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[摘 要] 介紹了微波光纖延遲線的原理和特點(diǎn)，并對(duì)微波光纖延遲線的性能（靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等）進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算。當(dāng)前，微波光纖延遲線已達(dá)到實(shí)用化程度，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和電子對(duì)抗領(lǐng)域。
[關(guān)鍵詞] 微波光纖延遲線；激光器；光電檢測(cè)器；信號(hào)處理；雷達(dá)；電子對(duì)抗。
[中圖分類號(hào)] TN929．¨ ；TN97 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1006 l 9O8（2002）04—0001—05

School of Electron and Inform ation，Shanghai Jiaotong Univ．，Shanghai 200030．China）Abstract： The theory and characteristics of microwave optical fiber delay—line are introduced。and its perfor—m ance（sensitivity，dynamic range）is analyzed and calculated in detail Today，m icrowave optical fiber delay line has come into practical use and it can be widely used in the fields of radar and electronic counterm easure．
Key words：m icrowave optical fiber delay line；laser；photodetector；signal processing；radar；electronic coun

0 前 言
延遲線存儲(chǔ)器。
延遲線廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、雷達(dá)和電子對(duì)抗等領(lǐng)域。信號(hào)處理需要的單元延遲設(shè)備就是一種存儲(chǔ)器．動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）中必須有延遲線—又一
種存儲(chǔ)器，電子對(duì)抗中需要把信號(hào)先存儲(chǔ)一定時(shí)間再進(jìn)行處理，如把接收對(duì)方的雷達(dá)信號(hào)延遲一定的時(shí)間再發(fā)出去，便完成了欺騙式干擾。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)需要形形色色的信號(hào)存儲(chǔ)器。我們主要關(guān)心的是適合于雷達(dá)和電子對(duì)抗的信號(hào)存儲(chǔ)器件—— 光纖延遲線。

雷達(dá)zui初使用存儲(chǔ)管和水銀延遲線，后來采用性能更好的石英延遲線，zui后，發(fā)展起來的是超導(dǎo)延遲線和光纖延遲線。按物理概念，延遲線可分三種：
1）電信號(hào)延遲線，如電荷耦合器件（CCD）和電纜等；
2）超聲波延遲線，如水銀延遲線、石英延遲線等；
3）光信號(hào)延遲線，如光纖延遲線、光數(shù)字同步延遲線存儲(chǔ)器。

1 光纖延遲線的特點(diǎn)
光纖延遲線是一種新型的性能優(yōu)良的信號(hào)處理器件。超聲波器件（主要指性能較水銀延遲線為好的石英延遲線）在較低頻率上具有優(yōu)良的性能，但其帶寬限制在1GHz左右。雷達(dá)信號(hào)實(shí)時(shí)處理需要高達(dá)10GHz以上的寬帶信號(hào)處理器件，聲表面波器件就無能為力了。光纖延遲線工作在微波波段，已有資料顯示，在lkm 長的光纖延遲綣上，工作頻率可達(dá)100GHz以上，因此，光纖延遲線特別適用于雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)及電子對(duì)抗系統(tǒng)是光纖延遲線的zui大應(yīng)用市場(chǎng)。各種延遲線的主要性能對(duì)比見
表1。

光纖延遲線的另一個(gè)特點(diǎn)是它的射頻單位延遲損耗非常小，而且，損耗不是工作頻率的函數(shù)，這是其他延遲線不能相比擬的，圖1表示了幾種延遲線的損耗與工作頻率的關(guān)系。由表1和圖1可以看出，由于光纖延遲線單位損耗小，延遲線就可以做得長，因此延遲時(shí)間也長。光纖延遲線的延遲時(shí)間與它的長度有如下關(guān)系：

式中L為光纖長度，為光纖纖芯折射率，C為光速。同時(shí)，光纖延遲線的工作頻率可達(dá)100GHz，即它的工作帶寬寬，因此，光纖延遲線的時(shí)間帶寬乘積很大，通常比其他延遲線大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，圖2是延遲線zui大帶寬與延遲時(shí)間的關(guān)系。

光纖延遲線還具有尺寸小、質(zhì)量輕、柔軟易裝配及良好的溫度穩(wěn)定性等特點(diǎn)，這對(duì)于受空間、質(zhì)量限制以及環(huán)境又非常惡劣的空載和艦用電子設(shè)備具有非常大的吸引力。

