CN101793920B - 紧凑型瞬时微波频率光子测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，包括：接收天线、微波功率放大器、高速直调激光器、环行器、可调谐相移光栅、可调谐M-Z干涉仪、第一高速光子探测器、第二高速光子探测器和比较器。微波信号加载到了一个波长可调谐、直接调制激光器上，通过调谐激光器的直流偏置电压，使在载波频率两侧只产生携带微波频率信息的正负一阶边带，并利用可调谐相移光栅将载波功率压制；由可调谐M-Z滤波器滤波，并通过调谐滤波器的臂长，使载波波长分别对准滤波器两输出端口的峰值与谷值；由于两端口输出功率随微波频率的变化趋势相反，因此比较函数随微波频率在一定范围内单调变化，从而可实现瞬时微波频率的测量。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，更具体的说是涉及一种紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，该系统利用直调分布反馈激光器和马赫-曾德尔(M-Z)滤波器实现瞬时频率测量。
背景技术
瞬时微波频率(频段300MHz～300GHz)的测量是电子对抗的关键技术之一，诸如军事信息的截获和窃听、雷达干扰和反干扰能力等。然而，基于电子学器件进行微波信号测量由于受限于电子瓶颈和瞬时带宽的限制，很难实现宽频段覆盖范围、低误差的瞬时测量。微波光子学的兴起给瞬时微波频率测量开辟了一条新的思路。基于光子技术的瞬时微波频率测量具有宽频段覆盖范围，低误差，抗电磁干扰能力强等一系列优点，因此近几年瞬时微波频率的光子测量技术成为了一个研究热点。
就目前报道的情况来看，瞬时微波频率测量的光子技术方案大致可以划分为三类：
I、频率-空间映射型。在此方案中，微波频率信息被映射到空间位置上，因此这种方法也被称为信道化滤波器型测频。例如，微波信号输入到Bragg基元中生成声波，该声波频率的大小将改变Bragg基元的衍射率；当一束激光入射时，其偏转的衍射角随微波频率的大小不同而变化，运用光探测器检测光强的分布即可推算出衍射角度，即得到微波频率，但这种方法需要利用分离的器件形成体光栅和高精度探测器阵列，具行不易集成、振动稳定性差、成本高等缺点；
II、频率-时域映射型。频率-时域映射型测频方案借助时延介质将频率信息转换成时域功率分布，通过分析时域功率的分布获得频率信息。此方案的测量精度依赖色散介质的色散长度积，更重要的是此方案需要复杂的后台处理过程来界定光功率的阶跃变化；
III、频率-功率映射型。此方案的物理机制是将微波信号的频率信息转换成幅度(或功率)信息，通过检测幅度信息间接测量出待测频率值。
方案III与方案I和II相比，具有后台信息处理简单，成本低优点；但现有文献报道的功率映射型方案一般都采用外调制的方法，从而使测量系统具有偏振相关、插入损耗大等缺点；需要大的色散长度积来提高测量精度，使系统体积庞大、不易集成；同时由于采用多个激光光源，光源间功率的相对稳定性较难保证，所以使测量精度大幅度降低。
因此，如何实现高频段、紧凑、功率补偿、低插入损耗、偏振不相关的瞬时频率测量是亟需解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，以解决微波源低频、高相位噪声、不易精确调谐和高插入损耗问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，包括：
一接收天线1；
一微波功率放大器2，该微波功率放大器2的输入端与接收天线1连接；
一高速直调激光器3，从微波功率放大器2输出端输出的微波信号加载到高速直调激光器3上；
一环行器4，该环行器的第一端口A与高速直调激光器3连接；
一可调谐相移光栅5，该可调谐相移光栅5的一端与环行器的第二端口B连接；
一可调谐M-Z干涉仪6，该可调谐M-Z干涉仪6输入端与环行器4的第三端口C连接；
一第一高速光子探测器7，该第一高速光子探测器7与可调谐M-Z滤波器6的第一输出端E连接；
一第二高速光子探测器8，该第二高速光子探测器8与可调谐M-Z滤波器6的第二输出端F连接；
一比较器9，该比较器9的两个端口分别与第一高速光子探测器7和第二高速光子探测器8连接。
上述方案中，所述高速直调激光器3是微波封装的分布反馈半导体激光器，其中心波长位于光纤通信波长范围。
上述方案中，载波的功率是通过所述环行器4加所述可调谐相移光栅5压制的，或是通过F-P标准具压制。
