微波光子测量作为微波光子学的主干研究方向之一，立足于光子学的大瞬时带宽和低传输损耗等本征优势，为现代微波测量开辟新途径。《微波光子测量技术》针对电磁空间和电磁频谱等发展规划下微波测量全域宽开的重大需求和严峻挑战，以先进光子学赋能微波全域 （频域、时域、空域、能量域）宽开测量，分为频域测量、时域测量、空域测量、能量域测量四大板块，系统地介绍了微波光子测量的基本原理、技术方案和应用实践等研究成果。

目录
丛书序
序
第1章 光子学微波测量 1
1.1 光子学微波频域测量 3
1.1.1 微波瞬时频率测量 3
1.1.2 微波频谱分析 5
1.2 光子学微波时域测量 6
1.3 光子学微波空域测量 7
1.4 光子学微波能量域测量 8
1.5 小结与展望 9
参考文献 9
第2章 光子学微波频率测量 12
2.1 微波频率测量的典型理论方法及进展 12
2.1.1 微波瞬时频率测量 12
2.1.2 微波多普勒频移测量 17
2.1.3 微波相位噪声测量 20
2.2 光子学微波瞬时频率测量 22
2.2.1 基于光子学微波滤波的微波瞬时频率测量 22
2.2.2 基于光滤波的微波瞬时频率测量 33
2.2.3 基于光域混频的微波瞬时频率测量 38
2.2.4 基于频率-时间映射的微波瞬时频率测量 40
2.2.5 基于光子学数字化微波瞬时频率测量 44
2.3 光子学微波多普勒频移测量 49
2.3.1 串联结构的多普勒频移测量 49
2.3.2 并联结构的多普勒频移测量 55
2.4 光子学微波相位噪声测量 59
2.4.1 基于光延迟线的相位噪声测量 60
2.4.2 基于微波光子下变频的微波相位噪声测量 61
2.4.3 基于双通道互相关的微波相位噪声测量 63
2.5 小结与展望 63
参考文献 64
第3章 光子学微波频谱分析与测量 72
3.1 频谱分析的典型理论方法及进展 72
3.2 光子学扫描型频谱分析 75
3.3 光子学实时傅里叶变换与频谱分析 78
3.3.1 频率-时间映射法 78
3.3.2 基于时域拉伸的傅里叶变换 83
3.3.3 基于循环频移的傅里叶变换 84
3.3.4 光学分数阶傅里叶变换 86
3.4 光子学信道化频谱分析与测量 88
3.4.1 基于多信道光滤波器的信道化分析 88
3.4.2 基于光学频率梳的信道化分析 91
3.5 光子学离散频域处理与微波频谱分析 95
3.5.1 基于离散频域处理的带宽伸缩技术 95
3.5.2 基于离散频域处理的频谱分析 102
3.6 光子学分布式电磁干扰实时监测 115
3.6.1 应用案例一：高速铁路场景电磁干扰监测系统与应用 115
3.6.2 应用案例二：FAST电磁静默环境的超宽带电磁监测 123
3.7 小结与展望 124
参考文献 126
第4章 光子学微波时域测量 135
4.1 光子学时域测量的典型理论方法及进展 135
4.1.1 光学梳状/线性滤波型时域多参数测量原理 135
4.1.2 光子学时域测量的进展与挑战 139
4.2 光子学微波信号时域多参数测量 139
4.2.1 窄带脉冲微波信号的时域多参数测量 139
4.2.2 宽带脉冲微波信号的时域多参数测量 141
4.3 光子学微波信号调制格式识别 146
4.3.1 基于多维参数提取的信号调制格式识别 146
4.3.2 基于深度学习的信号调制格式识别 152
4.4 光子学超快/超短脉冲信号检测 157
4.5 小结与展望 159
参考文献 160
第5章 光子学微波空域测量与定位 162
5.1 空域测量与定位的典型理论方法及进展 162
5.1.1 空域测量对象 162
5.1.2 定位基本原理 166
5.1.3 卫星导航的定位与测姿原理 171
5.2 光子学微波测向技术 174
5.2.1 角度-功率映射型到达角测量 174
5.2.2 角度-相位映射型到达角测量 178
