CN102156221B - 一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置及方法。所述装置包括激光器，光子集成回路，第一光电探测器，第二光电探测器和微波幅度比较及信号处理模块。所述方法如下：激光进入集成回路后，分成上下两路，分别受微波信号控制获得相反的相位调制。上路信号与部分下路信号合光后形成强度信号a；剩余下路信号经波导光栅转换成强度信号b。两信号a和b经光电探测器后进行幅度比较。由于波导光栅的响应设计为线性，被监测参数与微波频率具有单一映射关系（正比），从而实现待测信号频率的瞬时测量。本装置在给定测量精度下具有最大测量范围，校准仅需单频源，可测量脉冲信号的中心频率。本发明具有体积小、可靠性高、复杂度低等优点。

Description

一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及微波光子学、微波检测领域，更具体的说是涉及一种光子型微波频率瞬时测量技术。 

背景技术

微波频率的瞬时测量是电子对抗和微波检测的关键技术之一，可用于雷达信号和通信信息的截取和窃听、电子干扰和反干扰等。传统的电子学微波频率测量系统由于受到电子瓶颈和带宽的限制，难以实现宽频带的瞬时测量。此外，电子学方法还有着体积大、功耗高、易受电磁干扰等缺陷。为了克服电子学方法的缺点，光子型微波频率瞬时测量系统被提出并逐渐成为研究的热点。受益于光器件的大带宽和低损耗，光子型微波频率测量有着测量范围大、插入损耗低、体积小、重量轻、抗电磁干扰和实时测量等突出优点。 

就目前的研究进展来看，主流的光子型微波频率瞬时测量技术大致有三类：频率-空间映射型测频方案；频率-时域映射型测频方案；频率-功率映射型测频方案。相比第一种方案把频率映射到空间位置或第二种方案把频率信息转换为时域功率分布，第三种频率-功率映射型测频方案主要是利用功率比较函数随微波频率的单一变化关系，实现较宽的测频范围(大于20GHz)以及较高的测量分辨率(小于200MHz)。这种方法后台处理简单，成本低，因而成为了光子型微波频率瞬时测量的主要技术之一。 

但是现有文献报道的频率-功率映射型测频系统，监测参数和微波频率都是复杂函数关系，亦即在不同频率处，功率比较函数的斜率是不同的。而该斜率决定了测量精度。由于任何测量系统的动态范围(最大可测量功率与最小可分辨功率比值)都是有限的，在给定测量精度下，只有监测参数与微波频率成正比(或线性函数)时，测量范围在理论上才是最大的。同时，只有基于线性比较函数的测量系统，才能从监测参数中直接反演出脉冲信号的中心频率，避免复杂且精度有限的查表操作。此外，任何测量系统都会受到环境的影响而需要校准，基于线性比较函数的测量系统在校准时仅需要确定单个参数(即比较函数的斜率)，因此只需配置单一频率的标准源。之前，我们曾经报道过一种监测参数与微波频率成正比的光子型测频方案(S.L.Pan and J.P.Yao，″Instantaneousphotonic microwave frequency measurement with a maximized measurement range，″2009 IEEE International Topical Meeting on Microwave photonics，paper Fr 4.3.)。但该方案是基于分立光电器件的，如光电偏振调制器、起偏器和光带通滤波器等。这种方案具有着调节参数多、实施复杂、体积大、可靠性低、成本高等缺点。为了有效克服已有方案的缺点，本发明给出了一种监测参数与微波频率成正比的基于光子集成回路的微波频率瞬时测量方案。 

发明内容

鉴于已有方案的不足，本发明旨在提供一种监测参数与微波频率成正比的微波频率瞬时测量装置，并将核心器件单片集成。在给定测量精度要求下使得测频范围最大化，同时利用光子集成回路降低了操作复杂度、减小了装置尺寸、提高了系统的可靠性并大幅降低了装置的成本。 

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 

本发明一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置，其特征在于包括： 

激光器； 

光子集成回路，该光子集成回路包含了一个马赫-曾德尔强度调制器和一个波导光栅，其中波导光栅与强度调制器的下臂连接；该光子集成回路的第一端口A与激光器连接，第二端口B提供待测微波信号输入； 

第一光电探测器，该第一光电探测器与光子集成回路的第三端口C连接； 

第二光电探测器，该第二光电探测器与光子集成回路的第四端口D连接； 

微波幅度比较及信号处理模块，该微波幅度比较及信号处理模块的两个端口分别与第一光电探测器和第二光电探测器连接。 

一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置的测量方法如下： 

采用激光器输出连续波经光子集成回路的光输入端口A进入光子集成回路，将连续波分成上下两路；将待测微波信号从光子集成回路的微波输入端口B输入，对上下路的激光连续波进行相反的相位调制；上路相位调制信号与部分下路相位调制信号合光后形成强度信号a，从光子集成回路的光输出端口C输出；与此同时，下路相位调制信号的剩余部分经过波导光栅，转换成强度信号b，从光子集成回路的光输出端口D输出；强度信号a和强度信号b对应经过第一、第二光电探测器转变为电信号；电信号经过微波幅度比较及信号处理模块得到频率信息。 

