CN101915873B - 采用正交光功率比值的单波长型微波测频方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用正交光功率比值的单波长型微波测频方案。在此方案中，微波信号经载波抑制单边带调制模块加载到一个连续激光光源的输出光信号上，仅生成单个一阶光边带；此光边带同时输入到由同一个高双折射元件构建的两个梳状滤波器中。经滤波、检测和对比之后，分别获得与微波频率成余弦函数关系和正弦函数关系的两个光功率比值，即正交光功率比值。结合两个正交光功率比值可以在梳状滤波响应的整个自由频谱区内解调出唯一的频率值。本发明以单个光源、单个高双折射元件构建了采用正交光功率比值的微波测频方案，以精简的装置在整个自由频谱区内实现测频，并在设计组合结构型测频装置中有着广泛的应用前景。

Description

采用正交光功率比值的单波长型微波测频方案

技术领域

本发明涉及微波光子学、微波检测领域，尤其是光子型微波测频技术。

背景技术

随着微波光子学的兴起，以光子技术生成、传输、处理微波信号逐渐成为研究热点。以光子技术型微波测频为例，其在宽带瞬时性能、低损耗、抗电磁干扰方面有着明显的优势。就目前的研究进展分析，基于光功率检测的测频方案具有较大的竞争优势，因其仅需要低速的光电探测器。这一类型方案大部分采用信道滤波器、光域混频效应、以及光梳状滤波器来获取频率信息。

以采用光梳状滤波器型方案为研究和分析对象：光梳状滤波器依照滤波响应将微波频率信息映射成光功率，进而从光功率比值中解调出频率值，诸如：(1).H.Chi，X.Zou，and J.Yao，“An approach to themeasurement of microwave frequency based on optical powermonitoring，”IEEE Photonics Technology Letters，vol.20，no.14，pp.1249-1251，2008；(2).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；(3).M.V.Drummond，P.Monteiro，and R.N.Nogueira，“Photonic RF instantaneous frequencymeasurement system by means of a polarization-domain interferometer，”Optics Express，vol.17，no.7，pp.5433-5438，2009。

需要指出的是：由于在同一个自由频谱区内，光功率比值的一个数值可能对应二个频率值，从而导致测频模糊；因而上述三种已报道的测频方案的测量范围都限制在梳状滤波响应的半个自由频谱区内；这一方面限制了测频范围，另一方面也导致无法构建级联结构等组合型测频结构。为有效地突破半个自由频谱区的测频范围限制，提高测频范围以及测频结构设计的灵活性，本发明公布了一种新颖的测频方案。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在以一种简洁的装置提供在整个自由频谱区内都能有效工作的测频方案，从而扩大测量范围，以及提高结构设计的灵活性。

本发明的目的通过如下手段来实现。

采用正交光功率比值的单波长型微波测频方案，基于主要由一个激光光源、一个载波抑制单边带调制模块、一个梳状滤波器模块、以及一个频率解调模块构成的频率测量装置。

实际执行的过程为：待测微波信号经载波抑制单边带调制模块中加载到一个连续激光光源上对输出光信号进行调制，生成单个一阶光边带；这个光边带同时耦合进入由同一个高双折射元件构成的两个梳状滤波器中。经滤波、光功率检测和对比后，针对第一个梳状滤波器，获得的光功率比值与微波频率成余弦函数对应关系；针对第二个梳状滤波器，获得的光功率比值与微波频率成正弦函数对应关系，即得到了两个具有正交关系的光功率比值。结合这两个正交光功率比值，消除单个光功率比值对应二个频率值的可能性(即测频模糊)，进而在梳状滤波响应的整个自由频谱区内检测出唯一确定的频率值。

经过上述设计后，本发明具有如下优点：采用单个光源和单个高双折射元件即可实现基于正交光功率比值的微波测频，简化了测频方案或装置的复杂度；在具有相同的自由频谱区的梳状滤波响应下，测频范围扩展为整个自由频谱区，既扩大了测频范围，又为测频结构的设计提供了更大的自由度。

附图说明如下：

图1.本发明方案的系统框图。

图2.采用同一高双折射元件构建两个梳状滤波器的结构示意图。

图3.正交梳状滤波响应：(a)第一个滤波器的输出端；(b)第二个滤波器的输出端。

图4.本发明实施范例中构建的两个梳状滤波器的正交梳状滤波响应。

图5.正交光功率比值随微波频率增长的变化趋势。

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，本发明方案由连续激光光源10，载波抑制单边带调制模块20，光耦合器30，梳状滤波器模块40，参考臂50，三个低速光电探测器60、70、80，和频率解调模块90构成。

