CN101841376A - 一种具有宽带测量范围的光子型瞬时测频方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带测量范围的光子型瞬时测频方案。微波信号经载波抑制型单边带调制模块加载到具有不同输出波长的三个连续激光光源上，仅生成+1阶(或-1阶)光边带。此三个+1阶(或-1阶)光边带均分成两路，分别输入到两个相位解调模块中。第一个相位解调模块采用第一和第二激光波长，而第二个相位解调模块采用第一和第三激光波长，从而获得在频域上变化周期互为素数关系的两个相位值。依据这两个互为素数关系的相位值可以在频率区间(F＝F1×F2)内解调出唯一确定的微波频率。本发明方法在不改变测频精度的前提下成倍地扩大了测频范围。

Description

一种具有宽带测量范围的光子型瞬时测频方案

技术领域

本发明涉及微波光子学、微波检测领域，尤其是光子型测频技术。

背景技术

微波检测技术是微波设备和系统研究、生产、维护中不可缺少的测量手段和工具，涉及频率、幅度、信号类型、调制制式、到达方向等检测内容。目前，在微波技术和应用中采用和拟采用的微波频段不断攀升，因而频率测量面临着巨大的挑战和难得的机遇：即需要在宽带范围内对待测微波信号的频率进行快速检测。近年来，以微波光子学的兴起为契机，光子型瞬时测频技术逐渐成为研究的热点，具体优势体现在瞬时带宽大、频率相关性损耗低、抗电磁干扰能力强等方面。

就目前的研究进展而言，基于光功率检测的频率-幅度(功率)映射型瞬时测频方案是主要光子型测频技术之一。在这种类型方案中，一种技术路线就是采用光梳状滤波器将微波频率信息转换成光功率，进而从光功率比值中解调出频率值(H.Chi，X.Zou，and J.Yao，“Anapproach to the measurement of microwave frequency based on opticalpower monitoring，”IEEE Photonics Technology Letters，vol.20，no.14，pp.1249-1251，2008；X.Zou，H.Chi，and J.Yao，“Microwave frequencymeasurement based on optical power monitoring using a complementaryoptical filter pair，”IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，vol.57，no.2，pp.505-511，2009)。另一种技术路线就是采用光域混频方式将微波频率信息转换成直流信号，进而估算出频率值(H.Emami，N.Sarkhosh，L.A.Bui，and A.Mitchell，“Amplitudeindependent RF instantaneous frequency measurement system usingphotonic Hilbert transform，”Optics Express，vol.16，no.18，pp.13707-13712，2008；L.A.Bui，M.D.Pelusi，T.D.Vo，N.Sarkhosh，H.Emami，B.J.Eggleton，and A.Mitchell，“Instantaneous frequencymeasurement system using optical mixing in highly nonlinear fiber，”Optics Express，vol.17，no.25，pp.22983-22991，2009)。

需要指出的是：上述两种技术路线都需要在两个光波长处引入相对时延量来实施测频，测量范围或测量分辨率因而受到相对时延量的限制：相对时延量越大，测量范围越小，而测量分辨率越高；反之，测量范围越大，而测量分辨率越低。为有效地缓解已有方案中相对时延量对测频范围和测量分辨率的限制，从而同时改善光子型测频方案的测量范围和测量分辨率，本发明给出了一种具有宽带测量范围的瞬时频率测量方案。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种具有宽带测量范围的光子型瞬时测频方案，在不改变测量分辨率的前提下成倍地扩大测量范围，使之充分发挥光子技术在宽带瞬时性能上的优势。

本发明的目的通过如下手段来实现。

待测微波信号输入到载波抑制型单边带调制模块中，并在小信号调制下同时加载到具有不同输出波长的三个连续激光光源上，生成三个+1阶(或-1阶)光边带；这三个+1阶(或-1阶)光边带平均耦合到两个相位解调模块中；这两个相位解调模块中各有一个差分群时延元件，对应不同的差分群时延量，而且在给定测量分辨率下，两个差分群时延量形成的梳状滤波谱所对应的自由频率区(F1和F2)互为素数关系。对+1阶(或-1阶)光边带进行梳状滤波、以及对光功率进行检测和比对后，在第一个相位解调模块中：第一个激光波长处得到的光功率比值与微波频率成余弦函数对应关系，第二光源波长处得到的光功率比值与微波频率成正弦函数对应关系，进而由这两个光功率比值推算出与微波频率相关的第一个相位值；同理，在第二个相位解调模块中：第一个光源波长处得到的光功率比值呈余弦函数变化趋势，第三光源波长处得到的光功率比值呈正弦函数变化趋势，由这两个光功率比值推算出与微波频率相关的第二个相位值。由于相位值在频域上的变化周期即为各自相位解调模块中梳状滤波谱的自由频率区，因而这两个相位值在频域上的周期亦互为素数关系；利用这两个相位值对待测微波频率进行解调，可以在宽带测量范围内(F1×F2)确定唯一的频率值。