微波幅度比较及信号处理模块只需存储幅度比较函数，并根据监测参数直接进行数学反演，从而得到微波频率值。 

波导光栅在装置工作波段的频率响应设计为线性。 

本发明具有以下有益效果： 

1.本发明将核心光器件单片集成，降低了操作复杂度、减小了装置尺寸、提高了系统的可靠性并大幅降低了装置的成本。 

2.本发明采用相位调制由马赫-曾德尔调制器一个调制臂提供的新方案，避免了两个调制器频率响应不匹配造成的监测函数随频率抖动，保证了幅度比较函数的线性，并提高了测量精度。 

3.本发明采用具有线性频率响应的波导光栅，保证了幅度比较函数和待测频率成线性关系，在给定测量精度要求下使得测量范围最大化。 

附图说明

图1为本发明提供的基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置的框图。 

图2为本发明装置中波导光栅的频率响应。 

图3为本发明装置波导光栅进行相位调制到强度调制转换的示意图。 

图4为微波幅度比较及信号处理模块的示意框图。 

图5为本发明装置中的幅度比较函数。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、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作进一步的详细说明。 

图1为本发明提供的基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置的框图，由一个激光器100、一个光子集成回路200，两个光电探测器300，400，和一个微波幅度比较及信号处理模块500构成。光子集成回路200中集成了一个马赫-曾德尔强度调制器和一个波导光栅。马赫-曾德尔强度调制器的一个调制臂被分成两路，其中一路与另一调制臂耦合用于形成强度调制，另一路与波导光栅链接。波导光栅在工作波段的频率响应设计为线性。一个典型的频率响应如图2所示。相位调制和波导光栅滤波形成了微分的功能，使信号幅度的相对衰减量与其中心频率成正比；将该信号的幅度与普通强度调制信号的幅度相比较，得到被监测参数与微波频率成正比的单一映射关系，实现微波频率的瞬时测量。微波幅度比较及信号处理模块500只需存储幅度比较函数，并根据监测参数直接进行数学反演，从而得到微波频率值。装置中所需的光器件，亦即强度调制器、相位调制器和波导光栅被集成在单个光子集成回路200中。相位调制和强度调制同时由光子集成回路200中的马赫-曾德尔强度调制器提供。波导光栅在装置工作波段的频率响应设计为线性。 

根据图2所示的频率响应，为了保证最大的测量范围，激光器100的波长设置为ω_c，则其输出的连续波的表达式为E₁＝E₀exp(jω_ct)，其中E₀为连续波的幅度。在光子集成回 路200中，该连续波分成上下两路，受待测微波的控制获得相反的相位调制，其表达式分别为 

$E_u=\sqrt{\mathrm{\γ}}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\exp \left(\mathrm{j\β}\sin \mathrm{\Ωt}\right)---\left(1\right)$

$E_d=j\sqrt{1-\mathrm{\γ}}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\exp (-\mathrm{j\β}\sin \mathrm{\Ωt})---\left(2\right)$

其中γ为马赫-曾德尔强度调制器的输入耦合器的分光比，β是相位调制系数，Ω是待测微波信号的角频率。在小信号调制下，将E_u和E_d的表达式利用第一类贝塞尔函数展开为 

$E_u\≈\sqrt{\mathrm{\γ}}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)J_1\left(\mathrm{\β}\right)[1+\exp \left(\mathrm{j\Ωt}\right)-\exp (-\mathrm{j\Ωt})]---\left(3\right)$

$E_d\≈\sqrt{1-\mathrm{\γ}}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)J_1\left(\mathrm{\β}\right)[1-\exp \left(\mathrm{j\Ωt}\right)+\exp (-\mathrm{j\Ωt})]---\left(4\right)$

J_n(x)代表了n阶贝塞尔函数。 

上路相位调制信号与下路相位调制信号的一部分合光后形成强度信号a，当信号a送入光电转换器300进行平方检波，得到交流项的数学表达式为 

I₁＝|E_u|²+(1-χ)|E_d|²≈(1-χ)(1-γ)R₁|E₀|J₁(β)sin(Ωt)    (5) 

其中χ为马赫-曾德尔强度调制器下臂输出耦合器的分光比，R₁是和链路中的光损耗以及第一光电探测器300响应有关的参数。 

下路相位调制信号的剩余一部分经过波导光栅。当相位调制信号经过光栅滤波器的线性频响区域时会转换成强度信号(J.P.Yao，F.Zeng，and Q.Wang，″Photonic generation ofultrawideband signals，″J.Lightwave Technol.，vol.25，no.11，pp.3219-3235，Nov.2007.)，其原理如图3所示。考虑到激光器100的波长设置为ω_c，则得到的强度信号b的电场表达式为 

