CN107835053B - 一种高精度瞬时微波频率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度瞬时微波频率测量装置，包括第一激光二极管、第二激光二极管、波分复用器、光学相位调制器、解复用器、第一光电探测器、第二光电探测器；基于光学相位调制的瞬时微波频率测量技术，主要分为三个过程：微波信号通过相位调制加载到两种不同波长的光波上，通过色散光纤的衰减作用，最后利用光电探测器进行信号解调；本发明解决了基于马赫‑泽德调制器的微波频率测量系统中的控制电路太过复杂和偏置漂移问题，同时根据探测到的射频功率比值来判定未知微波信号的频率，提高了测量系统的稳定性和测量精度，使得测量装置简单有效。

Description

一种高精度瞬时微波频率测量装置

技术领域

本发明涉及微波光电子学的测量技术领域，尤其是涉及一种高精度瞬时微波频率测量装置。

背景技术

瞬时频率测量是现代电子战中的一项关键技术，对敌方的侦查、干扰、对抗与信息俘获都需要首先侦查对方的电磁辐射信息。通过瞬时频率测量可以提供最初检测到的关于输入信号的威胁分类，可以快速地定位未知信号的频段，用以辅助查明敌方电子设备的类型、数量等重要信息，利于采取合理的攻击或应对措施。

传统的频率测量机制的性能将不能满足未来战争的需要。利用新兴的微波光子技术，通过引入光子技术来实现微波系统中较难实现的信号处理功能，可以实现低损耗、小尺寸、轻重量、宽带宽、电磁干扰免疫的微波信号处理系统。

光子辅助的瞬时频率测量方法被视为是一种充满前景的解决方法，并应用于宽带的瞬时频率测量系统中。相比于传统的微波频率测量技术，光子辅助的瞬时频率测量方法使频率测量范围和分辨率、系统成本和复杂度等技术指标均有了显著的改进和提升。

基于马赫—泽德调制器的强度调制总是被应用于瞬时频率测量光链路中，但是利用马赫—泽德调制器进行微波频率测量的最主要难点是需要一个复杂的电路来控制直流偏压以稳定马赫—泽德调制器的运行。而相位调制器可忽略偏置飘移的问题，所以相位调制器在包括瞬时微波频率测量链路的微波光子学系统中吸引了越来越多的关注。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高精度瞬时微波频率测量装置，解决了基于马赫-泽德调制器的微波频率测量系统中的控制电路太过复杂和偏置漂移问题，提高了测量系统的稳定性和测量精度，使得测量装置简单有效。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精度瞬时微波频率测量装置，包括第一激光二极管、第二激光二极管、波分复用器、光学相位调制器、解复用器、第一光电探测器、第二光电探测器；

所述第一激光二极管和所述第二激光二极管，用于产生两种不同波长的光学载波；

所述波分复用器，与所述第一激光二极管和所述第二激光二极管相连，用于将所述第一激光二极管和所述第二激光二极管所产生的两种不同波长的光学载波耦合成为一束光学载波，沿着单根色散光纤传输；

所述光学相位调制器，与所述波分复用器相连，用于将待测微波信号调制到由所述波分复用器合成的光学载波上；

所述解复用器，与所述光学相位调制器相连，用于将光学相位调制器调制的两种不同波长的光学载波分离；

所述第一光电探测器和第二光电探测器，与所述解复用器相连，用于将两种不同的光信号转化为两路电信号，并将所述电信号送入后续数据处理。

其中需要说明的是，本发明的可调谐激光光源波长范围为1520nm——1630nm(Agilent 81940A)，线宽10MHz，所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的输出激光功率均为6dBm；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器(PD-30)响应度0.5A/W；暗电流10nA；波长范围为800—1650nm；带宽30GHz。

需要说明的是，所述色散光纤长度为25km，选用康宁SMF-28单模光纤，其衰减为0.2dB/km；

进一步地，所述光学相位调制器由单挑铌酸锂波导和行波调制电极组成，行波调制电极加载微波信号后立即对晶体的电光效应进行控制，以达到相位调制的目的。

需要说明的是，光电相位调制器可忽略偏置漂移的问题，从而省去了基于马赫-泽德调制器的微波频率测量系统中的复杂控制电路，有利地简化了测量装置。

进一步地，经所述相位调制的光信号必须将相位调制转换为强度调制后才能送到所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中进行探测。