5.2.3 基于时差的到达角测量 182
5.3 光子学微波定位技术 183
5.3.1 间接定位技术 183
5.3.2 直接定位技术 193
5.3.3 三维定位技术 197
5.4 光载卫导三维基线测量技术 205
5.4.1 双差型光载GNSS测量技术 205
5.4.2 单差型光载GNSS测量技术 207
5.5 小结与展望 212
参考文献 213
第6章 光子学微波能量域检测 217
6.1 低功率信号测量的典型理论与方法及进展 217
6.1.1 相干叠加技术 217
6.1.2 光电振荡器注入锁定增强技术 220
6.2 低功率宽带微波信号光子学检测 221
6.2.1 基于时域相干叠加的弱微波信号检测 221
6.2.2 基于频域相干叠加的弱微波信号检测 222
6.2.3 基于光电振荡器增强的微弱信号检测 238
6.3 高功率微波信号光子学检测 246
6.4 小结与展望 248
参考文献 248
第7章 光子学微波测量发展趋势与展望 251
7.1 微波光子测量功能一体化 251
7.1.1 多域微波测量功能一体化 251
7.1.2 微波雷达与通信功能一体化 253
7.2 微波光子测量系统集成化 258
7.2.1 微波频率测量系统的光子学集成 259
7.2.2 多功能微波光子片上集成系统 261
7.3 微波光子测量技术智能化 269
7.3.1 AI赋能的微波光子测量技术 269
7.3.2 光智能计算与芯片 275
7.4 小结与展望 277
参考文献 277

第1章光子学微波测量
　　伟大的化学家门捷列夫认为："科学是从测量开始的。""现代热力学之父"开尔文论断："只有测量出来，才能制造出来。"因此，测量对于科学研究、工农业、医疗卫生、日常生活、国防**等领域具有重要意义。微波光子学是基于光子学生成、传输、处理、测量与分析微波信号的交叉学科，而微波光子测量则是微波光子学的主干方向之一。与其他微波光子学方向机制类似，微波光子测量立足于光子学的大瞬时带宽、低传输损耗等本征优势，为现代微波测量开辟了新途径，赋能全域宽开测量。
　　当前，电磁空间和电磁频谱的战略地位达到了前所未有的高度。例如，我国制定了《广播电视无线电频谱发展规划(2023-2035年)》；美国先后发布《电磁频谱优势战略》《联合电磁频谱行动》《网络空间行动与电磁战》等条令文件，并于2023年成立联合电磁频谱作战中心。而微波测量是电磁空间与频谱资源高效和安全利用的基本前提和保障，主要对象是电磁(微波段)信号与系统。针对电磁信号与系统的测量，传统电子学微波测量技术和仪器发挥着主要作用。然而，随着新一代信息技术和现代国防装备的快速演进，电磁信号与系统测量正面临着"频、时、空、能"全域宽开的严峻挑战。
　　频域宽开：通信、雷达、电子战和射电天文等几乎覆盖了整个微波、毫米波、太赫兹波频段，并且瞬时带宽正向数十吉赫兹量级发展，这是频域面临的严峻挑战。例如，IMT-2030(6G)总体愿景中突出低频(小于1GHz)、中频(1～24GHz)、高频(24～300GHz甚至更高)频段的整体定义、规划和利用。
　　时域宽开：雷达等系统长时间相差累积，通信等系统同时全双工收发和信号捷变，电子战等系统信号连续不间断接收与实时识别，射电天文等系统随机瞬态信号检测，精密仪器设备超快超低抖动采样与处理等，这些都是时域面临的严峻挑战。
　　空域宽开：通信、雷达、电子战等系统不仅需要实现长距离、大空域，甚至跨空域(空天地海)覆盖，而且需要对复杂地理环境(城市、高铁等)实现泛在、实时覆盖等，这是空域面临的严峻挑战。
　　能量域宽开：通信与雷达系统发射端的高功率信号和系统外强干扰与强杂波，接收端的低功率信号，甚至扩频通信/隐蔽通信/深空通信中的极低功率信号，迫切需要超低灵敏度、超强峰值耐受功率、超大动态范围(如80～100dB的接收电平变化)等，这是能量域面临的严峻挑战。