上述方案中，所述可调谐相移光栅5写在光敏光纤上，或者是写在载氢的单模光纤上，其透射波长是通过温控或应力调谐的，所述可调谐相移光栅5的中心透射波长与所述高速直调激光器3的中心波长对准。
上述方案中，所述可调谐M-Z干涉仪6是通过应力或热控制实现调谐，使载波功率分别与可调谐M-Z滤波器6输出端口的峰值和谷值对准。
上述方案中，所述接收天线1接收到的微波信号经过微波功率放大器2后直接加载到高速直调激光器3上，从而在载波频率两侧产生携带微波频率信息的双边带，通过应力或热调谐相移光栅的透射谱线，使透射中心波长与载波波长对准，从而将载波功率压制。
上述方案中，由于可调谐M-Z滤波器6的双输出端口具有互补性，从而使第一高速光子探测器7和第二高速光子探测器8探测到的功率在一定范围内，随微波频率的变化呈相反的变化趋势，因此通过功率比较可以得到一个单调曲线，从而建立微波频率到功率单一映射关系，实现瞬时微波频率的测量。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用单一激光器代替了多个激光器，避免了由于多个激光器相对功率不稳定所带来的测量精度问题。
2、本发明利用高速直调激光器代替了激光器加调制器的结构，不但简化了系统结构，而且避免了由于调制器所带来的偏振相关、插入损耗高、成本高等问题。
3、本发明利用相移光栅压制载波功率，增大了测量的动态范围，提高了精度。
4、本发明利用可调M-Z调制器实现滤波功能，避免了公里级色散光纤所带来的不易集成和利用啁啾光栅的波纹所带来的精度下降问题。
附图说明
为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实例及附图对本发明做进一步的说明，其中：
图1是本发明提供的紧凑型瞬时微波频率光子测量系统方框示意图；
图2是光谱的演化示意图；
图3是滤波器滤波曲线和输出光谱示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，图1是本发明提供的紧凑型瞬时微波频率光子测量示意图，包括：
一接收天线1；
一微波功率放大器2，该微波功率放大器2的输入端与接收大线1连接；
一高速直调激光器3，从微波功率放大器2输出端输出的微波信号加载到高速直调激光器3上；
一环行器4，该环行器的第一端口A与高速直调激光器3连接；
一可调谐相移光栅5，该可调谐相移光栅5的一端与环行器的第二端口B连接；
一可调谐M-Z干涉仪6，该可调谐M-Z干涉仪6输入端与环行器4的第三端口C连接；
一第一高速光子探测器7，该第高速光子探测器7与可调谐M-Z滤波器6的第一输出端E连接；
一第二高速光子探测器8，该第二高速光子探测器8与可调谐M-Z滤波器6的第二输出端F连接；
一比较器9，该比较器9的两个端口分别与第一高速光子探测器7和第二高速光子探测器8连接。
其中，高速直调激光器3是微波封装的分布反馈半导体激光器，其中心波长位于光纤通信波长范围，从微波功率放大器输出端输出的微波信号加载到高速直调激光器3上；由于仅使用了单一激光器作为光源，避免了多个激光器相对功率不稳定所带来的测量不准确问题；同时由于利用了高速直调激光器代替了激光器加调制器的结构，不但简化了系统结构，而且避免了由于调制器所带来的偏振相关、插入损耗高、成本高、不易集成等问题。
载波的功率是通过所述环行器4加所述可调谐相移光栅5压制的，或是通过F-P标准具压制。可调谐相移光栅5写在光敏光纤上，或者是写在载氢的单模光纤上，其透射波长是通过温控或应力调谐的，所述可调谐相移光栅5的中心透射波长与所述高速直调激光器3的中心波长对准，该可调谐相移光栅是用来压制载波功率的；或者不用相移光栅而用高精度F-P标准具代替；由于将载波功率压制，从而增大了测量的动态范围，提高了测量精度。
可调谐M-Z干涉仪6是通过应力或热控制实现调谐，使载波功率分别与可调谐M-Z滤波器6输出端口的峰值和谷值对准；利用可调M-Z调制器6实现滤波功能，避免了公里级色散光纤所带来的不易集成和利用啁啾光栅的波动所带来的精度下降问题。
再参照图1，接收天线1接收到的微波信号经过微波功率放大器2后直接加载到高速直调激光器3上，从而在载波频率两侧产生携带微波频率信息的双边带。载波与边带的变化如图2所示。通过应力或热调谐相移光栅的透射谱线，使透射中心波长与载波波长对准，从而将载波功率压制。由于可调谐M-Z滤波器6的双输出端口具有互补性，因此第一高速光子探测器7接收到的功率随微波频率的增大而减小，而第二高速光子探测器8接收到的功率随微波频率的增加而增大，可调谐M-Z滤波器6E端口和F端口的滤波曲线以及输出边带谱线如图3所示。由于两高速光子探测器探测到的功率在一定范围内，随微波频率的变化呈相反的变化趋势，因此通过功率比较可以得到一个单调曲线，从而建立微波频率到功率单一映射关系，实现瞬时微波频率的测量。