经过以上设计后，本发明方法具有如下优点：在频率-幅度映射过程中，测频范围和测量分辨率不再同时受限于差分群时延量；因而在不降低测量分辨率的前提下，测频范围扩展为两个差分群时延量所对应的自由频谱区的乘积(F1×F2)，在不改变测频精度的前提下成倍地扩大了测频范围。

附图说明如下：

图1.本发明方案的系统框图。

图2.相位解调模块的结构框图：(a)相位解调模块1和(b)相位解调模块2。

图3.相位解调模块1的梳状滤波谱及光边带滤波的示意图。

图4.在相位解调模块1中，与频率变化对应的相位-光功率比值映射示意图：(a)第一激光波长λ₁处的余弦映射关系；(b)第二激光波长λ₂处的正弦映射关系。

图5.在相位解调模块2中，与频率变化对应的相位-光功率比值映射示意图：(a)第一激光波长λ₁处的余弦映射关系；(b)第三激光波长λ₃处的正弦映射关系。

图6.本发明方案中的微波频率解调示意图：(a)相位值θ₁与微波频率的映射关系；(b)相位值θ₂与微波频率的映射关系；(c)相位值θ₁和θ₂同时对应的微波频率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由三个连续激光光源100、200、300，两个耦合器400、600，载波抑制单边带调制模块500，两个相位解调模块700、800，和一个查表运算900构成。

三个激光光源100、200、300的输出光信号(波长分别为λ₁，λ₂，λ₃)同时耦合进载波抑制单边带调制模块500中，待测的微波信号(其频率为f)对它们进行小信号调制，仅得到+1阶(或-1阶)光边带；位于三个不同波段的+1阶(或-1阶)光边带被耦合器600均分成两路，分别注入到两个相位解调模块(700和800)中。如图2所述，相位解调模块1(700)由耦合器701，差分群时延元件1(702)，检偏器703，波分复用器704和705，四个光功率计706～709，两个除法模块710和711，以及一个相位推算单元712组成。三个+1阶(或-1阶)光边带输入到700模块后又被分成两路传输。上部支路包括差分群时延元件1(702，对应的差分群时延值为τ₁)，形成一个梳状滤波谱，其自由频谱区为F₁＝1/τ₁；如图3所示：波长λ₁设定在梳状滤波谱的波峰位置，经滤波后+1阶(或-1阶)光边带携带的光功率随微波频率增大呈现余弦函数变化趋势，即P₁∝[1+cos(2πfτ₁)]；波长λ₂设定在梳状滤波谱波峰-波谷之间的中间位置，经滤波后+1阶(或-1阶)光边带携带的光功率随微波频率增大呈现正弦函数变化趋势，即P₂∝[1+sin(2πfτ₁)]；经由波分复用器704将波长λ₁和λ₂处的+1阶(或-1阶)光边带取出并分离开，然后利用光功率计706和707检测滤波后+1阶(或-1阶)光边带的功率。在下部支路中，不经过滤波，直接以波分复用器705将波长λ₁和λ₂处的+1阶(或-1阶)光边带分离开，亦将它们携带的功率检测出来。这里，两个波长λ₁和λ₂相距至少一个完整测量范围以上，因此两个波长处的+1阶(或-1阶)光边带不会混迭。将上、下支路的波长λ₁和λ₂处检测的光功率进行除法运算，消除微波功率因素的影响，因而得到了与微波频率相关的两个光功率比值：

R₁₁＝[1+cos(2πfτ₁)]＝[1+cos(θ₁)](1)

R₁₂＝[1+sin(2πfτ₁)]＝[1+sin(θ₁)](2)

其中相位值θ₁＝2πfτ₁，这一相位值θ₁与光功率比值的对应关系如图4，根据光功率比值R₁₁和R₁₂即可推算出θ₁(0≤θ₁＜2π)。

${\mathrm{\&theta;}}_1=\left\{\begin{array}{cc}\arccos [R_{11}-1],& R_{12}\&GreaterEqual;1\\ 2\mathrm{\&pi;}-\arccos [R_{11}-1],& R_{12}<1\end{array}\right.---\left(3\right)$

需要指出的是，在本发明方案中同样可以构建另外三种光功率比值组合[1+cos(θ₁)]和[1-sin(θ₁)]、[1-cos(θ₁)]和[1+sin(θ₁)]、[1-cos(θ₁)]和[1-sin(θ₁)]来推算相位值，亦是方案的内容，在此就不重复叙述了。同理，在相位解调模块2中(800，其中差分群时延元件的差分群时延值为τ₂，对应自由频谱区为F₂＝1/τ₂)，光功率比值与微波频率和相移值θ₂(0≤θ₂＜2π)对应关系见(4)～(6)式，以及图5。

