CN102546007A - 利用布里渊散射实现多频微波信号频率测量的装置及方法 - Google Patents

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潘敏
章献民
池灏
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Abstract

本发明公开了一种利用受激布里渊散射实现多频微波信号频率测量的装置及方法。目前基于微波光子学对微波频率测量的研究基本只适用于单频微波信号，并且分辨率有限。本发明把待测的多频微波信号相位调制到光上，利用受激布里渊散射通过一个扫频的载波抑制双边带信号对该相位调制双边带信号进行光学处理得到选择性的单边带光调制信号，同时同步扫频信号与调制信号微波功率的探测。当有微波功率可以被检测时，此时扫频频率与光纤布里渊频移之间的频差就是未知微波信号的频率。本发明继承了微波光子测量的一般优势，可以测量包含多频率信息的微波信号的所有频率信息，同时具有很高的分辨率。

Description

利用布里渊散射实现多频微波信号频率测量的装置及方法
技术领域
本发明涉及微波频率测量技术领域，尤其涉及一种利用布里渊散射实现多频微波信号频率测量的装置及方法。
背景技术
微波光子学是一门涉及微波工程和光子学的新兴交叉学科，其研究内容涉及了与微波技术和光纤技术相关的各个领域，主要集中在两方面：一是解决传统的光纤通信技术向微波频段发展中的问题，包括激光器、光调制器、放大器、探测器和光纤传输链路的研究；二是利用光电子器件解决微波信号的产生和控制问题，主要微波光子滤波器、光域微波放大器、任意波形微波信号产生等。微波光子学较于电子学具有众多优点，比如，损耗低、重量轻、尺寸小、带宽高、抗电磁干扰等。因此，通过采用微波光子技术可以实现以前在电域内很难甚至是无法完成的功能或任务。正是由于以上的巨大优势，微波光子学在信号处理、通信、国防和航空航天等领域已经得到了广泛的应用，并引起国内外学者的广泛关注。其中，微波光子频率测量技术被认为是未来电子战中处理雷达信号的先进方法之一，因此众多微波光子学技术研究被用于实现大动态范围、高分辨率的微波频率测量。然而，目前的基于微波光子学对微波频率测量的研究基本只适用于单频微波信号，并且分辨率有限。
受激布里渊散射(SBS)是光纤中泵浦波、斯托克斯波通过声波进行作用的非线性效应。受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。这期间产生两个耦合效应：一、泵浦波引起的折射率变化通过布拉格衍射散射泵浦光，产生了频率下移布里渊频移的布里渊增益谱；二是斯托克斯波将引起频率上移布里渊频移的布里渊损耗谱。布里渊散射对处于增益谱与损耗谱的信号在产生幅度增益或损耗的同时，均伴随着相位的非线性变化。而且信号幅度的增益和损耗的大小及相应的相位变化与斯托克斯波和泵浦波的功率、频率以及光纤类型、光纤长度均有关系。因此，近年来这种由布里渊散射效应引起的幅度和相位变化被广泛应用于光域中的信号处理中，例如产生单边带调制信号等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用受激布里渊散射实现多频微波信号的频率测量装置及方法。本发明把待测的多频微波信号相位调制到光上，利用受激布里渊散射通过一个扫频的载波抑制双边带信号对该相位调制双边带信号进行光学处理得到选择性的单边带光调制信号，同时同步扫频信号与调制信号微波功率的探测。当有微波功率可以被检测时，此时扫频频率与光纤布里渊频移之间的频差就是未知微波信号的频率，从而实现了对待测微波信号的频率测量。
本发明解决技术问题所采取技术方案为：
利用布里渊散射的多频微波信号频率测量装置，包括DFB激光器、1×2光耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、电光相位调制器、色散位移光纤、马赫-曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、环形器、隔离器和光高速探测器、微波检波器、数字示波器。DFB激光器的输出端与1×2光耦合器的输入端光连接，1×2光耦合器的一个输出端与第一偏振控制器的一端光连接，第一偏振控制器的另一端与马赫-曾德尔调制器光输入端光连接，马赫-曾德尔调制器光输出端与掺铒光纤放大器输入端光连接，掺铒光纤放大器输出端与环形器的1口光连接；1×2光耦合器的另一个输出端与第二偏振控制器的一端光连接，第二偏振控制器的另一端与电光相位调制器光输入端光连接，电光相位调制器光输出端与隔离器的输入端光连接，隔离器的输出端与色散位移光纤一端光连接，色散位移光纤另一端与环形器的2口光连接；环形器的3口与光高速探测器输入端光连接，光电高速探测器输出端与微波检波器电连接，微波检波器输出端与数字示波器电连接；扫频信号输入至马赫-曾德尔调制器电信号端，待测微波信号输入至电光相位调制器电输入端。