激光光源10的输出光进入载波抑制单边带调制模块20，待测微波信号(频率为f)对其进行小信号调制，仅得到单个一阶光边带；此单个光边带经过耦合器30同时注入到梳状滤波器模块40和参考臂50中。如图2所述，梳状滤波器模块40由一个高双折射元件402，三个偏振控制器401、404、405，一个耦合器403，以及两个检偏器406、407组成。单个光边带输入到40模块后，经偏振控制器401的调整，以与高双折射元件快轴(或慢轴)成45°角的偏振方向入射到高双折射元件中，引入相对时延。从高双折射元件402出射的光信号经耦合器403分成两路：一路通过偏振控制器404和检偏器406，另一路则通过偏振控制器405和检偏器407。以404和405分别调整光信号入射到406和407中的偏振态方向和初始相位，从而在模块40的两个输出端(定义为：第一个滤波器的输出端和第二个滤波器的输出端)各自得到两个梳状滤波响应。由于两个滤波器是通过同一个高双折射元件来构建的，仅仅在初始相位上有所区别；借助404和405调整初始相位，因而在两个输出端口分别得到两个正交的梳状滤波响应；如图3所述，在第一个滤波器的输出端的滤波响应可视为余弦函数型，在第二个滤波器的输出端的滤波响应可视为正弦函数型，对应的自由频谱区为F。由于这两个梳状滤波器是本发明方案的关键器件，作为一个实施范例：以一段高双折射光纤作为高双折射元件设计梳状滤波器模块40，在其两个输出端口得到两个梳状滤波响应，如图4：它们的自由频谱区(45GHz)完全一致，而且滤波响应互为正交关系。

回到图3，将光源的波长λ₀置于第一个滤波响应的波峰位置，从而经滤波后光边带携带的功率随微波频率增大呈现余弦函数变化趋势；与此同时，由于两个滤波响应的正交关系，波长λ₀位于第二个滤波响应的3dB位置点，经滤波后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。

参考臂中不存在梳状滤波器，在其输出端检测的光功率作为参考功率P₀，用于消除微波功率和光功率波动的影响。将第一个滤波器的输出端的光功率P₁及第二个滤波器的输出端的光功率P₂与参考光功率P₀进行比较后，得到两个光功率比值，K₁与K₂。如公式(1)和图5所述：随着微波频率的增大，K₁呈现余弦函数趋势，而K₂呈现正弦函数趋势，即得到两个互为正交关系的光功率比值。

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=[1+\cos (2\mathrm{\πf}/F)]/2\\ K_2=[1+\sin (2\mathrm{\πf}/F)]/2\end{array}\right.---\left(1\right)$

另外，由图5不难看出，无论是光功率比值K₁，还是光功率比值K₂在一个周期内(相当一个自由频谱区内)，同一个光功率比值都有可能对应着两个频率值，将会导致测频模糊。为消除测频模糊，在频率解调模块90中联合两个正交光功率比值进行频率解调：

$f=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\arccos (2K_1-1)}{2\mathrm{\&pi;}}\&times;F,& K_2\&GreaterEqual;0.5\\ [1-\frac{\arccos (2K_1-1)}{2\mathrm{\&pi;}}]\&times;F,& K_2<0.5\end{array}\right.---\left(2\right)$

因而，以光功率比值K₂作为判决条件实现了频率测量和频率解调的唯一性，即在整个自由频谱区内可以确定唯一的微波频率值。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).采用单个激光光源和具有正交滤波响应的两个梳状滤波器来构建两个正交光功率比值，然后结合两个正交光功率比值在整个自由频谱区内实现测频的唯一性，既简化了测频结构，又扩大了测频范围；此外，还有利于以简洁的结构去实现组合结构型测频方案，可以获得更优的测频性能。2).两个梳状滤波器基于同一个高双折射元件来构建，只是通过调整偏振控制器来获得不同的初始相位，从而保证能够得到自由频谱区完全一致、但互为正交关系的两个梳状滤波响应。

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也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种采用正交光功率比值的单波长型微波测频方法，基于主要由一个激光光源、一个载波抑制单边带调制模块、一个梳状滤波器模块、以及一个频率解调模块构成的频率测量装置；待测微波信号施加到载波抑制单边带调制模块中对所述激光光源的输出光信号进行小信号调制，生成单个一阶光边带；单个一阶光边带同时输入到梳状滤波器模块的两个梳状滤波器中；采用同一个高双折射元件为所述两个梳状滤波器引入相对时延，然后利用不同的偏振控制器和检偏器在所述的两个梳状滤波器的滤波响应之间引入90°的相移；从而获得的两个梳状滤波器的梳状滤波响应互为正交关系，但自由频谱区大小完全一致；将激光光源波长置于所述的两个梳状滤波响应的第一个梳状滤波响应的波峰位置，经滤波后单个一阶光边带携带的光功率随频率增大而呈现余弦函数型变化规律；与此同时，激光光源波长对应两个梳状滤波响应的第二个梳状滤波响应的3dB位置，经滤波后单个一阶光边带携带的光功率随频率增大而呈现正弦函数型变化规律；将两个单个一阶光边带携带的光功率与参考光功率进行比较，分别得到余弦函数型和正弦函数型两个正交光功率比值；结合所述的两个正交光功率比值进行频率解调，在梳状滤波响应的整个自由频谱区内检测出唯一确定的频率值。

2.根据权利要求1所述之一种采用正交光功率比值的单波长型微波测频方法，其特征在于，利用余弦函数型光功率比值以反函数的形式推算出初始频率值，利用正弦函数型光功率比值作为判决条件来修订初始频率值，消除在整个自由频谱区内的测频模糊。

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