需要说明的是，由于光电检测器PD对相位不敏感，所以需要将相位调制转换为强度调制才能送入光电探测器中探测。

进一步地，基于鉴频器来实现相位调制到强度调制的转换方法。

需要说明的是，运用的是基于鉴频器的方法实现相位调制到强度调制的转换方法，其实质是让对应的副载波的幅度不再等大而无法相互抵消。

设双抽头滤波器的相对时延为τ，则脉冲响应为

通过双抽头滤波器的鉴频作用，光波强度为：

将双抽头滤波器输出的信号送入光电探测器进行检测，得到的输出电流

通常，令光学载波的波长位于滤波器的正交点，即sinω₀τ＝1。

光电探测器检测到的功率为

即光电探测器检测到的功率p_m与sin²(πf_mτ)成正比，故经探测器检测到的频率为f_m的微波信号的功率不再为零，这就实现了相位调制到强度调制转换的目的。

进一步地，选用正弦频率响应的双抽头的光滤波器作为鉴频器。

需要说明的是，鉴频器的作用是将频率信息转换为光强度的变化来表现，即不同的频率通过鉴频器将表现为不同的光强度。选用正弦频率响应的双抽头的光滤波器来作为鉴频器。

进一步地，由于两束光学载波的色散系数不同，所以两信道中被探测到的射频功率不同，上下两支路输出功率的比值在一定的频率范围内呈现单调递减趋势，从而可以根据功率比值来判定未知微波信号的频率。

本发明是基于光学相位调制的瞬时微波频率测量技术，主要分为三个过程：微波信号通过相位调制加载到两种不同波长的光波上，通过色散光纤的衰减作用，最后利用光电探测器进行信号解调。

经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种高精度瞬时微波频率测量装置。

本发明的有益效果是：本发明采用光学相位调制器调制光学载波，通过解决了基于马赫-泽德调制器的微波频率测量系统中的控制电路太过复杂和偏置漂移问题，同时根据探测到的射频功率比值来判定未知微波信号的频率，提高了测量系统的稳定性和测量精度，使得测量装置简单有效。

附图说明

图1：本发明一种高精度瞬时微波频率测量装置的结构示意图；

图2：两载波的射频功率对微波频率原理曲线；

图3：两载波的信号功率比对微波频率原理曲线；

图4：已调制的两束光学载波频谱图；

图5：中心波长为1520nm的已调制信号的频谱图；

图6：中心波长为1520nm支路输出信号频谱图；

图7：中心波长为1630nm的已调制信号的频谱图；

图8：中心波长为1630nm支路输出信号频谱图；

图9：中心波长为1520nm支路光电探测器输出端频谱分析图；

图10：中心波长为1630nm光电探测器输出端频谱分析图；

图11：微波实际频率与测量频率比较图；

图12：测量误差与实际频率关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种高精度瞬时微波频率测量装置，解决了传统技术中控制电路复杂且有偏置飘移的问题。

如图1所示，一种高精度瞬时微波频率测量装置，包括第一激光二极管、第二激光二极管、波分复用器、光学相位调制器、解复用器、第一光电探测器、第二光电探测器；来自两个激光二极管的波长不同的光学载波经复用器合为一束后沿单根色散光纤传输，送入光学相位调制器中仍可对单根色散光纤上传播的两束光学载波进行相位调制。已调制的光信号沿色散光纤传播后经解复用器分离并在两个光电探测器中被转化为电信号。由于两光学载波的色散系数不同，所以两信道中被探测到的射频功率就不同。这个被探测的射频功率的差异将被用于决定未知射频信号的频率。

假设光源功率和光路中的损耗恒定的情况下，可以得到它的两条输出信号的功率函数为

其中c是真空中的光速，χ是光纤链路中的累计色散，λ为光学载波的波长，f是待测微波调制信号的频率。假设两激光二极管的功率以及两波长信道损耗相同的，于是我们可以得出这两波长信道的功率比

其中λ₁和λ₂是两载波的波长，χ₁和χ₂是两信道相应的累计色散。

设载波1的波长λ₁＝1520nm，载波2的波长λ₂＝1630nm，累计色散分别为362ps/nm和512ps/nm，代入

和

可得图2和图3，即原理图像。其中实线为载波中心波长为1520nm的信号输出微波功率，虚线为载波中心波长为1630nm的信号输出微波功率。可以发现：在0—20GHz的测量频段内，载波1的输出信号功率在随着输频率的增大总体呈增大趋势，并在输入微波信号频率19GHz附近会出现功率的骤降；而载波2在那该频率附近正好处于骤升的顶峰，这就导致各参数代入

后，两路出信号功率比在该19GHz频率附近出现一个极小值。同理，如图3所示，两路输出信号功率比将在15GHz频率附近出现一个极大值。通过对比，可以看出两者的趋势几乎相同，证明了通过测量功率从而测得频率是可行的。

本实施例中，两个激光器线宽10MHz，输出功率6dBm，波长分别为1520nm和1630nm；色散光纤长度为25km，选用康宁SMF-28单模光纤，其衰减为0.2dB/km；光电探测器(PD-30)响应度0.5A/W；暗电流10nA；波长范围为800—1650nm；带宽30GHz。在两路信号的输出端，可以测量得到输出信号的微波功率，并通过

计算得出待测的输入微波频率。

两束光学载波经相位调制器调制后输出的已调制信号，其中包含了输入的两波长不同的载波信号，其频谱图如图4所示，可见波长为λ₁＝1520nm和λ₂＝1630nm的两已调光学载波，相应的P₁＝5.8dBm，P₂＝5.6dBm。