利用上述的装置进行频率测量方法：DFB激光器发射的光经光耦合器分成两路，一路经第一偏振控制器传入马赫-曾德尔调制器，扫频信号fs经马赫-曾德尔调制器电输入端，在马赫-曾德尔调制器上实现对扫频信号的双边带载波抑制调制，调制后的光信号接掺铒光纤放大器调整其功率，由光环行器1口反向传输到色散位移光纤上，另一路经第二偏振控制器传入电光相位调制器，待测微波信号经电光相位调制器电输入端输入电光调制器中，实现对待测微波信号的相位调制，调制后光信号接隔离器经色散位移光纤传输，在色散位移光纤中，正向传输的对待测微波信号的相位调制信号与反向传输的扫频信号的双边带载波抑制调制信号相遇，当待测信号中的某一个微波频率与扫频信号的频差等于色散位移光纤的布里渊频移时，就会发生受激布里渊散射，产生布里渊增益谱与损耗谱，实现对于该微波频率信号的单边带调制。该单边带调制信号经环形器输出，接光高速探测器后由微波检波器测量其微波功率，后接数字示波器。整个过程中扫频信号的扫描与数字示波器要求同步，从而可以得到不同扫描频率与微波功率的关系图。
本发明的有益效果：本发明通过受激布里渊散射对双边带调制信号进行光学处理得到光单边带调制扫频信号，从而实现微波频率测量。本发明不仅继承了微波光子测量的一般优势，并且可以测量包含多频率信息的微波信号的所有频率信息，同时具有几十MHz的高分辨率以及很宽的测量范围。此外，本发明中的微波功率测量是基于对相位调制信号一个边带的放大和另一边带的衰减从而实现单边带调制获得，因此，本发明可以测量极微弱的微波信号。
附图说明
图1是本发明中的装置结构示意图；
图2是利用布里渊散射实现微波频率单边带调制的频率转换示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步说明。
本发明通过扫频信号实现对于待测多频率微波信号中的某个频率的单边带调制，然后对该频率的微波功率进行检测。多频率微波信号通过相位调制器调制到光上，由于两个边带的相位差，在高速探测器后无法探测到微波信号。利用受激布里渊散射，对该光双边带相位调制信号进行光学处理实现选择性的光单边带调制信号时，微波功率可以被检测。此时的扫频频率与光纤的布里渊频移之间的频差就是该未知微波信号的频率。通过扫频信号与微波功率监测的同步，就可以得到不同扫描频率与微波功率的关系图。将有微波功率时的扫频信号频率减去色散位移光纤的布里渊频移，就可以得到待测微波信号的各个频率信息。
如图1所示，DFB激光器1发射的光经光耦合器2分成两路，一路光信号经第一偏振控制器3-1传入马赫-曾德尔调制器5，扫频信号fs经马赫-曾德尔调制器电输入端，在马赫-曾德尔调制器5上实现对扫频信号fs的双边带载波抑制调制，调制后的光信号接掺铒光纤放大器7调整其功率，由光环行器9的1口反向传输到色散位移光纤8上，另一路光信号经第二偏振控制器3-2传入电光相位调制器4，待测微波信号经电光相位调制器4的电输入端输入电光调制器4中，实现对待测微波信号的相位调制，调制后光信号接隔离器6经色散位移光纤8传输，在色散位移光纤8中，正向传输的对待测微波信号的相位调制信号与反向传输的扫频信号的双边带载波抑制调制信号相遇，当待测微波信号中的某一频率与扫频信号的频差等于色散位移光纤的布里渊频移时，就会发生受激布里渊散射，产生布里渊增益谱与损耗谱。由于该微波频率的±1阶边带分别处于布里渊增益谱与损耗谱中，所以其中一个边带放大、另一边带衰减，从而实现对于该频率微波信号的单边带调制。该调制信号经环形器9的3口输出，经光高速探测器10接微波检波器11探测其微波功率，后接入数字示波器12显示微波功率的变化。整个过程中扫频信号的扫描与数字示波器要求同步，从而可以得到不同扫描频率与微波功率的关系图。一般情况下，微波信号经电光相位调制器调制后，其±1阶边带的相位差为π，该特点使得两边带与光载波拍频时解调的电信号相互抵消，经过光高速探测器检测是无法得到微波功率的。当微波检波器12上可检测到微波功率时，说明光纤中发生了受激布里渊散射，并由此实现了该频率微波信号的单边带调制，此时扫频信号的频率fs与光纤的布里渊频移fs之间的频差就是该未知微波信号的频率。因此，通过扫频信号的扫描与微波功率的同步监测就可以得到不同扫描频率与微波功率的关系图，从而可以得到待测微波信号的所有频率信息。
通过受激布里渊散射对双边带调制信号进行光学处理得到光单边带调制扫频信号并实现微波频率测量的原理见图2。图中：fc：光载波信号；fs：扫频信号；fb：光纤的布里渊频移。(a)显示的是载波抑制的双边带调制扫频信号，(b)显示的是未知多频率微波信号经过相位调制后的频谱(这里，我们假设该信号有2个频率fu1，fu2)。当该相位调制信号与扫频信号在(上边带作为泵浦波，下边带作为斯托克斯波)色散位移光纤(DSF)相向传播时，如果扫频频率fs和未知微波信号的一个频率fu1的频率差等于色散位移光纤的布里渊频移fb时，那么就会发生受激布里渊散射。如图2中(c)所示，处于布里渊增益谱中fc+fu1的光波就会被频率为fc+fs的泵浦波放大，而处于布里渊损耗谱中频率为fc-fu1的光波得到削弱，从而得到对微波频率fu1的单边带调制。当该相位调制信号经环形器输出经光高速探测器探测后，产生频率为fu1的微波信号，因此可以在微波检测器上检测到其功率。当微波功率检测器上检测到功率时，表明光纤中发生过了受激布里渊散射，并由此实现了该频率微波信号的单边带调制，那么此时的扫频频率fs与光纤的布里渊频移fb之间的频差就是未知微波信号的频率。测量多频微波信号频率信息时，同步扫频信号fs和微波功率的检测，可以得到扫频信号频率与微波功率的关系图。通过计算图中可检测到微波功率时的扫频频率fs与光纤的布里渊频移fb之间的频差，实现多频率微波信号的频率测量。由于布里渊增益谱的带宽低至几十MHz，因此本发明在测量多频微波信号时可以达到很高的分辨率。