R₂₁＝[1+cos(2πfτ₂)]＝[1+cos(θ2₎](4)

R₂₂＝[1+sin(2πfτ₂)]＝[1+sin(θ₂)](5)

${\mathrm{\&theta;}}_2=\left\{\begin{array}{cc}\arccos [R_{21}-1],& R_{22}\&GreaterEqual;1\\ 2\mathrm{\&pi;}-\arccos [R_{21}-1],& R_{22}<1\end{array}\right.---\left(6\right)$

由于相位空间的周期性，相位解调模块700和800输出的相位值θ₁和θ₂随着频率增大呈现周期性分布规律，其频域上的周期分别为差分群时延元件702和802所对应的自由频谱区(即F₁和F₂)，相当于单个差分群时延元件对应的瞬时测频范围(F₁/2或F₂/2)的两倍，见图6(a)和6(b)。以给定的测量分辨率为单位，单个差分群时延元件提供的自由频谱区F₁和F₂互为素数关系；结合θ₁和θ₂，两个相位值与频率的映射关系如图6(c)，进而以θ₁和θ₂同时查表来解调微波频率，可以在频率范围(F₁×F₂)得到由θ₁和θ₂确定的唯一微波频率。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).在推算与微波频率相关的相位值过程中，两个激光波长分别置于梳状滤波谱的波峰和波峰-波谷之间的中间位置，经光功率检测和对比后分别得到与微波频率成余弦关系和正弦关系的两个光功率比值，进而从这两个光功率比值中推算出微波频率对应的相移值，位于整个0～2π范围内。2).两个相位解调模块中采用的差分群时延量对应的自由频谱区分别为F₁＝1/τ₁和F₂＝1/τ₂；以给定的测量分辨率为单位，F₁和F₂互为素数关系，等效于两个相位解调模块输出的相位值在频域上的周期互为素数关系；借助于此素数关系，同时以两个相位解调模块的输出相位值对微波频率进行解调，可以在宽带频率范围(F₁×F₂)得到唯一的频率值，从而成倍地扩展了测频范围。3).相位值的推算过程仅与单个差分群时延量相关，因而在测量范围扩大的同时测量分辨率基本不改变，极大地缓解了测频范围和测量分辨率之间的互相制约关系。

以上所陈述的仅仅是本发明方案的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方案实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色(比如检测-1阶光边带携带的光功率，采用基于波导长度差的梳状滤波器等)也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种具有宽带测量范围的光子型瞬时测频方案，基于主要由三个连续激光光源、一个载波抑制单边带调制模块、两个相位解调模块构成的频率检测装置；频率检测方法包括：频率待测的微波信号施加到载波抑制单边带调制模块中，对所述的三个激光光源进行小信号调制，在三个波长处各自生成一个正一阶光边带；所述的三个正一阶光边带都均分为两部分，分别注入到两个相位解调模块中，得到两个与频率相关的相位值；结合所述的两个相位值进行频率解调，在宽带测频范围内解调出唯一确定的微波频率值。

2.根据权利要求1所述之一种具有宽带测量范围的光子型瞬时测频方案，其特征在于，所述每个相位调制模块同时基于两个激光波长进行工作，并且利用差分群时延元件构成光梳状滤波谱，进而对两个波长处的正一阶光边带进行滤波；第一个激光波长置于所述的梳状滤波谱中的波峰，经滤波后光边带的功率随着频率增大而呈现余弦函数型变化规律；第二个激光波长远离第一个激光波长至少一个测频范围以外，并置于所述的梳状滤波谱中波峰-波谷的中间点，经滤波后光边带的功率随着频率增大而呈现正弦函数型变化规律；以波分复用器将两波长处的正一阶光边带分离开，分别检测和对比光功率，进而得到与微波功率无关的两个光功率比值：第一个光功率比值与频率成余弦函数关系，第二个光功率比值与频率成正弦函数关系，从所述的两个光功率比值中解调出微波频率对应的相位值，位于0～2π区间。

3.根据权利要求1所述之一种具有宽带测量范围的光子型瞬时测频方案，其特征在于，所述两个相位解调模块中的差分群时延元件拥有不同的差分群时延值；以给定的测量分辨率为基本单位，所述两个差分群时延值对应的自由频谱区互为素数关系，相当于两个相位解调模块的输出相位值随微波频率变化的周期互为素数关系；基于此素数关系，以所述的两个相位值在所述的两个自由频谱区乘积所覆盖的频率范围内解调出唯一确定的微波频率值。

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