　　电磁信号在频域、时域、空域和能量域上密集交叠、强弱多变，各种新体制信号与设备日益增加，业务场景复杂多样。当前，传统电子学测量技术和仪器受限于瞬时带宽(如单通道≤1.6GHz，表1-1)和高频损耗等瓶颈，难以兼顾大带宽、高实时、高精度、远距离、低复杂度等综合性能。这些瓶颈既严重影响微波信号测量的性能(宽开范围、响应时间、捕获概率、体积功耗、实施成本等)，又牵引着新型微波信号测量基础理论与方法的研究。
　　如上所述，微波光子测量能够有效克服上述瓶颈与挑战，具有大瞬时带宽、宽频率覆盖范围、低频相关损耗、强抗电磁干扰等一系列优点，如图1-1所示。
　　频域宽开：光子技术与光纤通信仅C波段的带宽就高达4THz，能够支撑微波全频带、大瞬时带宽的测量。
　　时域宽开：超稳光学频率梳和超窄线宽激光保障超长时间相差累积，飞秒激光器达到超低时间抖动(低至阿秒级)，有效保障长短时域宽开。
　　空域宽开：标准单模光纤传输损耗低至0.2dB/km，长距离光纤稳相传输达到皮秒量级，能够实施远程、分布式、多维空域覆盖。
　　能量域宽开：单光子探测/光谐振增强等实现-120dBm及以下的微弱微波信号探测，光纤及光子射频前端的全电介质特性可以隔离超强电磁辐射与攻击，有效支撑能量域宽开。
　　基于上述优势，面向"频、时、空、能"全域宽开的民用和国防重大需求背景，国内外研究机构和人员围绕微波光子测量技术取得了一系列重要研究成果。本章将系统地简述微波光子测量技术，依次为光子学微波频域测量、时域测量、空域测量、能量域测量。
　　1.1光子学微波频域测量
　　频域(或频率域)主要表征信号的频率特性，而频域测量旨在获取信号的频率组成及分布。这里从两个方面来介绍频域测量：一是瞬态频域测量，称为瞬时频率测量；二是整体频域测量，称为频谱测量或频谱分析。
　　1.1.1微波瞬时频率测量
　　频率是指信号在单位时间内重复出现的周期数目，而瞬时频率是指信号频率的瞬态值或局部值，可定义为等效解析信号相位对时间的微分。瞬时频率测量(简称瞬时测频)是指在极短时间内对信号局部频率的快速测量。由于频率测量依赖测量时间窗口，同时噪声也会导致测量误差等，因此工程意义上的瞬时频率测量是指测频误差(或测频精度)倒数量级时间段内的测频(例如对于1MHz测频精度要求，测量时间窗口应该在1μs量级或更小)。
　　瞬时带宽和测量精度(或测量误差)是瞬时测频的核心性能指标。光子学技术以其大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，推动着微波瞬时频率测量向高频、宽带发展[6，7]。光子学微波瞬时频率测量包括基于光滤波的瞬时频率测量、基于光子学微波滤波的瞬时频率测量，以及基于光域混频的多普勒频移测量、基于频率-时间映射的瞬时频率测量。
　　基于光滤波的瞬时频率测量
　　此类方案*先将微波信号通过电光调制加载到光载波上，然后设计特殊的光滤波器(线性、正弦形、锯齿形等滤波响应)对已经调制的微波光子信号进行处理。其基本原理是基于微波频率-光幅度/功率映射关系将频率信息转换成光功率/光电流，进而以此光功率/光电流解算出待测微波频率。此类方案既可以通过单级光纤光栅、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、微环/微腔/微球滤波器来构建，实现高测量精度；同时，也可以通过滤波器阵列、多级结构等来构建，实现大瞬时带宽。
　　当前，国内外代表性光子学瞬时频率测量方案的性能对比分析如表1-2所示。不难发现，光子学方案的瞬时带宽可以达到数十吉赫兹，远大于典型电子方案的约1.6GHz瞬时带宽(表1-1)。结合考虑瞬时带宽与测量误差，我们定义误差/带宽比值并统计相关论文的等效数据，如表1-2所示。可见，在百兆赫兹量级测量误差/精度下，光子学瞬时频率测量方案的瞬时带宽可以达到25GHz，甚至32GHz，而误差/带宽比值低达0.03%(对应10.85MHz的均方根测量误差)。