2 光纖延遲線的原理
圖3是光纖延遲線單元的示意圖。射頻電信號(hào)輸入激光二極管（LD），LD將輸入射頻電信號(hào)變換成被該信號(hào)調(diào)制的光信號(hào)，通過光接頭耦合進(jìn)光纖。光電檢測(cè)器（PD）將射頻調(diào)制的光信號(hào)再變換為原來的射頻電信號(hào)。輸出的射頻電信號(hào)的頻譜*和輸入射頻電信號(hào)的頻譜相同，只是用光纖作為介質(zhì)延遲了一段時(shí)間，也就是說，射頻信號(hào)瞬時(shí)儲(chǔ)存在光纖延遲線中，存儲(chǔ)時(shí)間的長短與光纖的長度成正比，這就是光纖延遲線儲(chǔ)頻的原理。

在常規(guī)的動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）雷達(dá)中，延遲一個(gè)雷達(dá)脈沖周期的延遲線通常用石英延遲線，由于它不能工作在微波波段，所以，必須先將射頻信號(hào)下變頻為中頻，然后由聲波換能器將中頻電信號(hào)變換成聲波，經(jīng)過石英傳輸后，再由聲波換能器將聲波變?yōu)橹蓄l電信號(hào)。如果需要射頻信號(hào)輸出，則需要將中頻電信號(hào)上變頻為射頻信號(hào)。顯然，這種方法不如光纖延遲線的簡(jiǎn)單。光纖延遲線分為非重復(fù)循環(huán)光纖延遲線、重復(fù)循環(huán)光纖延遲線、晶格光纖延遲線和先進(jìn)的可編程光纖延遲線等四種形式，它們可以構(gòu)成編／解碼器、相關(guān)器、濾波器、橫向?yàn)V波器（如圖4所示）、A／D變換器、光電相控陣天線網(wǎng)絡(luò)分配器和數(shù)字同步延遲線存儲(chǔ)器（DSDLM）等。

3光纖延遲線信號(hào)存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)和性能分析
圖5為光纖延遲線單元線路。圖中所示器件的物理量：P。為射頻信號(hào)輸入功率（w ），G1。為前置放大器功率增益，NF為前置放大器噪聲系數(shù)，I為激光器直流偏流（A），Ith 為激光器門限電流（A），△I=I-Ith為門限以上的激光器偏流（A），Rl 為激光器動(dòng)態(tài)輸入電阻（50Ω），g2為激光器傳輸函數(shù)，工作在偏流時(shí)為0．30w／A ，OL為激光器靜態(tài)輸出功率（w ），L 1為激光器耦合系數(shù)（≈0．15），L2為光纖傳輸函數(shù)（≈ 1．0），L3為光電檢測(cè)器耦合系數(shù)（≈0．45），L t為總傳輸系數(shù)，Lt =L1，L2，L3，OP 為損耗為LT 時(shí)，進(jìn)入光電檢測(cè)器的靜態(tài)光電功率（w），g3為光電檢測(cè)器的變換系數(shù)（≈0．57A／W ），），C。為檢測(cè)器輸出電容（2～ 5pF），P。為對(duì)應(yīng)于Ps的射頻信號(hào)輸出功率（w ），R。為檢測(cè)器負(fù)載電阻（50Ω），B為有效噪聲帶寬（Hz），B3為3dB信號(hào)帶寬，F(xiàn)為噪聲一信號(hào)帶寬比，F(xiàn)=B／B3.在正常工作時(shí)，激光器的偏流被調(diào)到大于門限電流，并接近激光器的輸出功率能力的中間工作點(diǎn)，作為典型情況，激光器輸出OL 調(diào)到1．2mW ，對(duì)應(yīng)的，值為24mA（使用的激光器門限電流為20mA），即：

圖6為以上激光器輸出功率與直流偏置電流的關(guān)系曲線。

激光器輸出光功率oL 耦合進(jìn)光纖，經(jīng)過光纖傳輸后，進(jìn)入光電檢測(cè)器，則

該光功率可產(chǎn)生直流電流：

3．1 通量損耗
通量損耗定義為輸入信號(hào)功率Ps 與輸出信號(hào)功率P0 之比：

因此，代入圖5所示各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，可以用38．75dB的前置放大器來補(bǔ)償線路損耗，這些損耗主要受激光器和光電檢測(cè)器的量子效應(yīng)限制。

3．2 輸出噪聲電流
三種重要的光電檢測(cè)器輸出噪聲電流量：信號(hào)散粒噪聲電流來自前置放大器輸入的熱噪聲和前置放大器噪聲的傳輸熱噪聲電流，輸出熱噪聲電流
Ith下面給出這三種噪聲電流的公式：

 

3．3 靈敏度
靈敏度由可接收的zui小信噪比決定。光電檢測(cè)器輸出端的功率信噪比為：

3．4 動(dòng)態(tài)范圍
zui大信號(hào)功率P?是受到輸至激光器的zui大輸人激勵(lì)（對(duì)應(yīng)飽和量的8O 的幅度調(diào)制）和激光器過載功率限制的，因此：