Claims (2)

1.利用受激布里渊散射的多频微波信号的频率测量装置，包括DFB激光器、1×2光耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、电光相位调制器、色散位移光纤、马赫-曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、环形器、隔离器和光高速探测器、微波检波器、数字示波器，其特征在于：DFB激光器的输出端与1×2光耦合器的输入端光连接，1×2光耦合器的一个输出端与第一偏振控制器的一端光连接，第一偏振控制器的另一端与马赫-曾德尔调制器光输入端光连接，马赫-曾德尔调制器光输出端与掺铒光纤放大器输入端光连接，掺铒光纤放大器输出端与环形器的1口光连接；1×2光耦合器的另一个输出端与第二偏振控制器的一端光连接，第二偏振控制器的另一端与电光相位调制器光输入端光连接，电光相位调制器光输出端与隔离器的输入端光连接，隔离器的输出端与色散位移光纤一端光连接，色散位移光纤另一端与环形器的2口光连接；环形器的3口与光高速探测器输入端光连接，光电高速探测器输出端与微波检波器电连接，微波检波器输出端与数字示波器电连接；扫频信号输入至马赫-曾德尔调制器电信号端，待测微波信号输入至电光相位调制器电输入端。
2.利用权利要求1所述的装置进行频率测量方法，其特征在于：DFB激光器发射的光经光耦合器分成两路，一路经第一偏振控制器传入马赫-曾德尔调制器，扫频信号f s 经马赫-曾德尔调制器电输入端，在马赫-曾德尔调制器上实现对扫频信号的双边带载波抑制调制，调制后的光信号接掺铒光纤放大器调整其功率，由光环行器1口反向传输到色散位移光纤上，另一路经第二偏振控制器传入电光相位调制器，待测微波信号经电光相位调制器电输入端输入电光调制器中，实现对待测微波信号的相位调制，调制后光信号接隔离器经色散位移光纤传输，在色散位移光纤中，正向传输的待测微波信号的相位调制信号与反向传输的扫频信号的双边带载波抑制调制信号相遇，当待测信号中的某一个微波频率与扫频信号的频差等于色散位移光纤的布里渊频移时，就会发生受激布里渊散射，产生布里渊增益谱与损耗谱，实现对于该微波频率信号的单边带调制；该单边带调制信号经环形器输出，接光高速探测器后由微波检波器测量其微波功率，后接数字示波器显示；整个过程中扫频信号的扫描与数字示波器要求同步，从而可以得到不同扫描频率与微波功率的关系图。
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