владимир Дмитриевич Андреев, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
Международнымй эксперт, АНО «Агентство развития профессионального мастерства». Область научных интересов – микроволновая фотоника; волоконно-оптические сенсоры и системы интеррогации. Автор 25 научных публикаций и патентов.
Литература
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. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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. P. 103421A.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Angle-of-arrival measurement of a microwave signal using parallel optical delay detector / Z. Cao, H.P.A. van den Boom, R. Lu et al. // IEEE Photonics Technol. Lett. 2013. Vol. 25(19). Pp. 1932–1935.
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. Choe J.Y. Defense RF systems: future needs, requirements, and opportunities for photonics // International Topical Meeting on Microwave Photonics. 2005. Pp. 307–310.
15. Многоканальный радиофотонный приемный тракт / С.М. Конторов, А.В. Шипулин, Ф. Кюпперс и др.// Фотоника. 2019. Т. 13. № 6. С. 584-593.
16. 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.
Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках выполнения государственного задания КНИТУ-КАИ № 075-03-2020-051 (fzsu-2020-0020, программа «Фократ»).
