基于微波光子学的微弱微波信号探测性能提升的研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sjn19900523
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随着微波雷达信号对更大带宽的需求,微波雷达信号向更高频段探索。具有宽带化、阵列化、小型化优势的微波光子雷达成为研究热点。高频微波信号容易在大气传输过程中受到损耗,特别是在潮湿环境下会受到强烈的吸收损耗。这将导致雷达探测过程中接收到的回波信号强度微弱、信噪比低。因此,在微波光子雷达接收端中针对高频微弱微波信号的处理是重要的研究方向之一。传统的电光调制器通常对调制信号的信噪比和驱动功率要求较高,微弱回波信号不能达到其调制深度的要求,使得其不能直接利用接收到的微弱回波信号,这限制了微波光子雷达接收端的发展。针对微波光子雷达系统接收端中探测微弱信号时接收功率和接收信噪比受到的限制,本文首先提出了基于微环谐振腔的高电光转换效率微弱微波信号探测系统,完成了对微弱微波信号接收端的总体设计。本文研究并建立了输入微波信号与上转换光信号之间的电光转换关系,分析得到在输入微波信号满足微弱信号的条件下,上转换光信号与输入微波信号呈线性关系。通过研究谐振腔中实现电光上转换满足的条件,分析得到谐振腔内的信号转换相互作用强度受非线性系数和电场叠加因子的影响,仿真得到了最优化的设计方案。实现了接收带宽为19.34 MHz的微弱微波信号探测系统,可实现微瓦量级(-30 dBm)以下的微弱微波信号探测,微环谐振腔中的信号功率转换效率为4.37×104,对应光子转换效率为6.78×10-2,突破了传统回音壁模式谐振腔结构中光子转换效率和转换带宽的限制。可以满足强背景噪声下的微弱微波信号探测需求。针对噪声对微弱微波信号探测系统的影响,提升微弱微波探测系统中的光信号输出性能,本文提出了基于硅基石墨烯混合波导的可调谐带通微波光子滤波器,并利用该滤波器对微弱微波信号探测系统的输出信噪比做出了改进。本文通过仿真研究建立了硅基石墨烯混合波导有效折射率随石墨烯化学势的变化关系及硅基石墨烯波导的电调节机制。研究了微波光子滤波器的频谱响应模型,分析得到了适用于微弱微波信号探测的最优化滤波器参数。设计得到的微波光子滤波器的3 dB通带宽度为3.74 GHz,矩形系数为1.29,具有36 dB以上的带外抑制。通过外加电压的控制可以获得70 GHz以上的通带调谐性能。利用该滤波器可以有效的滤除上转换信号输出中携带的泵浦光和杂散光干扰信号,提升了微弱微波信号探测系统的输出信噪比。优化后的微弱微波信号探测系统的最小可探测功率达-93.34dBm。对比热噪声背景下天线接收的输入信噪比,微弱微波信号探测系统的输出信噪比提升了8.66 dB。针对基于微环谐振腔的微弱微波信号探测系统中的带宽限制,改善微弱微波信号探测系统对宽带信号的接收能力,本文提出基于半径编码微环谐振腔阵列的宽带微弱微波信号接收方案。本文研究了适用于微弱步进频率编码脉冲信号的微环谐振腔阵列结构。在单个微环谐振腔接收带宽不变的情况下,极大地提高了宽带微弱微波信号接收能力。研究给出了频率编码脉冲信号与输出光信号之间的转换关系,分析了阵列接收系统中波导与微环谐振腔的耦合率、微环谐振腔半径对系统的接收带宽和接收信号中心频率的影响。系统的最小可探测功率谱密度为-166.2dBm/Hz,可实现输入微波信号功率谱密度为-96.0 dBm/Hz以下,动态范围为70.2dB的微弱微波信号探测,仿真实现了193.41 MHz的步进频率脉冲信号接收带宽。基于微环谐振腔阵列的微弱微波信号接收系统并不局限于一个固定频率编码的脉冲信号,通过对微环谐振腔阵列的半径进行编码可以适配脉冲信号的步进频率,实现多种步进频率编码下的脉冲信号接收。本文的研究成果解决了微波光子雷达无法直接探测处理微弱微波信号的难题,降低了微波光子雷达接收端电光转换过程的最小可探测功率并改善了系统的输出信噪比。为微波光子雷达在微弱信号探测的发展中提供了支撑,为微波光子通信领域的微弱信号探测和处理提供了有力的参考。
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