本发明提供的这种紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，是一种功率不敏感、紧凑的瞬时微波频率光子测量系统。微波信号加载到了一个波长可调谐、直接调制激光器上，通过调谐激光器的直流偏置电压，使在载波频率两侧只产生携带微波频率信息的正负一阶边带，并利用可调谐相移光栅将载波功率压制；由可调谐M-Z滤波器滤波，并通过调谐滤波器的臂长，使载波波长分别对准滤波器两输出端口的峰值与谷值；由于两端口输出功率随微波频率的变化趋势相反，因此比较函数随微波频率在一定范围内单调变化，从而可实现瞬时微波频率的测量。
与现有的映射型瞬时微波频率测量技术相比，由于利用了直调激光器，避免了由于外调制所带来的损耗大、不易集成、高成本、偏振相关等缺点；由于利用单一的光源，补偿了多个光源所导致测量精度下降的问题；由于利用了相移光栅将载波功率压制，提高了探测的灵敏度和动态范围；由于利用滤波器输出功率的互补性，弥补了利用公里级色散补偿光纤所带来的体积庞大、不易集成的缺点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，其特征在于，包括：
一接收天线(1)；
一微波功率放大器(2)，该微波功率放大器(2)的输入端与接收天线(1)连接；
一高速直调激光器(3)，从微波功率放大器(2)输出端输出的微波信号加载到高速直调激光器(3)上；
一环行器(4)，该环行器的第一端口A与高速直调激光器(3)连接；
一可调谐相移光栅(5)，该可调谐相移光栅(5)的一端与环行器的第二端口B连接；
一可调谐M-Z干涉仪(6)，该可调谐M-Z干涉仪(6)输入端与环行器(4)的第三端口C连接；
一第一高速光子探测器(7)，该第一高速光子探测器(7)与可调谐M-Z干涉仪(6)的第一输出端E连接；
一第二高速光子探测器(8)，该第二高速光子探测器(8)与可调谐M-Z干涉仪(6)的第二输出端F连接；
一比较器(9)，该比较器(9)的两个端口分别与第一高速光子探测器(7)和第二高速光子探测器(8)连接。
2.根据权利要求1所述的紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，其特征在于，所述高速直调激光器(3)是微波封装的分布反馈半导体激光器，其中心波长位于光纤通信波长范围。
3.根据权利要求1所述的紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，其特征在于，载波的功率是通过所述环行器(4)加所述可调谐相移光栅(5)压制的，或是通过F-P标准具压制。
4.根据权利要求1所述的紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，其特征在于，所述可调谐相移光栅(5)写在光敏光纤上，或者是写在载氢的单模光纤上，其透射波长是通过温控或应力调谐的，所述可调谐相移光栅(5)的中心透射波长与所述高速直调激光器(3)的中心波长对准。
5.根据权利要求1所述的紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，其特征在于，所述可调谐M-Z干涉仪(6)是通过应力或热控制实现调谐，使载波功率分别与可调谐M-Z干涉仪(6)输出端口的峰值和谷值对准。
6.根据权利要求1所述的紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，其特征在于，所述接收天线(1)接收到的微波信号经过微波功率放大器(2)后直接加载到高速直调激光器(3)上，从而在载波频率两侧产生携带微波频率信息的双边带，通过应力或热调谐可调谐相移光栅的透射谱线，使透射中心波长与载波波长对准，从而将载波功率压制。
7.根据权利要求1所述的紧凑型瞬时微波频率光子测量系统，其特征在于，由于可调谐M-Z干涉仪(6)的双输出端口具有互补性，从而使第一高速光子探测器(7)和第二高速光子探测器(8)探测到的功率在一定范围内，随微波频率的变化呈相反的变化趋势，因此通过功率比较可以得到一个单调曲线，从而建立微波频率到功率单一映射关系，实现瞬时微波频率的测量。
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