ISSN: 2306-2819
Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы»
РАДИОФОТОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ ОТРАЖЁННОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА НА ОСНОВЕ ТАНДЕМНОЙ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
PDF
Опубликована: 2025-04-24
Выпуск
№ 2(50) (2021): Вестник Поволжского Государственного Технологического Университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы»
Раздел
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
  • Олег Геннадьевич Морозов Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Геннадий Александрович Морозов Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Герман Иванович Ильин Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Ильнур Ильдарович Нуреев Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Айрат Жавдатович Сахабутдинов Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • 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
  • Александр Алексеевич Иванов Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Александра Алексеевна Лустина Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Евгений Петрович Денисенко Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Павел Евгеньевич Денисенко Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Владимир Дмитриевич Андреев Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Аннотация

В статье рассмотрен новый метод измерения доплеровского изменения частоты радиолокационного микроволнового сигнала, отражённого от движущегося объекта, основанный на технологиях радиофотоники. Измеритель доплеровского изменения частоты имеет ту же структуру, что и последовательное радиофотонное звено с фильтрацией и состоит из лазера, блока электрооптических модуляторов, фильтра – волоконной брэгговской решётки и фотодетектора. Блок электрооптических модуляторов в отличие от известных решений на двухпортовом амплитудном модуляторе Маха–Цендера построен на двух субблоках, состоящих из последовательно включённых тандемных однопортовых амплитудного и фазового модуляторов. Такая замена не усложняет структуру указанного блока по числу используемых модуляторов, тем более если она выполнена на интегральных фотонных схемах. Кроме того, при их использовании обеспечивается высокая спектральная чистота обрабатываемых радиосигналов, перенесённых на оптическую несущую, что позволяет повысить точность измерений. Экспериментальные результаты показывают, что измерение доплеровского изменения частоты в диапазоне ± 100 кГц в области зондирующей частоты около 6,5 ГГц может быть реализовано с погрешностью в доли Гц, а погрешность измерения скорости движения объекта составит доли мм/с.


Ключевые слова: радиофотоника; радиолокация; доплеровское изменение частоты отражённого сигнала; 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

Кандидат 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 Денисенко, 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; волоконно-оптические сенсоры и системы. Автор 30 научных публикаций и патентов.

Павел Евгеньевич Денисенко, 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 научных 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. 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.
4. Анализ погрешности измерения мгновенной частоты СВЧ-сигналов в бриллюэновских радиофотонных системах / И.И. Батыршин, О.Г. Моро¬зов, А.А. Иванов и др. // Научно-технический вестник Поволжья. 2018. № 5. С. 102-104.
5. 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.
6. 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. Pp. 103421A.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Радиофотонный метод определения угла прихода отраженного 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.
11. Saperstein R.E., Panasenko D., and Fainman Y. Demonstration of a microwave spectrum analyzer based on time-domain optical processing in fiber // Opt. Lett. 2014. Vol. 29(5). Pp. 501-503.
12. Photonic-chip-based radio-frequency spectrum analyser with terahertz bandwidth / M. Pelusi, F. Luan, T.D. Vo et al. // Nature Photon. 2009. Vol. 3(3). Pp. 139-143.
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. 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.
15. 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(10). Pp. 2321-2324.
16. Wideband microwave Doppler frequency shift measurement and direction discrimination using photonic I/Q detection / B. Lu, W. Pan, X. Zou et al. // J. Lightw. Technol. 2016. Vol. 34(20). Pp. 4639-4645.
17. 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.
18. 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.
19. Choe J.Y. Defense RF systems: future needs, requirements, and opportunities for photonics // International Topical Meeting on Microwave Photonics. 2005. Pp. 307-310.
20. Многоканальный радиофотонный приемный тракт / С.М. Конторов, А.В. Шипулин, Ф. Кюпперс и др. // Фотоника. 2019. Т. 13. № 9. С. 584-593.
21. 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.
22. 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»).
Читать полностью