　　基于光子学微波滤波的瞬时频率测量此类方案*先将微波信号加载到一个或多个光载波上，然后利用器件或系统的电域响应构建出单调的频率响应*线。其基本原理是基于微波频率-微波幅度/功率映射关系将频率信息转换成微波功率，以此微波功率解算出待测微波频率。此类方案既可以基于光纤或光栅的色散效应，构建色散导致的微波功率衰减*线实现频率测量，同时，也可以构建双抽头、多抽头微波光子滤波器，以微波光子滤波响应*线实现频率测量。
　　基于光域混频的多普勒频移测量多普勒频移为相对运动而形成的快速频率变化或与相对运动相关的瞬时频率。此类方案*先将原始微波信号和频移后的微波信号分别加到光载波上，进而设计光域混频装置对两信号进行处理。其基本原理是基于光边带混频转换，将微波多普勒频移转换成光边带之间的频域间距，利用光域超宽带平坦响应在宽频范围内实现高精度频移测量和方向解模糊。此类方案既可通过串联和并联电光调制结构构建，也可通过基于预频偏的光学矢量混频结构实现。
　　基于频率-时间映射的瞬时频率测量此类方案*先将微波信号调制到光载波上，然后设计傅里叶变换、循环频移结构等将频域变化趋势转换成时域波形。其基本原理是基于频率-时间映射机制将频率信息转换成波形，进而利用频率-时间的比例关系解算出待测微波频率。此类方案既可以通过啁啾光栅、色散补偿光纤来实施，也可以通过循环频移装置来实施。
　　当前，国内外代表性光子学微波多普勒频移测量方案的性能对比分析见表1-3。不难发现，光子学多普勒频移可以在1～38GHz范围内实现*立于微波频率的测量功能，并且在百千赫兹量级频移测量范围内测量误差低达亚赫兹，甚至微赫兹量级。
　　1.1.2微波频谱分析
　　频谱是反映信号频率分量及幅度大小的全局分布*线，是信号频域分析的主要对象。光子学微波频谱分析受到国内外研究人员的广泛关注，主要集中在光子学扫描型频谱分析、光子学时频变换型频谱分析、光子学信道化频谱分析，以及光子学分布式电磁干扰监测等。
　　光子学扫描型频谱分析此类方案*先将微波信号加载到光载波上，然后通过光学器件的波长扫描分析微波光子信号的频谱。其基本原理是基于扫描方式逐点分析频谱分量的大小，然后描绘出总体分布*线。此类方案既可通过光域波长扫描方式来实现，例如线性扫频激光器、循环频移光源等，同时，也可构建可调谐光子滤波器进行快速扫描，例如法布里-珀罗干涉滤波、受激布里渊滤波等。
　　光子学时频变换型频谱分析此类方案将微波光子信号加载到光域上进行相应的时频变换，从而获得信号频谱全貌。基本原理是光域模拟型傅里叶变换、短时傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换等。此类方案可以基于光学空间衍射、光纤色散效应、电光调制型时间透镜、光载波循环频移等思路来构建，从而将频谱包络映射成空域或时域波形加以分析。
　　光子学信道化频谱分析此类方案*先将微波信号加载到一个或多个光载波上，然后构建光学信道化方法，分段(或分信道)对微波频谱进行分析。其基本原理是基于光学离散滤波或等效离散滤波对微波信号进行信道化分割，然后对每个信道并行开展精细频谱分析。此类方案既可以利用多信道光子滤波器等"硬滤波"方式来构建，例如法布里-珀罗干涉仪、微腔滤波器、多信道光纤光栅、多波长光源与波分复用器组合等；同时，也可采用等效"软滤波"方式来构建，例如多信道受激布里渊滤波器、双光学频率梳等。
　　光子学分布式电磁干扰监测此类方案主要基于光纤链路的低损耗传输特性，设计"分布式采集网络+集中式测量分析"架构，将微波信号采集传输至中心节点进行分析测量，实现远程分布式高精度的电磁干扰测量。代表性应用案例包括高铁沿线电磁干扰监测与预警系统、500m径球面射电望远镜(天眼FAST)无线电静默环境下电磁干扰实时测量等。
　　1.2光子学微波时域测量
　　时域主要表征信号幅度和相位随时间的变化关系，而时域测量旨在获取信号的时域参数和调制信息。本书的微波时域测量主要包括：光子学微波时域多参数