$E^{\′}\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\χ}(1-\mathrm{\γ})}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\{K({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_0)+J_1\left(\mathrm{\β}\right)[K({\mathrm{\ω}}_c+\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\ω}}_0)e^{\mathrm{j\Ωt}}-K({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\ω}}_0)e^{-\mathrm{j\Ωt}}\left]\right\}---\left(6\right)$

其中K是波导光栅线性响应的斜率(取K＞0)，ω₀是波导光栅频率响应左端零点的角频率。当信号b送入光电转换器400进行平方检波，得到交流项的数学表达式为 

I₂＝|E′|²≈R₂χ(1-γ)|E₀|²K²J₁(β)(ω_c-ω₀)ΩsinΩt    (7) 

其中R₂是和链路中的光损耗以及第一光电探测器400响应有关的参数。 

将上述操作得到的两电信号I₁和I₂的幅度比较，可得到幅度比较函数 

ACF(Ω)＝I₂/I₁≈χR₂/(1-χ)R₁K²(ω_c-ω₀)Ω＝kΩ    (8) 

上式中χ、R₁、R₂、K、ω_c、ω₀一旦设定，在一定时间里可保持不变，故k可在测量前即可确定。这说明本发明装置的幅度比较函数正比于待测的微波频率。通过监测幅度 比较值，并利用事先确定的线性函数斜率，可直接反演出待测信号的频率信息，实现微波频率的瞬时测量。一旦激光器、链路及光电探测器的任何参数发生变化，可以利用单频微波源进行校准，得到准确的k。 

值得指出的是，在其他测频方案中，相位调制和强度调制一般由两个调制器提供，这会使得I₁和I₂表达式中β随频率变化，从而在幅度比较函数中引入抖动，降低测量的精度。由于本装置中相位调制由马赫-曾德尔调制器一个调制臂提供的新方案，避免了两个调制器频率响应的不匹配，保证了幅度比较函数的线性，并提高了测量精度。 

根据以上推导，利用图2中所示的频率响应，可以得出本装置的典型幅度比较函数如图5所示。 

以上幅度比较以及频率信息反演在本装置中由微波幅度比较及信号处理模块500实现。一个典型的微波幅度比较及信号处理模块的示意框图如图4所示，包括两个检波器对数视频放大器501，502，减法器503，除法器504，506(分别除以2和k)，指数函数运算器505。相比其他方案的微波幅度比较及信号处理模块，本装置无需复杂的查表运算。 

综上，本发明提供的这种监测参数与微波频率成正比的基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置是一种体积小、可靠性高、复杂度低的测量系统。装置的核心为一个光子集成回路，其内集成了一个马赫-曾德尔强度调制器和一个波导光栅。本装置在给定测量精度下具有最大测量范围，校准仅需单频源，可测量脉冲信号的中心频率。 

以上所述的具体实施例，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在不脱离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 (4)

1.一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置，其特征在于包括：

激光器 （100）；

光子集成回路（200），该光子集成回路（200）包含了一个马赫-曾德尔强度调制器和一个波导光栅，其中波导光栅的一端与马赫-曾德尔强度调制器的下臂连接，波导光栅的另一端与光子集成回路（200）的第四端口D连接；该光子集成回路（200）的第一端口A与激光器（100）连接，将待测微波信号从光子集成回路（200）的微波输入端口B输入；

第一光电探测器（300），该第一光电探测器（300）与光子集成回路（200）的第三端口C连接；

第二光电探测器（400），该第二光电探测器（400）与光子集成回路（200）的第四端口D连接；

微波幅度比较及信号处理模块（500），该微波幅度比较及信号处理模块（500）的两个端口分别与第一光电探测器（300）和第二光电探测器（400）连接。

2.一种如权利要求1所述的一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置的测量方法，其特征在于所述方法如下：

采用激光器（100）输出连续波经光子集成回路（200）的第一端口A进入光子集成回路（200），将连续波分成上下两路；将待测微波信号从光子集成回路（200）的微波输入端口B输入，对上下路的激光连续波进行相反的相位调制；上路相位调制信号与部分下路相位调制信号合光后形成强度信号a，从光子集成回路（200）的第三端口C输出；与此同时，下路相位调制信号的剩余部分经过波导光栅，转换成强度信号b，从光子集成回路（200）的第四端口D输出；强度信号a和强度信号b分别对应经过第一光电探测器（300）、第二光电探测器（400）转变为电信号；电信号经过微波幅度比较及信号处理模块（500）得到频率信息。

3.根据权利要求2所述的基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置的测量方法，其特征在于，微波幅度比较及信号处理模块（500）只需存储幅度比较函数，并根据监测参数直接进行数学反演，从而得到微波频率值。

4.根据权利要求2所述的基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置的测量方法，其特征在于，波导光栅在装置工作波段的频率响应设计为线性。

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