为了清楚直观，图5是λ₁＝1520nm的已调制信号，图6所示的是λ₁＝1520nm已调信号经过解复用器的输出信号。比较两图，可以发现经过光链路传输过程中色散光纤的色散致功率衰减后，载波1的已调制信号功率衰减5.8dBm左右。同理，图7是λ₂＝1630nm的已调制信号，图8所示的是λ₂＝1630nm的已调制信号经过解复用器的输出信号。比较两图，可以看出经过光链路传输过程中色散光纤的色散致功率衰减后，载波2的已调制信号功率衰减5.6dBm左右。

比较分析图6与图8可以发现：由于两束光学载波的波长不同，在通过色散光纤的传输过程中将产生不同的色散，即产生的功率衰减不同，所以上下两支路输出功率的比值在一定的频率范围内呈现单调递减趋势，从而可以根据功率比值来判定未知微波信号的频率。

令微波信号频率在0—20GHz的范围内，以2GHz的步长扫频变化，运用频谱分析仪分别测量了上下支路光电探测器输出端的微波功率，得出了光学载波波长分别为1520nm和1630nm的两支路的输出端频谱图，如图9和图10所示。比较图2和图3，再比较图9和图10，发现两者走势基本相同：光学载波中心频率为1520nm的上支路已调信号经光电探测器转换后，在输入微波信号频率为19GHz时，输出微波功率骤降，图线出现一处明显凹陷；光学载波中心频率为1630nm的下支路已调信号经光电探测器转换后，在输入微波信号频率为15GHz时，输出微波功率骤降，图线出现一处明显凹陷。

由于低频率段0—6GHz的功率比曲线过于平坦，并且15—20GHz的高频段会存在歧义解，故本发明对6——15GHz的可利用测量频段进行分析研究。对比实际输入的微波信号的频率值与测量系统测得的微波信号的频率值，得出图11和图12。

可以看出：在6—15GHz的测量频段范围内，系统实验仿真得到的测量误差值随着实际输入频率的增大而减小。在可测的测量频段内，测量误差基本维持在±0.5GHz内，而±0.5GHz的测量精度已基本达到国防应用中对瞬时微波频率测量的期望。高的测量精度往往造成更小的测量范围，而低的测量精度又会导致更大的测量范围。对应于11.0—15.0GHz的测量范围，其测量分辨率为±0.2GHz。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种高精度瞬时微波频率测量装置，其特征在于，包括第一激光二极管、第二激光二极管、波分复用器、光学相位调制器、解复用器、第一光电探测器、第二光电探测器；

所述第一激光二极管和所述第二激光二极管，用于产生两种不同波长的光学载波；

可调谐激光光源波长范围为1520nm——1630nm，线宽10MHz，所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的输出激光功率均为6dBm；

所述波分复用器，与所述第一激光二极管和所述第二激光二极管相连，用于将所述第一激光二极管和所述第二激光二极管所产生的两种不同波长的光学载波耦合成为一束光学载波，沿着单根色散光纤传输；

所述色散光纤长度为25km，选用康宁SMF-28单模光纤，其衰减为0.2dB/km；

所述光学相位调制器，与所述波分复用器相连，用于将待测微波信号调制到在单根色散光纤上传播的两束光学载波上；

所述解复用器，与所述光学相位调制器相连，用于将光学相位调制器调制的两种不同波长的光学载波分离；

所述第一光电探测器和第二光电探测器，与所述解复用器相连，用于将两种不同的光信号转化为两路电信号，并将所述电信号送入后续数据处理；

经所述相位调制的光信号必须将相位调制转换为强度调制后才能送到所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中进行探测；基于鉴频器来实现相位调制到强度调制的转换，让对应的副载波的幅度不再等大而无法相互抵消；

选用正弦频率响应的双抽头光滤波器作为鉴频器；

设双抽头滤波器的相对时延为τ，则脉冲响应为

通过双抽头滤波器的鉴频作用，光波强度为：

将双抽头滤波器输出的信号送入光电探测器进行检测，得到的输出电流

通常，令光学载波的波长位于滤波器的正交点，即sinω₀τ＝1；

光电探测器检测到的功率为

即光电探测器检测到的功率p_m与sin²(πf_mτ)成正比，故经探测器检测到的频率为f_m的微波信号的功率不再为零。

2.根据权利要求1所述的一种高精度瞬时微波频率测量装置，其特征在于，所述光学相位调制器包括单挑铌酸锂波导和行波调制电极，行波调制电极加载微波信号后立即对晶体的电光效应进行控制，以达到相位调制的目的。

3.根据权利要求1-2中的任意一项权利要求所述的一种高精度瞬时微波频率测量装置，其特征在于，上下两支路输出功率的比值在一定的频率范围内呈现单调递减趋势，从而可以根据功率比值来判定未知微波信号的频率。

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