下面將單通道的分析結(jié)果列于表3?？梢钥闯?，通常情況下，微波光纖延遲線系統(tǒng)的靈敏度已能夠滿足系統(tǒng)的要求，且有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。如果需要大的延時(shí)，則需要更長的光纖。由于損耗的存在，光纖傳輸函數(shù)L2 不可能接近于1，這可以通過前置放大器，來補(bǔ)償損耗．以滿足延遲系統(tǒng)要求。

4 應(yīng)用
微波光纖延遲線以其*優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于雷達(dá)和電子對(duì)抗中，下面是幾個(gè)典型運(yùn)用實(shí)例。
1）光電相控陣天線系統(tǒng)
在空用及海用電子設(shè)備中，對(duì)體積和質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，采用光纖作為天線波速形成網(wǎng)絡(luò)，不僅天線質(zhì)量大大降低，而且天線的有效反射面積也可大為減少。
2）濾波器
橫向?yàn)V波器是信號(hào)處理中很重要的一部分，利用光纖抽頭延遲線可以構(gòu)成光纖橫向?yàn)V波器，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
3）光纖延遲線信號(hào)存儲(chǔ)
a）艦載雷達(dá)非相干動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）為了克服多徑效應(yīng)，檢測(cè)貼近海面的低飛行目標(biāo)，艦載雷達(dá)必須工作在K 波段，而且必須有動(dòng)目標(biāo)顯示設(shè)備，常規(guī)的相干MTI要工作在K 波段是比較困難的，解決方法是用光纖延遲線構(gòu)成的非相干MTI系統(tǒng)。
b）雷達(dá)系統(tǒng)性能測(cè)試
為了評(píng)價(jià)雷達(dá)系統(tǒng)的性能，常常用雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)器測(cè)試靶。通常轉(zhuǎn)發(fā)器測(cè)試靶與雷達(dá)相距幾公里，它們之間是大氣。雷達(dá)信號(hào)在大氣中傳輸。由于大氣成分受天氣、季節(jié)因素影響而變動(dòng)，因此微波在大氣中的傳輸質(zhì)量受其影響，進(jìn)而影響雷達(dá)系統(tǒng)性能測(cè)試的精度。如果用光纖延遲線遠(yuǎn)離雷達(dá)發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試靶，就不存在這個(gè)問題，而且可以在室內(nèi)方便地獲得實(shí)際目標(biāo)返回信號(hào)。
c）欺騙式干擾機(jī)
欺騙式干擾機(jī)接收對(duì)方的雷達(dá)信號(hào)。儲(chǔ)存一段時(shí)間，經(jīng)處理再發(fā)回給對(duì)方，完成欺騙干擾，因而，存儲(chǔ)器是*的。光纖延遲線具有極寬的頻率帶寬和很短的延遲（1ns），在欺騙式干擾中起著重要的作用，它可以有效地?zé)o畸變收發(fā)雷達(dá)信號(hào)，對(duì)于高密度信號(hào)環(huán)境特別有意義，而且成本也很低。

5 用于光纖延遲線的光電器件
顯然，用光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)存儲(chǔ)，就是要實(shí)現(xiàn)如圖5所示的單元系統(tǒng)。它主要由激光二極管（I D）、光電檢測(cè)器（PD）和光纖組成。由于光纖的工作頻率可以很高，因此，主要是LD和PD 限制了系統(tǒng)的工作頻率。目前，國內(nèi)的LD和PD商品化產(chǎn)品已達(dá)到2～8GHz。國外，20GHz的LD和PD已商品化（詳見表4）。所以*可以實(shí)現(xiàn)100GHz以上的光纖延遲線。隨著延遲時(shí)間的增加，光纖長度要加長，色散影響會(huì)增大，此時(shí)，可采用低色散的光纖（如O．655光纖）。另外，還可用色散補(bǔ)償技術(shù)使色散的大小控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。在光纖延遲線中采用負(fù)斜率色散補(bǔ)償光纖（NS—DCF）進(jìn)行色散補(bǔ)償，達(dá)到*性價(jià)比。因?yàn)樨?fù)斜率色散補(bǔ)償光纖既能對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償，又可加大延遲時(shí)間。

6 結(jié) 論
光纖延遲線性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他延遲線，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，工作波長達(dá)到微波頻段毫無問題。而且器件價(jià)格現(xiàn)在越來越低，性能越來越好，其性價(jià)比還將大大提高，在雷達(dá)和電子對(duì)抗中的應(yīng)用已趨實(shí)用化。

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